Технология электроформования волокнистых материалов на основе полисульфона и полидифениленфталида, страница 3

Вэтих условиях полимерный раствор может проявлять аномалию вязкости, котораявлияет на диаметр волокон, поэтому целесообразно определить зависимостьвязкости от скорости сдвига для исследуемых в работе растворов.Исследование зависимости вязкости растворов полисульфона в 1,2-дихлорэтанеи циклогексаноне от скорости сдвига показывают, что в диапазоне градиентовскорости до 500 с-1 указанные системы не проявляют аномалию вязкости.Исследуемые в работе растворы полидифениленфталида при небольшой скоростисдвига проявляют дилатантные свойства.

При увеличении скорости сдвига вышенекоторого значения растворы полидифениленфталида начинают проявлятьпсевдопластичные свойства. При понижении концентрации раствора аномалиявязкости проявляется в меньшей степени.На рис. 3 приведена зависимость вязкости от скорости сдвига для растворовполидифениленфталида в циклогексаноне.10www.mitht.ru/e-library10.8Log Вязкости, log(Па*с)0.620 % р-р ПДФ в ЦГН0.418 % р-р ПДФ в ЦГН0.2015 % р-р ПДФ в ЦГН-0.212 % р-р ПДФ в ЦГН-0.4-0.600.511.522.53Log Скорости сдвига, log(с-1)Рисунок 3. Зависимость вязкости растворов полидифениленфталида вциклогексаноне от скорости сдвига при различных массовых концентрацияхполимераВ диапазоне градиентов скорости до 500 с-1 растворы полисульфона иполидифениленфталида, пригодные для получения нановолокон, практически непроявляют или проявляют незначительную аномалию вязкости. Таким образом, дляуказанных систем полимер-растворитель характерна зависимость диаметра волоконот вязкости типичная для ньютоновских жидкостей.Исследование динамических характеристик струйрастворов полисульфона и полидифениленфталидав электростатическом полеИсследование зависимости диаметра волокон от свойств системы полимеррастворитель и параметров ЭФВ-процесса целесообразно начать с определениявклада вытяжки струи на основных стадиях процесса в величину диаметра сухоговолокна.

Для визуализации процесса электроформования и фотографированияструй полимерных растворов в электростатическом поле в рамках представленнойработы была собрана экспериментальная установка, состоящая из ячейки, черезкоторую проходит раствор и к которой подводится высокое напряжение;осадительного электрода, выполненного в виде заземленной пластины;перистальтического насоса для регулирования расхода полимерного раствора;зеркальной фотокамеры с макрообъективом и непрерывного источника света.Исследование динамических характеристик струи проводилось в диапазонеобъемных расходов растворов 0,080 – 0,300 см3/мин и в диапазоне вязкостей 0,5 –10,0 Пз. При исследовании влияния напряженности электростатического поля надинамические характеристики струи минимальное значение напряженности11www.mitht.ru/e-libraryопределялось началом непрерывного стационарного формирования струи из конусаТейлора, максимальное – началом нестационарного изгиба и пульсации струи настадии её формирования.

Диапазон исследуемых в работе напряжений составлял5,0 – 30,0 кВ. Расстояние от капилляра до заземленной пластины составляло 18 см.Геометрия электростатического поля была вида «игла – плоскость».В ходе эксперимента последовательно изменяли один из исследуемыхпараметров, при этом поддерживая остальные исследуемые параметрыпостоянными. Измерения диаметра струи проводилось по фотографиям (рис. 4) спомощью программы Webbers ScopePhoto от выхода струи из капилляра дорасстояния, на котором изменение диаметра струи становилось меньшеразрешающий способности фотоаппарата (7 мкм).Рисунок 4. Фотография струи раствора полисульфона в циклогексаноне на выходеиз капилляра с расчетными метками по продольной координате.Для исследуемых систем измерены диаметры струи с шагом по продольнойкоординате 70 мкм.

Результаты измерений диаметров струи и их сравнение сдиаметрами, получаемых в ЭФВ-процессе волокон, показывают, что максимальнаявытяжкаструйрастворовполисульфонаиполидифениленфталидавэлектростатическом поле происходит на стадии формирования струи (на расстояниене превышающем 5 мм от конца капилляра для большинства исследуемых в работесистем). Дальнейшее уменьшение диаметра струи происходит преимущественновследствие испарения растворителя. Кратность вытяжки струй растворовполисульфона и полидифениленфталида в высококипящих растворителяхсоставляет 40–50 на стадии формирования струи и 4-6 на стадии её дрейфа.

Такимобразом, определяющий вклад в величину диаметра волокон вносит вытяжка струина стадии её формирования.По результатам измерений диаметров струи вычислены приведенный радиус,скорость, приведенная скорость, градиент скорости и ускорение струи.Qdvdvrv(5); v  2 (6); vп (7); grad (v) (8); a  v (9)rп rdxdxr0v012www.mitht.ru/e-libraryгде rп, r, r0 - приведенный радиус, радиус в данной точке и радиус струи навыходе из капилляра, соответственно; Q - объемный расход раствора; vп, v, v0 усредненная по сечению приведенная скорость, усредненная по сечению скорость вданной точке и усредненная по сечению приведенная скорость струи на выходе изкапилляра, соответственно; x - продольная координата, a - ускорение струи в даннойточке по продольной координате.При увеличении напряженности электростатического поля происходитвыраженное визуальное уменьшение конуса Тейлора по продольной координате.

Нарис. 5 представлена зависимость радиуса и скорости струи по продольнойкоординате для раствора полидифениленфталида в смеси циклогексанона и N,N`диметилформамида (50/50 масс. %) в зависимости от напряженностиэлектростатического поля при постоянных вязкости (0,75 Пз), объемном расходе(0,22 см3/мин) и электропроводности раствора (3,3·10-3 См/м).0.31.81.61.40.21.210.150.80.10.60.4Скорость жидкой нити, м/сРадиус жидкой нити, мм0.250.050.20000.511.52Расстояние от конца капилляра, ммr при U=14,6 кВv при U=14,6 кВr при U=16,6 кВv при U=16,6 кВr при U=18,6 кВv при U=18,6 кВРисунок 5.

Изменение профиля струи раствора полидифениленфталида в смесирастворителей (линейка 0,5 мм) и зависимость изменения радиуса и скорости струипо продольной координате от напряженности электростатического поляИз графика видно, что с увеличением напряженности поля радиус струиначинает резче уменьшаться, а скорость резче возрастать по продольнойкоординате. На определенном расстоянии от капилляра значения радиуса струипрактически выравниваются для одинаковых систем, помещенных в поле сразличными напряженностями, что доказывает незначительное влияниенапряженности электростатического поля на диаметр волокон, получаемых в ЭФВпроцессе. Установлено, что при увеличении напряженности поля градиент скоростии ускорение струи достигает максимума на меньшем расстоянии от конца капиллярапо продольной координате.На рис.

6 представлена зависимость радиуса и скорости струи по продольнойкоординате от вязкости для раствора полисульфона в циклогексаноне припостоянном объемном расходе раствора (0,166 см3/мин), электропроводностираствора (1,2·10-4 См/м) и напряженности электростатического поля (6,1·104 В/м).13www.mitht.ru/e-library200.3Радиус жидкой нити, мм16140.212100.1580.1640.05Скорость жидкой нити, м/с180.2520000.250.50.7511.251.51.752Расстояние от конца капилляра, ммr при n=0,6 Пзv при n=0,6 Пзr при n=1,6 Пзv при n=1,6 Пзr при n=8,5 Пзv при n=8,5 ПзРисунок 6.

Изменение профиля струи раствора полисульфона в циклогексаноне(линейка 0,5 мм) и зависимость изменения радиуса и скорости струи по продольнойкоординате от вязкости раствораУстановлено, что для более вязких растворов уменьшение радиуса начинаетсябыстрее, чем для менее вязких, но для последних характерно уменьшение радиусадо меньшей величины. Этот результат согласуется с ролью вязкости в цепочкепередачи энергии от поверхностных электрических натяжений через силывнутреннего трения к кинетической энергии струи.На рис.

7 представлена зависимость изменения радиуса и скорости струи попродольнойкоординатеотобъемногорасходадляраствораполидифениленфталида в циклогексаноне при постоянной вязкости раствора (9,9См/м)инапряженностиПз),электропроводностираствора(2,0·10-34электростатического поля (4,2·10 В/м).Радиус жидкой нити, мм0.250.20.20.150.150.10.10.050.050Скорость жидкой нити, м/с0.250.3000.511.522.533.544.55Расстояние от конца капилляра, ммr при Q=0,100 см3/минv при Q=0,100 см3/минr при Q=0,164 см3/минv при Q=0,164 см3/минr при Q=0,245 см3/минv при Q=0,245 см3/минРисунок 7.

Изменение профиля струи полидифениленфталида в циклогексаноне(линейка 0,5 мм) и зависимость изменения радиуса и скорости струи по продольнойкоординате от объемного расхода.Установлено, что с увеличением расхода радиус медленнее уменьшается попродольной координате. При меньших значениях расходов, радиус струи достигаетменьшей величины, что объясняет уменьшение диаметра волокон при понижениирасхода.

Если изменение расхода не сопровождается заметным изменением формы14www.mitht.ru/e-libraryконуса Тейлора, то скорость меняется незначительно. При уменьшении объемногорасхода максимум градиента скорости и ускорения смещается ближе к капилляру попродольной координате. Установлено, что для получения волокон минимальногодиаметра из растворов полисульфона и полидифениленфталида градиент скоростидолжен достигать максимума на расстоянии не превышающим 1 мм от выхода струииз капилляра и составлять не менее 104 с-1.Исследование влияния основных параметров процесса электроформованияна диаметр волоконИсследование зависимости диаметра волокон от параметров процессаэлектроформования и свойств системы полимер-растворитель осуществлялось налабораторной установке (рис. 1), которая является уменьшенной моделью пилотнойустановки.При исследовании зависимости диаметра волокна от вязкости и от объемногорасхода раствора в эксперименте электропроводность раствора и напряженностьэлектростатического поля поддерживались постоянными.

Напряженность полярегулировалась изменением расстояния между осадительным электродом икапилляром и изменением подаваемого на капилляр напряжения. В качестведобавки,регулирующейэлектропроводность,использовалсятетра-нбутиламмониййодид [CH3(CH2)]4NJ.В исследовании получения материалов из микроволокон полисульфона вкачестве растворителя использовался 1,2-дихлорэтан, для получения материала изнановолокон – циклогексанон.В исследовании получения материалов из нановолокон полидифениленфталидаиспользовалисьследующиесистемыполимер–растворитель:полидифениленфталид в циклогексаноне; полидифениленфталид в N,N’диметилформамиде; полидифениленфталид в смеси циклогексанона и N,N’диметилформамида в массовом соотношении 20/80, 50/50, 80/20.В таблице 2 представлены диапазоны вязкостей, диапазоны объемных расходовраствора и электропроводности при которых исследовали получение микро- инановолокон полисульфона и нановолокон полидифениленфталида в указанныхрастворителях или смесях растворителей.