Спосіб отримання ультратонких синтетичних волокон

Реферат: Спосіб отримання ультратонких синтетичних волокон шляхом змішування волокноутворюючого, матричного полімерів та нанодобавки в розплаві, формування композиційних екструдатів, їх орієнтаційного витягування та екстракції матричного полімеру. Як матричний полімер вибрано пластифікований полівініловий спирт. Волокноутворюючий полімер, пластифікований полівініловий спирт та нанодобавку змішують у розплаві одночасно. UA 88913 U (12) UA 88913 U UA 88913 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до розробки екологічно безпечної технології формування ультратонких синтетичних волокон (мікроволокон) шляхом переробки розплавів сумішей полімерів і може бути використана для створення комплексних ниток з високими гігієнічними властивостями та фільтрувальних матеріалів для прецизійної очистки рідких та газових середовищ. Відомий спосіб отримання комплексних ниток на основі ультратонких поліпропіленових (ПП) волокон, який полягає у змішуванні волокноутворюючого, матричного полімерів та компатибілізатора у розплаві, формування композиційних ниток, їх термоорієнтаційного витягування та екстракції матричного полімеру (патент України № 9236, МПК: D01F8/00, 2005 р.). Використання як компатибілізатора силоксанової рідини дозволяє зменшити середній діаметр мікроволокон (до 2,6 мкм) та підвищити їх однорідність розподілу за діаметрами. Така структура забезпечує покращення механічних властивостей комплексних ниток, а наявність на поверхні мікроволокон силоксанової рідини - підвищення їх стійкості до стирання майже на порядок. Висока гідрофобність силоксанових рідин призводить до зменшення гігроскопічності мікроволокон та погіршення гігієнічних властивостей товарів, виготовлених на їх основі. Низьке змочування поверхні мікроволокон у фільтрувальному шарі знижує продуктивність фільтрів, особливо на початку процесу фільтрації. Для однорідного розподілу силоксанової рідини на поверхні мікроволокон її попередньо диспергують у розплаві волокноутворюючого полімеру. Однак введення операції змішування компатибілізатора з волокноутворюючим полімером негативно впливає на механічні властивості ниток на основі поліолефінів через недостатню стійкість останніх до підвищених температур. Крім того, додаткова операція ускладнює процес формування мікроволокон та підвищує собівартість продукції. Відомий також спосіб отримання ультратонких синтетичних волокон, який полягає в змішуванні волокноутворюючого, матричного полімерів та нанодобавки у розплаві, формуванні композиційних екструдатів (плівок), їх орієнтаційному витягуванні та екстракції матричного полімеру (Chemistry & Chemical Technology, V.4 (3), 2010, p. 253-260). Для надання мікроволокнам антимікробних властивостей необхідно, щоб бактерицидна добавка була сконцентрована у волокноутворюючому полімері. Це досягається за рахунок операції попереднього введення кремнезему у розплав волокноутворюючого компоненту. Поліпропіленові мікроволокна, що містять (0,55,0) мас. % нанодобавки, проявляють антимікробну дію до ряду мікроорганізмів і грибів на рівні вихідного кремнезему. При цьому наночастинки кремнезему покращують волокноутворення ПП в матричному полімері, що проявляється в зменшенні середнього діаметра мікроволокон до 2,3 мкм. Однак попереднє змішування волокноутворюючого полімеру і нанодобавки - це додаткова операція, під час якої відбувається термічна і механічна деструкція волокноутворюючого полімеру, що погіршує його механічні властивості. Додаткова операція ускладнює технологічний процес формування мікроволокон і підвищує матеріало- та енергоємність виробництва. За даним способом як матричний полімер використовують співполіамід (СПА), процес екстракції якого здійснюється 30 %-ним водним розчином етилового спирту, що відносить виробництво до категорії пожежонебезпечних. В основу корисної моделі поставлена задача створити такій спосіб отримання ультратонких синтетичних волокон, в якому зміною виконання відомих операцій та вибору нового матричного полімеру забезпечувалось би спрощення технологічного процесу і зменшення середнього діаметра мікроволокон та масової частки плівок, завдяки чому покращились би механічні властивості комплексних ниток і підвищилась би ефективність фільтрувальних матеріалів на їх основі та зросла б екологічна безпека виробництва. Поставлена задача вирішена тим, що в способі отримання ультратонких синтетичних волокон, в якому шляхом змішування волокноутворюючого, матричного полімерів та нанодобавки в розплаві, формування композиційних екструдатів, їх орієнтаційного витягування та екстракції матричного полімеру, згідно з корисною моделлю, як матричний полімер вибрано пластифікований полівініловий спирт (ПВС), при цьому волокноутворюючий полімер, пластифікований ПВС та нанодобавку змішують у розплаві одночасно. Одночасне змішування компонентів суміші та використання ПВС як матричного полімеру дозволяє отримати ультратонкі волокна з середнім діаметром (1,22,0) мкм, зменшити кількість небажаних структур (плівок, частинок), завдяки чому покращуються механічні властивості комплексних ниток, зростає ефективність очистки фільтрувальних матеріалів на їх основі, а також спрощується технологічний процес, зменшуються матеріало- і енергозатрати, зростає екологічна безпека виробництва. 1 UA 88913 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Суть запропонованої корисної моделі полягає в тому, що при одночасному змішуванні всіх компонентів суміші наночастинки добавки рівномірно диспергуються у волокноутворюючому і матричному полімерах, покращують спорідненість між компонентами на межі поділу фаз, чим сприяють деформуванню крапель полімеру дисперсної фази у струмені (мікроволокна) меншого діаметра. Рівномірний розподіл нанодобавки в об'ємі розплаву суміші уповільнює міграційні процеси, що призводить до зменшення кількості плівок. В порівнянні з прототипом, ультратонкі волокна, одержані за даним способом, характеризуються меншим середнім діаметром та присутністю меншої кількості плівок. Така структура зумовлює покращення механічних властивостей комплексних ниток та підвищення ефективності очищення і прецизійності фільтрувальних матеріалів на їх основі. Використання як матричного полімеру пластифікованого полівінілового спирту забезпечує проведення процесу екстракції водою з температурою (2060)°С, що знижує собівартість продукції та підвищує екологічність виробництва. Операцію змішування компонентів суміші здійснюють на екструзійному обладнанні, використовуючи черв'ячно-дисковий або двочерв'ячний екструдери, компоненти беруть у такому співвідношенні, мас. %: волокноутворюючий полімер 2050 пластифікований 47,079,9 полівініловий спирт нанодобавка 0,13,0. З літератури невідоме використання нанодобавки для регулювання волокноутворення полімеру дисперсної фази в матричному шляхом одночасного змішування компонентів в розплаві та використання як матричного компонента пластифікованого полівінілового спирту. Таким чином, за способом, що пропонується, отримують ультратонкі синтетичні волокна, які можуть бути використані у виробництві комплексних ниток та фільтрувальних матеріалів з покращеними властивостями. При цьому собівартість виробів знизиться за рахунок спрощення технологічного процесу формування мікроволокон, зниження енергозатрат та проведення процесу екстракції водою. Використання води як розчинника замість етилового спирту підвищить екологічну безпеку виробництва. Корисна модель пояснюється такими прикладами. Приклад 1 Для формування ультратонких поліпропіленових волокон брали такі вихідні компоненти: поліпропілен - волокноутворюючий і пластифікований полівініловий спирт - матричний полімери та нанодобавка - метилкремнезем (МК). Поліпропілен мав такі характеристики: показник текучості розплаву -10 г/10 хв., вміст атактичної фракції - 5 мас. %, температура плавлення 169 °C. ПВС - білі дрібні пластівці, ступінь гідролізу - 86,7 %, в'язкість 4 %-ного водного розчину при 20 °C-3,5 мПа•с, вміст летких сполук - 5,0 мас. %. Метилкремнезем пірогенний кремнезем зі щепленими до поверхні диметильними групами (марки МАС-200 М), з питомою поверхнею 240 2 м /г та середнім діаметром наночастинок 5 нм. Нанодобавку вводили в кількості (0,13,0) мас. %. Пластифікований ПВС попередньо сушили під вакуумом при температурі (85±5)°С до вмісту летких - 0,05 мас. %. Компоненти суміші змішували у розплаві на черв'ячно-дисковому екструдері марки ЛГП-25, на якому між рухомим і нерухомим дисками виникають значні розтягуючі напруження, що сприяє однорідному диспергуванню наночастинок добавки у волокноутворюючому і матричному полімерах. Композиційні екструдати формували з фільєрною витяжкою 200 %. Екстракцію ПВС проводили водою при температурі (50±5)°С. Процеси волокноутворення оцінювали за допомогою мікроскопа МБД-15. При цьому підраховували кількість всіх типів структур (мікроволокна, частинки, плівки) та визначали їх розміри. Отримані результати обробляли методом математичної статистики і розраховували середній діаметр мікроволокон та масову частку ПП, що витрачена на утворення плівок. Вплив вмісту метилкремнезему та способу змішування компонентів на процеси структуроутворення при переробці розплавів суміші ПП/ПВС/МК наведено в таблиці. Таблиця Характеристики волокноутворення в екструдатах сумішей ПП/ПВС/МК Середній діаметр мікроволокон, мкм 1,4 1,5 1,3 № суміші Склад суміші ПП/ПВС/МК, мас. % 1 2 3 20/79,7/0,3 30/69,9/0,1 30/69,5/0,5 2 Масова частка плівок, мас. % 2,0 5,5 1,1 UA 88913 U Продовження таблиці Середній діаметр мікроволокон, мкм 1,7 2,0 2,2 2,3 № суміші Склад суміші ПП/ПВС/МК, мас. % 4 5 5* 6 30/69,0/1,0 40/57,0/3,0 30/69,0/1,0 Прототип Масова частка плівок, мас. % 2,7 4,2 6,3 7,4 * змішування компонентів проведено за способом прототипу 5 10 15 20 Дані таблиці свідчать, що зміна способу змішування компонентів суміші є дієвим чинником, який дозволяє регулювати морфологію екструдатів ПП/ПВС/МК. Позитивним чинником впливу є зменшення середнього діаметра мікроволокон та зниження кількості небажаних структур (плівок). Приклад 2 Для одержання ультратонких поліоксиметиленових (ПОМ) волокон як волокноутворюючий полімер використали співполімер триоксану з 1,3-діоксоланом (2 %) з такими властивостями: характеристична в'язкість в диметилформаміді - 0,56 і середньов'язкісна молекулярна маса 49000; період індукції - 40 хв.; температура плавлення - 171 °C; гранули білого кольору. Матричний компонент - пластифікований полівініловий спирт - і нанодобавка - метилкремнезем - описані в прикладі 1. Компоненти суміші ПОМ/ПВС/МК, взяті у співвідношенні 30,0/69,0/1,0 мас. %, змішували в розплаві на черв'ячно-дисковому екструдері. Після екстракції матричного полімеру гарячою водою одержали ПОМ мікроволокна з середнім діаметром 1,1 мкм, а вміст плівок складав - 2,0 мас. %. Аналіз одержаних результатів підтверджує, що запропонований спосіб дозволяє регулювати процеси структуроутворення при переробці розплавів нанонаповнених сумішей полімерів і дає можливість зменшити середній діаметр мікроволокон до 1,3 мкм проти 2,3 мкм та у 6,7 разу знизити масову частку плівок в порівнянні зі способом прототипу. При цьому спрощується технологічний процес виробництва ультратонких синтетичних волокон, зменшується його матеріало- і енергоємність та підвищується екологічна безпека. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 Спосіб отримання ультратонких синтетичних волокон шляхом змішування волокноутворюючого, матричного полімерів та нанодобавки в розплаві, формування композиційних екструдатів, їх орієнтаційного витягування та екстракції матричного полімеру, який відрізняється тим, що як матричний полімер вибрано пластифікований полівініловий спирт, при цьому волокноутворюючий полімер, пластифікований полівініловий спирт та нанодобавку змішують у розплаві одночасно. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3