способ получения тонких полимерных волокон

Формула изобретения

Способ получения тонких полимерных волокон, при котором прядильный полимерный раствор подают на дозирующее сопло, к которому прилагают высокое электрическое напряжение, и истекающая из него струя прядильного полимерного раствора расщепляется на отдельные волокна, которые отвердевают, дрейфуют и осаждаются на заземленный металлический лист, отличающийся тем, что регулируют расстояние между дозирующим соплом и заземленным металлическим листом и величину приложенного к дозирующему соплу электрического напряжения до достижения максимального расщепления струи прядильного раствора и равновесия электрических сил, гравитационных сил и сил вязкого трения воздуха, действующих на дрейфующие отвердевшие полимерные волокна для осаждения наиболее тонких отвердевших полимерных волокон путем их дрейфа на приемный электрод, к которому подводят дополнительное электрическое напряжение.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к способу получения тонких полимерных волокон методом электроформования для производства волокнистых фильтрующих материалов (И.В.Петрянов, В.И.Козлов, П.И.Басманов, Б.И.Огородников. Волокнистые фильтрующие материалы ФП. - М.: Знание, 1968).

В производстве полимерных волокон известны способы, в которых полимерные смолы для получения волокон плавятся и в виде вязкой жидкости насосом подаются в формовочное устройство к фильерам. Другой способ приготовления вязкой жидкости - при помощи органического растворителя, который затем удаляется испарением из волокна при обдувании его теплым воздухом. В формовочном устройстве прядильная масса продавливается через отверстия фильеры и вытекающая струя растягивается и наматывается на приемное устройство (В.А.Шпирнов. Тонкие нити. - М.: Московский рабочий, 1980). Другим известным способом получения тонких полимерных волокон является электроформование, при котором полимерный прядильный раствор приготовляется с помощью растворителя и подается в дозирующие сопла, к которым подводится высокое электрическое напряжение. Вытекающая струя утончается, отвердевает и осаждается на заземленный приемный наматывающий барабан (Ю.Н.Филатов. Электроформование волокнистых материалов. - М.: Нефть и газ, 1997).

Наиболее близким техническим решением является способ, в котором полимерный прядильный раствор приготовляется с помощью растворителя, затем подается в дозирующее сопло, к которому подводится высокое электрическое напряжение. Затем исходная непрерывная и стационарно ускоряющаяся и утончающаяся свободная струя полимерного прядильного раствора расщепляется на более тонкие струи, которые отвердевают и осаждаются на заземленный металлический лист (пат. США №1975504, 1934). При этом количество дозирующих сопел может меняться.

Однако известные способы имеют следующие недостатки. Промышленно получаемые полимерные волокна имеют минимальный диаметр более 0,1 мкм. Достижение меньшего диаметра связано с непреодолимыми конструкционными трудностями, связанными с особенностями течения вязкого полимерного раствора через фильеры либо с усложнением технологического процесса, что приводит к низкой производительности из-за получения малого количества тонких полимерных волокон.

Способ электроформования в своем принципе дает возможность получать тонкие полимерные волокна. Но на практике получаются лишь единичные волокна, имеющие диаметр менее 0,1 мкм, что приводит к крайне низкой производительности процесса. Также таким способом производят сначала волокна большего диаметра, которые вытягивают затем в более тонкие. Но производство таких волокон требует значительного усложнения технологического оборудования, что затрудняет промышленное производство тонких полимерных волокон.

Техническим результатом предложенного способа является увеличение производительности полимерных волокон диаметром менее 0,1 мкм. Это достигается тем, что в способе получения тонких полимерных волокон, при котором прядильный полимерный раствор подают на дозирующее сопло, к которому прилагают высокое электрическое напряжение, и истекающая из него струя прядильного полимерного раствора расщепляется на отдельные волокна, которые отвердевают, дрейфуют и осаждаются на заземленный металлический лист, согласно изобретению регулируют расстояние между дозирующим соплом и заземленным листом и величину приложенного к дозирующему соплу электрического напряжения до достижения максимального расщепления струи прядильного раствора и равновесия электрических сил, гравитационных сил и сил вязкого трения воздуха, действующих на дрейфующие отвердевшие полимерные волокна для осаждения наиболее тонких отвердевших полимерных волокон путем их дрейфа на приемный электрод, к которому подводят дополнительное электрическое напряжение.

Это реализуется тем, что струя полимерного прядильного раствора, истекая из дозирующего сопла, к которому подводится высокое постоянное электрическое напряжение, расщепляется на более тонкие дочерние струи, которые отвердевают и осаждаются на приемное устройство, добиваются максимального расщепления дочерней струи полимерного раствора и дрейфа отвердевших полимерных волокон. При этом полимеры 7-12 вес.%, из которых готовится прядильный раствор, должны иметь как можно более вытянутую мономерную цепь и температура кипения растворителя должна превышать 100°С. В процессе стационарного ускоренного истечения из дозирующего сопла под действием силы тяжести и постоянного электрического поля первичная струя расщепляется на две дочерние струи, которые, в свою очередь, также расщепляются до тех пор, пока капиллярное давление на поверхности дочерних струй не скомпенсирует электрическое или струя при испарении растворителя не отвердеет. Прилагаемое постоянное электрическое поле колеблется в пределах 5-120 кВ. Поэтому, для достижения максимального расщепления первичной струи подбирается растворитель, имеющий высокую температуру кипения, чтобы процесс его испарения длился как можно дольше. Дрейф отвердевших полимерных волокон во внешнем электрическом поле обеспечивается путем регулирования расстояния между дозирующим соплом и заземленным металлическим листом, чтобы электрическая и гравитационная силы были скомпенсированы силой вязкого трения воздуха.

Для этого в электрическую цепь между источником питания и приемными электродами последовательно включают микроампер. В процессе электроформования в цепи течет ток, который фиксируют микроамперметром. Регулируя взаиморасположение электродов и дозирующего сопла, добиваются максимального значения тока в цепи. Кроме того, для регулировки процесса на приемный электрод помещают предметное стекло, которое просматривают под микроскопом в отраженном либо проходящем свете. Появление на предметном стекле дифракционной картинки свидетельствует о правильной взаимной геометрии установки и является необходимым условием для получения тонких полимерных волокон.

При этом дрейфующие расщепленные волокна имеют древовидную структуру, диаметр волокон которой уменьшается к ее периферии, где и помещаются вращающиеся приемные барабаны, на которые подается постоянное электрическое напряжение, величина которого подбирается, исходя из условия осаждения на него только периферийных, имеющих наименьший диаметр, волокон. Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что в нем добиваются максимального расщепления первичной струи прядильного полимерного раствора и, вместо того, чтобы осаждать полимерные волокна на металлический заземленный лист, помещают на периферии их дрейфа приемные барабаны, на которые осаждают часть только самых тонких отвердевших полимерных волокон. Заземленный металлический лист вместе с приемными барабанами представляют собой специальную конструкцию приемного устройства. Регулирование напряжения на приемных барабанах позволяет достигать равномерного осаждения тонких полимерных волокон, меньше заранее заданного диаметра 0,1 микрометр, а регулирование скорости его вращения позволяет получать заранее заданное преимущественное распределение по направлению полимерных волокон, что нашло подтверждение в ходе проведенных работ на опытной установке.

Изобретение поясняется фигурами, на которых представлены общий вид опытной установки для получения тонких полимерных волокон и конструкция дозирующего сопла, изображения полученных на опытной установке тонких полимерных волокон, сделанных с помощью электронного микроскопа.

Предлагаемый способ получения тонких полимерных волокон реализован следующим образом. В емкость 3 под избыточным давлением 0,2 атм подается воздух, который вытесняет прядильный полимерный раствор в дозирующее сопло 1 по патрубку 14, который соединен с стеклянной трубкой 11, которая через герметизирующую прокладку 8 соединена с патроном 7, в который впаян металлический капилляр 6, имеющий внутренний диаметр 0,2 мм. В емкость 2 под избыточным давлением 0,1 атм. подается воздух, который, проходя через растворитель, вытесняет его пары в патрубок 13, который соединен со стеклянной трубкой 10, которая соединена с колпачком 9. Высокое напряжение 20 кВ подводится к электроду 12. Полимерный прядильный раствор вытекает через капилляр 6, образуя первичную струю. Кончик капилляра 6 обдувается парами растворителя через колпачок 9. Первичная струя полимерного прядильного раствора расщепляется на дочерние струи, которые, отвердевая, образуют тонкие полимерные волокна, которые дрейфуют к заземленному металлическому листу 5. На периферии дрейфа тонких полимерных волокон установлены барабаны 4, на которые улавливаются тонкие волокна и к которым подведено напряжение 0,5 кВ.

Прядильный полимерный раствор приготовляется из фторполимера Ф-42 [-CF₂-CF₂-CH₂ -CH₂-CF₂-]_n 6,95 вес.% в N.N-диметилформамиде 93 вес.% с добавкой 0,05 вес.% соляной кислоты конц. НСl. После отгонки под вакуумом в течение 10 ч, получался готовый прядильный раствор с концентрацией полимера 7 вес.%. В течение 3 ч формовались тонкие полимерные волокна, которые затем помещались под электронный микроскоп, где фотографировались при увеличении в 30000 раз.

Осуществление заявленного способа проводилoсь при следующих условиях:

1. Величина приложенного напряжения 19–20 кB.

2. Приемный электрод, к которому подводят дополнительное электрическое напряжение, представляет собой лист из нержавеющей стали размером 0,5×0,5 м, расположенный строго по вертикали от дозирующего сопла таким образом, чтобы он находился между дозирующим соплом и приемным электродом.

3. При указанной величине приложенного напряжения 19–20 кВ расстояние, на котором происходит максимальное расщепление струи прядильного раствора, составляет приблизительно 0,5 м.

4. Высота максимального расщепления относительно дозирующего сопла определяется путем помещения предметного стекла в зону расщепления струи прядильного раствора. В том месте, где на предметном стекле осаждается максимальное количество полимерных волокон, находится высота максимального расщепления по дифракционной картинке.

5. Момент равновесия электрических сил, сил вязкого трения воздуха и гравитационных сил, действующих на дрейфующие волокна определяется по максимальному значению тока в электрической цепи, появлению дифракционной картинки на предметном стекле.

Использование предлагаемого способа получения тонких полимерных волокон обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:

1) получение полимерных волокон с диаметром менее 0,1 мкм с производительностью, позволяющей вести их промышленное производство; 2) получать волокнистый фильтрующий материал из полимерных волокон диаметром менее 0,1 мкм с заранее заданной преимущественной направленностью волокон.