Матвеев А.Т., Афанасов И.М. - Получение нановолокон методом электроформирования, страница 9

Приправильном выборе растворителя, концентрации полимера в растворе, скорости  45  подачи раствора, напряжения и расстояния между капилляром и осадительнымэлектродом, температуры и давления пара растворителя в зоне формования процессЭФ можно провести до предельного расщепления волокон.

В этом случае дисперсиядиаметров волокон, а так же наличие перечисленных дефектов будут минимальны.Третий и четвертый недостатки могут быть отчасти устранены аппаратурнымисредствами. Принципиальная схема процесса ЭФ, приведенная на рис. 2.1, одинаковадля любого процесса и любой установки ЭФ.

Тем не менее, конкретная техническаяреализация этой схемы определяют вид и, в большой мере, качество получаемыхизделий. Так геометрия электродов, их взаимное расположение, скорость перемещенияэлектродов, число капилляров или их отсутствие определяют ориентацию волокон визделии, их длину, а так же размеры самого изделия (лист, или непрерывная лента ит.п.). В настоящее время интенсивно разрабатываются различные схемы процесса ЭФ,позволяющие получать высоко ориентированные нановолокна ограниченной длины,или длинномерные жгуты, состоящие из нановолокон, непрерывные ленты, состоящиеиз нановолокон с преимущественной ориентацией. Различные схемы процессов ЭФприведены в табл.

3 [17,18].Таблица 3. Принципиальные схемы процессов ЭФ, позволяющие получать 2Dволокнистые изделия с преимущественной ориентацией волокон.А. Вращающийся барабан-коллекторДостоинства: простое устройство, могутбыть получены ориентированные образцыбольшой площади.Недостатки: трудно получить высокуюстепень ориентации волокон; волокнамогут иметь многочисленные разрывы изза большой скорости вращения барабана.Б. Вращающийся стержневой барабанДостоинства: простое устройство, могутбыть получены высокоориентированныеволокна.Недостатки: высокая ориентация волоконвозможна не по всей площади, в толстыхобразцах нарушается высокая степеньориентации волокон.Достоинства: простое устройство, могутбыть получены высокоориентированныеволокна, область высоко ориентированныхволокон зависит от ширины проволочныхВ.

Барабан-коллектор с проволочны-миокружностями  46  окружностей.Недостатки: высоко ориентированныеволокна концентрируются околопроволочных окружностей.Г. Вращающийся трубчатый коллектор сножевыми электродами, расположеннымипод ним.Достоинства: могут быть получены высокоориентированные волокна, причем по всейповерхности коллектора.Недостатки: на ножевые электродынеобходимо подавать отрицательныйпотенциал, возможен только малыйдиаметр трубчатого коллектора.Достоинства: могут быть полученывысокоориентированные волокна,возможен контроль направленияориентации волокон, толстые образцы свысокой степенью ориентации волоконвозможны.Д. Осаждение с ножевымипротивоэлектродамиНедостатки: отрицательный потенциалнеобходимо подавать на электрод,маленький диаметр трубчатого коллекторатолько возможен.Е. Вращающийся барабан-коллектор состриём внутриДостоинства: возможно получение 2Dориентированных волокон.Недостатки: сложная конструкция, степеньупорядочения падает с толщиной слояволокон.Ж.

Параллельные электродыДостоинства: простое устройство, могутбыть получены высокоориентированныеволокна, образцы легко снимать ипереносить.Недостатки: ограниченные размерыобразцов, высокая ориентация возможнатолько в тонких образцах.З. 2D cтруктурированный осадительныйэлектродДостоинства: простое устройство.Недостатки: ориентация волокон меняетсявдоль поверхности образца, ограниченнаяплощадь упорядоченных волокон,упорядочение волокон нарушается столщиной образца.  47  Таблица 4.

Принципиальные схемы процессов ЭФ, позволяющие получать 1Dволокнистые изделия с преимущественной ориентацией волокон.Достоинства: простое устройство, могутбыть получены высокоориентированныеволокна, возможно получить длинныеориентированные жгуты, если использоватьскользящую ленту-транспортер.А.

Узкий диск-коллекторНедостатки: степень ориентировки волоконпадает с толщиной слоя, маленький объемориентированных волокон.Б. Линейные ножевые электродыДостоинства: простое устройство, высокаяориентация волокон в жгуте, жгут легкоснять.Недостатки: небольшая длина жгутаВ. Параллельные кольцевые коллекторыДостоинства: простое устройство, могутбыть получены скрученные жгуты.Недостатки: небольшая длина жгута, одиниз кольцевых электродов должен вращатьсядля скручивания жгута.Г. Осаждение в водный электродколлекторДостоинства: простое устройство, могутбыть получены длинные непрерывныежгуты, волокна в жгуте имеют довольновысокую степень ориентации.Недостатки: небольшая скорость процесса.Д.

Два капилляра с разностьюпотенциаловДостоинства: простое устройство, могутбыть получены длинные непрерывныежгуты, волокна в жгуте имеют довольновысокую степень ориентации, возможномасштабирование.Недостатки: отрицательный потенциалнеобходимо подавать на электрод.В зависимости от конструкции дозирующего раствор капилляра (табл. 5) можнополучать не только однородные волокна, но двухслойные, пористые, или двух- трехкомпонентные, а так же получать материалы из смешанных волокон разного состава.Производительность процесса ЭФ также сильно зависит от конструкции дозирующихраствор устройств.  48  Таблица 5.

Разновидности дозирующих капилляров и дозирующих устройств.Достоинства: двухслойные волокна могутбыть получены, полые волок-на могут бытьполучены после удаления внутреннегоматериала, можно получить волокнаматериала, неформуемого методом ЭФ,используя внешний материал, которыйформуется методом ЭФ.А. Коаксиальные капиллярыНедостатки: два материала могутсмешиваться между собой.Б. Капилляр с газовым обдувомДостоинства: обдув газом определенногосостава и температуры способствуетпредельному расщеплению волокон иполучению гладкой поверхности.Недостатки: скорость газа должна хорошоконтролироваться.В. Двух- (трех-) компонентный капиллярДостоинства: моноволокна из двух (трех)разных материалов могут быть получены.Недостатки: два материала могутсмешиваться между собой.Г.

Многокапиллярная системаДостоинства: простое устройство, можносмешивать волокна разных материалов вжелаемой пропорции.Недостатки: электростатическоевзаимодействие между формуемымиструями.Д. Пористое дозирующее устройствоДостоинства: высокая производительностьпроцесса ЭФ.Недостатки: большой разброс диаметровволокон по размерам.Достоинства: высокая производительностьпроцесса ЭФ, нет проблемы закупоркикапилляров.Е. Бескапиллярное формованиеНедостатки: большой разброс диаметровволокон по размерам, сложное устройство(пики р-ра формируются или магнитнымполем, или УЗ, или спонтанно нанеоднородностях электрода, смоченногоформовочным р-ом.  49  2.8. Получение неорганических нановолокон методом электроформованияИспользуяпроцессЭФполимеровможнополучитьнеорганическиенановолокна.

Можно выделить два главных метода получения неорганическихнановолокон: 1) в приядильный раствор (т.е. раствор полимера) вводят неорганическиенаночастицы, например, углеродные нанотрубки, 2) в формовочный раствор вводятраствор неорганического материала. После получения ЭФ волокон из таких растворовпроводят их термохимическую обработку, в результате которой из волокон удаляетсяорганическая составляющая и остается неорганическая. Затем, при необходимости,проводятвысокотемпературнуюкристаллизациюполученныхнеорганическихнановолокон. Недостатками первого метода являются ограничения, накладываемые наэлектропроводность вводимых наночастиц и их концентрацию. Недостатком второгометода является сложность приготовления однородного, устойчивого раствора.

Дляполученияоднородногоформовочногорастворажелательноиспользоватьметаллоорганические соединения, однако эти соединения, как правило, чувствительнык влаге, или кислороду, что сильно усложняет процесс получения бескислородныхнановолокон. При получении же нановолокон оксидных соединений эти проблемыперестают быть доминирующими. Благодаря этому, большое количество нановолоконоксидных соединений получены методом ЭФ полимеров: Fe3O4, ZrO2, Al2O3, Co3O4,TiO2, NiTiO3, MgTiO3, Ni2Fe2O4 и др. Подробнее о синтезе неорганических волоконметодом ЭФ см. [19].3.

Свойства и применение волокнистой продукции процесса ЭФШирокие возможности процесса ЭФ позволяют получать волокнистые материалы сзаданными физико-химическими свойствами, что подчеркивает неразрывную связь вцепочке «прядильный раствор – условия процесса ЭФ – микроструктура волокон иматериалов – макрохарактеристики ЭФ-материалов». Их исследование включаетопределение особенностей морфологии и структуры волокон и, зачастую, механическихсвойств материалов.

Для частного применения также регламентируются фильтрующиесвойства, смачиваемость, тепло-, электроизоляционные характеристики и др.3.1. Макрохарактеристики ЭФ-продукцииВнешне ЭФ-продукция выглядит как диффузно отражающие свет достаточноравномерные по толщине слои неупругой, легко необратимо сгибаемой и расправляемой  50  ворсистой ткани, обычно белой или со слабым оттенком цвета волокнообразующегополимера. Для изменения цвета, как правило, при формовании добавляют красители.Последующее модифицирование также позволяет существенно изменять ее цвет.Помимо цвета ЭФ-материалы характеризуются определенной толщиной слоя, егопористостью и поверхностной плотностью, причем две последние характеристикиявляются объектом обязательного технологического контроля.