Матвеев А.Т., Афанасов И.М. - Получение нановолокон методом электроформирования, страница 11

К подобному эффектуприводит и увеличение расстояния между гребенкой и коллектором − за счет увеличениявремени падения струи полимера.Отметим, что в ЭФ-процессе приобретается некая предпочтительная ориентацияструктурных фрагментов полимера, отличная от таковой в пленках, о чем свидетельствуетизменение соотношения интенсивностей рефлексов на рентгенограммах нановолокон иполимерных пленок (рис. 3.7.).  57  Рис. 3.7. Рентгенограммы нановолокна и пленки из поликапролактама [Lee 2003b]Молекулярно-массовое распределение полимера также оказывает влияние накристалличность получаемых волокон.

С увеличением средней молекулярной массыувеличивается длина и степень упорядоченности ориентированных макромолекулярныхфрагментов, что ведет к повышению степени кристалличности ЭФ-волокон [28]. Влияниеже концентрации полимера в прядильном растворе на кристалличность волоконнеоднозначно и определяется изменением структуры, конформации, длины и гибкостимакромолекулярных цепочек с ее изменением [4].Введениедобавоквпрядильныйрастворприводиткизменениюегоэлектропроводности.

С повышением электропроводности раствора степень ориентациимолекулярных фрагментов в волокне увеличивается [27].Ближний порядок в ЭФ-волокнах изучают методами инфракрасной спектроскопии,спектроскопиикомбинационногорентгеновскойфотоэлектроннойрассеяния,ядерногоспектроскопии.магнитногоИспользованиерезонансаданныхиметодовособенно актуально при исследовании структуры аморфных волокон, где применениедифракционных методов ограничено.

Применение спектроскопических методов позволяетвыявить отличия в строении пленок полимеров и волокон, полученных из растворов двухи более полимеров, где в некоторых случаях возможно образование гетерофазныхструктур ввиду воздействия электрического поля [29]. ИК-спектроскопия незаменима приисследовании волокон с привитыми функциональными группами, а также при изучениипроцессов сшивок, происходящих при постформовочных процессах.3.4. Механические свойстваМеханические свойства ЭФ-продукции являются чрезвычайно важными внезависимости от сферы применения. При этом испытания проводят, как правило, для 2D  58  материалов, а исследование механических характеристик индивидуальных волоконзатруднено ввиду сложности приготовления образцов отделенных волокон [23].Последние проводят с использованием атомно-силовых и просвечивающих микроскопов,оснащенных специальными приставками.Механическиесвойстваиндивидуальныхволоконопределяютсяприродойиспользуемого полимера, свойствами прядильного раствора и условиями ЭФ-процесса(табл.6).РешающеевлияниенапрочностныесвойстваЭФ-материалов,помимохарактеристик индивидуальных волокон являются, оказывает характер взаимногорасположения и сцепления их друг с другом: прочность на разрыв 2D-материалов изполикапролактама ~ в 30 раз ниже, чем прочность соответствующих индивидуальныхволокон! Подавляющая часть ЭФ-продукции состоит из достаточно сухих волокон,связанных в местах соприкосновения только адгезионными и электрическими силами,если сохранился заряд.

Такие материалы практически не способны к обратимым упругимдеформациям. Они не сопротивляются свободному изгибу, кручению и не разрушаютсяпри этом. Заметной упругостью обладают лишь проклеенные материалы.Таблица 6. Механо-прочностные характеристики ЭФ-продукции [4].ПолимерДиаметрволокна, нмЕинд,ГПа*σинд,МПаполилактид89061012,9891830,12401000-1700ПредпочтительнаяориентацияполикапролактамполитриметилентерефталатСополимермолочной игликолевой кислотжелатинполиуретанПВХ  200-5500есть400есть4001000нет500-800100340100-500Неизмеряли•ll – в направлении вытяжки•┴ - в перпендикулярном направлениинетнетесть59  Емат*, МПаσмат,МПа3,7ll2,7┴0,7ll1,1┴71871,4ll1,2┴2,2ll4,1┴64,93231171233,77,8ll7,8┴232,03,4101,8ll1,7┴В зависимости от типа коллектора ЭФ-материалы могут проявлять некоторуюанизотропию механических свойств.

При использовании статических коллекторов ЭФматериалы проявляют изотропию механических свойств, в то время как прииспользованиивращающегосяпредпочтительнойориентациейколлектораволоконможетнекотораянаблюдатьсяанизотропиясвязанная–скоэффициентанизотропии прочности на разрыв материала из политриметилентерефталата достигает 1,8(табл. 6).3.5. Фильтрующие свойстваИменно уникальные фильтрующие свойства ЭФ-продукции и явились решающимфактором, обеспечившим ей в сферах защиты окружающей среды, техники и медицинывысокуюконкурентнуюспособностьсредидругихволокнистыхматериаловиобусловившим интенсивное развитие технологии ее массового производства.Под фильтрующими свойствами понимают способность волокнистого слоязадерживать из проходящего через него потока газа или жидкости аэрозольные илигидрозольныемикро-инаночастицы.Этисвойствавключают,во-первых,гидродинамическое сопротивление слоя проходящему через него потоку, определяемоезаконами его течения, и, во-вторых, − эффективность улавливания частиц, определяемуюмеханизмами их взаимодействия с волокнами.Гидродинамическое сопротивление потоку среды определяется как ее вязкостью искоростью движения и числом Кнудсена, так и параметрами волокнистого материала:диаметром волокон, плотностью упаковки, толщиной материала [9].Способность волокнистого слоя к улавливанию аэрозольных или гидрозольныхчастиц характеризуется его проницаемостью К [23]:(23) К=N/N0=c/c0,где No или c0 и N или c − число этих частиц или их концентрация в фильтруемой средесоответственно до и после слоя.

Если размер частиц превосходит расстояние междуволокнами, то механизм задержки первых вполне очевиден − они застревают наповерхности слоя, реализуется механизм отсеивания. В противном случае частицыпроникают в слой, их задержка носит вероятностный характер с возможностьюреализации и суперпозиции следующих механизмов: зацепление, диффузионный,  60  инерционный, электрический и гравитационный. При этом отсеивание и зацеплениеявляются общими для гидрозолей и аэрозолей, а остальные играют существенную рольтолько для последних.Гибкость ЭФ-процесса позволяет в широких пределах варьировать структуруволокнистого слоя и создавать фильтры для конкретного применения (см. гл.4.1.).Отметим, что ввиду малого диаметра волокон, а следовательно достаточно большойплотности упаковки, ЭФ-фильтры высокоэффективны для улавливания аэрозольныхчастиц субмикронного и нанометрового диаметров. Их задержка происходит подиффузионному механизму, который обусловлен броуновским движением аэрозольныхчастиц и, как следствие, их случайными столкновением с волокнами.

Особенностью ЭФфильтров также является вклад электрического механизма в улавливание аэрозольныхчастиц за счет заряд-дипольного и диполь-дипольного взаимодействия ЭФ-волокон сними.Отметим, что накопление на волокнах и между ними аэрозольных и гидрозольныхчастиц не приводит к разрушению волокон и нарушению их взаимного расположения, новсе же вызывает существенные изменения первичных геометрических характеристикволокнистого слоя и его фильтрующих свойств: снижение проницаемости и ростгидродинамическогосопротивления,которыелимитируютвконечномсчетеэксплуатационный ресурс слоя.3.6. Электрический зарядОт любых других, аналогичных по микроструктуре нетканых волокнистыхматериалов, ЭФ-продукция отличается способностью приобретать при формовании исохранять в дальнейшем сильную послойную поляризацию, обеспечивающую ей рядуникальных эксплуатационных свойств.

Подобная поляризация возникает как следствиемногократных искровых газовых разрядов с формирующегося слоя заряженных волоконна коллектор.В снятой с электрода ЭФ-продукции избыточный заряд проявляется в ееспособности притягиваться к окружающим предметам и к самой себе. Создавая некотороенеудобство в обращении, эта способность играет для ЭФ-продукции и положительнуюроль, облегчая герметизацию и стыковку краев волокнистого слоя при его использованиив качестве фильтров, сепараторов, аппликаторов, прокладок и т.п. Однако устойчивость  61  избыточного заряда в свободном слое ограничена, он полностью исчезает при смачиваниии стекает за несколько десятков часов при прохождении через волокнистый слойатмосферного воздуха.

Однако, если слой находится на подложке или между другихслоев, остаточный заряд может присутствовать в нем значительно дольше, что сохранитему способность прилипать к посторонним предметам.3.7. Другие свойстваРассмотрим некоторые другие свойства ЭФ-продукции, определяющие сферы еепрактического применения: сорбционные, теплоизоляционные, электрические, радио-,свето- и звукопоглощающие.Некоторые волокнообразующие полимеры, а, следовательно, и волокнистыематериалы на их основе, обладают выраженной способностью к физической и дажехемосорбции различных паров и газов. Примеры таких материалов приведены в табл.7.Таблица.7. Сорбционные свойства ЭФ-материалов.Волокнообразующий полимерфенолформальдегидная смола иполивинилбутиральСорбируемый газгалогеныпары тетраоксидарутенияаммиакводаполиарилатперхлорвиниловая смоладиацетат целлюлозы и полиэтиленоксидСтатическая сорбционная емкость этих материалов зависит от механизмапоглощения пара или газа, его давления, температуры и варьируется от несколькихтысячных до нескольких долей г/г.