Технология электроформования волокнистых материалов на основе полисульфона и полидифениленфталида, страница 4

Для указанных в таблице растворовпроведено исследование зависимости диаметра волокон от свойств системыполимер-растворительипараметровЭФВ-процесса.Напряженность5электростатического поля для всех исследуемых систем 2,0·10 В/м.Таблица 2Свойства систем полимер-растворитель и параметры ЭФВ-процесса.Диапазон объемных Электропроводность,Растворитель или смесьДиапазонСм/мрастворителейвязкостей, Пзрасходов, см3/минПолисульфонДХЭ3,0 - 10,30,05 - 0,258,8·10-4ЦГН3,5 - 21,50,025 - 0,1202,0·10-315www.mitht.ru/e-libraryЦГНДМФАЦГН/ДМФА (80/20 масс.

%)ЦГН/ДМФА (50/50 масс. %)ЦГН/ДМФА (20/80 масс. %)Полидифениленфталид0,5 - 3,00,010 - 0,0750,005 - 0,1200,3 - 1,40,010 - 0,0501,2 - 2,20,010 - 0,0900,3 - 1,41,0 - 2,00,010 - 0,0502,5·10-33,2·10-32,5·10-32,5·10-32,5·10-3Средний диаметр волокон, мкмДля исследуемых систем полимер-растворитель с помощью программы TableCurve 3D v4.0 были построены поверхности, описывающие влияние вязкостираствора и его объемного расхода на диаметр получаемых волокон при постояннойэлектропроводности раствора и напряженности поля. Построенные поверхностипозволяют проводить оптимизацию динамической вязкости и объемного расходараствора для получения волокон требуемого диаметра. Пример поверхности длясистемы ПДФ - ЦГН представлен на рис.

8 (указаны критерии качества модели).Объемный расход, см3/минВязкость, ПзR2R2cSF0,9808865072 0,9756737364 0,0399252154 307,91436663Рисунок 8. Зависимость диаметра волокон от вязкости раствора и объемногорасхода для системы полидифениленфталид–циклогексанонДля всех исследованных растворов с ростом вязкости и объемного расходадиаметр волокон возрастал, что согласуется с теорией и практикой ЭФВ-процесса.Важно отметить, что при уменьшении вязкости раствора ниже определенногозначения (различного для разных систем) однородность волокон нарушалась. Втаблице 3 приведены минимальные диаметры бездефектных волокон, полученныхиз указанных систем полимер–растворитель и «пороговое» значение вязкости, нижекоторой нарушается однородность волокон.16www.mitht.ru/e-libraryТаблица 3Минимальный диаметр волокон полидифениленфталида.Системаполимер–растворительПДФ–ЦГНПДФ–ДМФАПДФ–ЦГН/ДМФА (80/20 масс.

%)ПДФ–ЦГН/ДМФА (50/50 масс. %)ПДФ–ЦГН/ДМФА (20/80 масс. %)Минимальный диаметрволокон, нм400300400300300«Пороговая»вязкость, Пз0,50,30,50,50,5Системы ПДФ в ДМФА, ПДФ в ЦГН/ДМФА (20/80 масс. %) и ПДФ в ЦГН/ДМФА(50/50 масс. %) позволяли получить нановолокна диаметром до 300 нм. Но процессэлектроформования для вышеуказанных систем при влажности более 60% проходилнестабильно. Ввиду того, что уменьшение диаметра волокон при использованииN,N’-диметилформамида в качестве компонента раствора сопряжено снестабильностью ЭФВ-процесса, для получения нановолокон был выбран растворполидифениленфталида в циклогексаноне.Для растворов полисульфона в дихлорэтане и в циклогексаноне иполидифениленфталида в циклогексаноне и в смеси циклогексанона и N,N’диметилформамида (50/50 масс.

%) исследовали влияние электропроводностираствора и напряженности электростатического поля на диаметр волокон. Показано,чтоприповышенииэлектропроводностираствораинапряженностиэлектростатического поля происходит уменьшение диаметра волокон, при этомвлияние указанных параметров на диаметр волокон ослабевает при уменьшениивязкости и объемного расхода раствора.

Применительно к составам растворов дляполучения нановолокон полисульфона и полидифениленфталида повышениеэлектропроводности раствора и напряженности электростатического поля приводитк уменьшению диаметра волокон не более чем на 20%. Электропроводностьраствора и напряженность электростатического поля являются параметрами,обеспечивающимиустойчивоепротеканиепроцессаэлектроформования.Установлено, что для стабильного прохождения процесса получения нановолоконполисульфона и полидифениленфталида электропроводность растворов должнасоставлять 1,0-5,0·10-3 См/м при напряженности поля 0,5-2,0·105 В/м.На основании вышеизложенного были получены волокнистые материалы изполисульфона с диаметром волокон 0,4; 1,5; 4 и 7 мкм и полидифениленфталида сдиаметром волокон 500 нм.Исследование физико-механических и фильтрующих свойстваволокнистых материалов из полисульфона иполидифениленфталидаПолученные фильтрующие волокнистые материалы состоят из просохшихволокон и связаны в местах соприкосновения только адгезионными и17www.mitht.ru/e-libraryэлектростатическими силами.

Одним из основных требований, предъявляемых кматериалам ФП – сопротивление одноосному растяжению, которое они испытываютв процессе сборки и эксплуатации, поэтому целесообразно измерить разрывнуюдлину и относительное удлинение при максимальной нагрузке.По данным физико-механических испытаний построены кривые одноосногорастяжения для волокнистых материалов, состоящих из волокон различногодиаметра, подвергшихся соответствующей тепловой обработки. В таблице 4приведены исследуемые параметры для материалов из полисульфона с диаметромволокон 400 нм; 1,5 мкм; 4 мкм; 7 мкм, не подвергшихся температурномувоздействию, выдержанных в течение 100 часов при температуре 140 оС и 150 оС идля материала из полидифениленфталида с диаметром волокон 500 нм, неподвергшихся температурному воздействию и выдержанных в течение 100 часовпри температуре 150 оС.Таблица 4Физико-механические характеристики волокнистых материаловДиаметрволоконТемпературное воздействиеРазрывнаядлина, мεср примаксимальномнапряжении, %Полисульфон7 мкм4 мкм1,5 мкм400 нм500 нм–140 С в течение 100 часов150 оС в течение 100 часово400800950–450140 С в течение 100 часов950о150 С в течение 100 часов950–500о140 С в течение 100 часов700о150 С в течение 100 часов800–550о140 С в течение 100 часов650о150 С в течение 100 часов800Полидифениленфталид–200о150 С в течение 100 часов200о1605050110505055403530151555Из таблицы видно, что разрывная длина волокнистых материалов изполисульфона увеличивается, а относительное удлинение при максимальнойнагрузке уменьшается при длительном воздействии на материал повышеннойтемпературы.

Для материалов, состоящих из волокон диаметром 4 и 7 мкм, последостижения максимального напряжения характерно его постепенное уменьшение.Для материалов из волокон диаметром 1,5; 4 и 7 мкм, выдержанных длительное18www.mitht.ru/e-libraryвремя при повышенной температуре, а также из волокон диаметром 400 нм,независимо от воздействия температуры, характерен разрыв при максимальномнапряжении. Это связано с некоторым «сплавлением» волокон в местах контакта.Для волокнистого материала из полидифениленфталида (диаметр волокон 500 нм)разрывная длина и относительное удлинение при максимальной нагрузке неизменяются при длительном воздействии температуры 150 оС.Фильтрующие свойства являются основным критерием при выборе волокнистыхматериалов в качестве высокоэффективного улавливающего и защитного средства всфере высокоэффективной очистки газов от аэрозолей. Эти свойства принятохарактеризовать стандартным гидродинамическим сопротивлением (сопротивление,измеренное при скорости фильтрации 1 см/с), коэффициентом проскока икоэффициентом фильтрующего действия (КФД).[ ]  lg([ K ])[ p ](10)где [Δp] - стандартное гидродинамическое сопротивление, К - коэффициент проскокапри 1 см/с, [α] - коэффициент фильтрующего действия.Поскольку в реальных условиях эксплуатации волокнистые материалы современем теряют электростатический заряд, целесообразно измерить фильтрующиесвойства полностью разряженных материалов.

В таблице 5 представленыисследуемые показатели для волокнистых материалов из полисульфона иполидифениленфталида с различным диаметром волокон.400 нмТаблица 5Фильтрующие характеристики волокнистых материаловКоэф. проскокаМасса ед.по частицамДиаметрΔP, мм.площади,наиболееволоконвод. ст.2г/мпроникающегодиаметра, %Полисульфонбез тепловойобраб.140 оС втечение 100 ч150 оС втечение 100 ч1,61,5 мкмразряженбез тепловойобраб.140 оС втечение 100 ч150 оС втечение 100 чразряжен28,4КФД по частицамнаиболеепроникающегодиаметра, отн. ед.1,32,21,31,66,50,81,76,50,71,36,50,92,60,121,12,71,10,72,71,10,72,61,10,719www.mitht.ru/e-library4 мкмбез тепловойобраб.140 оС втечение 100 ч150 оС втечение 100 ч30,17 мкмразряженбез тепловойобраб.140 оС втечение 100 ч150 оС втечение 100 ч31,2разряжен2,22,50,72,39,50,52,39,50,52,29,50,51,21,41,61,231,70,41,231,70,41,231,70,4500 нмПолидифениленфталидбез тепловойобраб.150 оС втечение 100 чразряжен1,81,33,91,11,37,60,91,37,60,9Из таблицы 5 видно, что при длительном воздействии повышенной температурыкоэффициент фильтрующего действия материалов из волокон полисульфонадиаметром 400 нм уменьшается по сравнению с разряженным материалом ввидуповышения гидродинамического сопротивления.

На рис. 9 представлены волокнаполисульфона диаметром 400 нм до и после температурного воздействия. Волокнаизменили форму, вследствие чего произошла усадка материала, что и привело кросту гидродинамического сопротивления.аабРисунок 9. Электронная микрофотография (сканирующий режим) нановолоконполисульфона до (а) и после (б) температурного воздействия (линейка 5 мкм).КФД материалов из волокон полисульфона диаметром 1,5; 4 и 7 мкм иматериала из волокон полидифениленфталида диаметром 500 нм последлительного воздействия повышенной температуры не изменяется по сравнению сКФД разряженного материала.20www.mitht.ru/e-libraryРазработка, создание и свойства композиционногофильтрующего материала на основе нановолоконполидифениленфталида и микроволокон полисульфонаВвиду ухудшения фильтрующих характеристик материала из нановолоконполисульфона при длительном действии высокой температуры, целесообразноприменение нановолокон полидифениленфталида.

Однако, эксплуатация материалаисключительно из таких волокон невозможна ввиду неоптимального соотношенияфизико-механических характеристик и гидродинамического сопротивления. Поэтому,в данном случае целесообразно разработать материал, состоящий из смеси микрои нановолокон, который удовлетворяет требованиям не только увеличения физикомеханических показателей, но и сохранения на максимально возможном уровнефильтрующих характеристик. Согласно результатам работ Дружинина Э.А.,отношение диаметра микроволокон к диаметру нановолокон в композиции следуетвыбирать в диапазоне 3–7.