WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 8 03;12 Формование волокнистых фильтрующих мембран методом электропрядения © А.А. Шутов, Е.Ю. Астахов Обнинский государственный технический университет атомной энергетики, 249030 Обнинск, Россия e-mail: shutov@iate.obninsk.ru (Поcтупило в Редакцию 18 июля 2005 г. В окончательной редакции 11 января 2006 г.) Рассмотрим метод получения волокнистых материалов, содержащих слои волокон разной толщины.

Мембраны получены из растворов ацетилцеллюлозы и фторопластов в виде чередующихся слоев мелких и крупных волокон. Функционально слой тонких волокон определяет фильтрующие свойства. Слои крупных волокон обеспечивают механическую прочность мембраны.

PACS: 82.45.Mp, 89.20.Bb 1. Электропрядение — это способ получения волокон U = Ez, где z — расстояние от капилляра. Из (1) и (2) из полимерных жидкостей под действием электрическо- находим, что в однородном поле го поля. В этом процессе формуются волокона в диаQ5/8 пазоне 10 µm-10 nm [1], отдельные фрагменты волокон r. (3) E1/21/8 могут достигать поперечника 3 nm [2].

Технологическая схема процесса получения волокниВеличина E в реальных условиях ограничена значестых материалов приведена на рис. 1. Через капилляр 1 с нием 106-107 V/m, при котором начинаются разрядфиксированным расходом подается полимерный раствор ные явления, нарушающие стационарность истечения в область электрического поля, создаваемого высокоструи. Из соотношения (3) видно, что радиус струи вольтным источникм 3 в промежутке между капилляром слабо зависит от проводимости, следовательно, самым и осадительным электродом 2. Контактирующая с металсущественным регулировочным параметром процесса лическим капилляром жидкость заряжается, инжектироявляется расход жидкости. Поэтому задача получения ванные в жидкость заряды разгоняются электрическим тонких струй и волокон является проблемой малых полем и вовлекают в движение окружающую жидкость.

расходов.

В результате жидкость равномерно ускоряется и вытяРезультаты (1)-(3) получены для ньютоновской жидгивается в тонкую струю. Радиус струи r определяется кости. С физической точки зрения независимость резульвыражением [3,4] 1/татов (1)-(3) от вязкости имеет простое объяснение:

Qr =. (1) при одномерной накачке энергии отсутствует вязкая 22IU диссипация, и электрическая энергия почти без потерь Здесь — плотность жидкости, Q — объемный расход напрямую преобразуется в кинетическую энергию жиджидкости через капилляр, U = U(z ) — потенциал в кости [4,6].

точке z, отсчитываемой от капилляра, I — электрический ток, переносимый струей. В межэлектродном промежутке происходит частичное испарение растворителя, и струя фиксирует свою форму в виде волокна.

Хаотично осаждающиеся на противоэлектроде волокна формируют слой 4 (рис. 1), и если процесс реализуется с помощью одного капилляра, то слой состоит из одного-единственного волокна очень большой длины. Струя, как и волокнистый материал, униполярно заряжена, и в однородном поле величина электрического тока, переносимого струей, равна [5] I = kE 0r0Q, (2) где безразмерная константа k 2-6, E — напряженность однородного электрического поля, — проводимость жидкости, 0 — диэлектрическая константа, r0 — радиус капилляра. При выведении (2) предполагается, что потенциал и напряженность связаны соотношением Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

Формование волокнистых фильтрующих мембран методом электропрядения При электропрядении полимерных растворов следует В данной работе использованы относительно низкомоучитывать по меньшей мере два фактора. Во-первых, лекулярные полимеры с ограниченной растворимостью необходимо принимать во внимание испарение раство- в выбранных композициях растворителей, и неньютоновские поправки слабо влияют на процесс формования рителя, в результате которого радиус волокна rf на струи. Однако степень летучести растворителей сущеосадительном электроде уменьшается по сравнению с ственно сказывается на времени высыхания волокна, радиусом струи.

получающегося из струи.

Вычислим радиус волокна. Массовая концентрация c Целью работы является подбор такой полимерной полимера в растворе определяется соотношением композиции (полимер + растворители), чтобыволокна с mp остаточным растворителем склеивались между собой, c =.

M не теряя формы. Тогда после испарения остаточного растворителя, с одной стороны, волокнистый материал Здесь масса раствора M = mp + ms, где mp и ms есть масса полимера и растворителя соответственно. Уравне- будет иметь механические свойства, близкие к свойствам монолитной пленки, за счет проклейки в больния сохранения массы раствора M объемом имеют шом числе точек контакта волокон. С другой стороны, вид o p + s s = ;

волокнистая структура будет обеспечивать пористость материала. Рыхлые волокнистые структуры, использу p + s = ;

емые для фильтрации газообразных сред, получаются p p = c, из 10-20% растворов на основе низкокипящих растворителей с температурой кипения Tb < 100C. Для где p и s — объем полимера и растворителя;, p проклейки волокон необходимо использовать менее кони s — плотность раствора, полимера и растворителя соответственно. Используя последние соотношения, на- центрированные растворы и включать в состав высококипящие растворители.

ходим плотность раствора С целью равномерности нанесения волокнистого слоя ps осадительный электрод выполнен в виде вращающегося =. (4) p + c(s - p) диска. Для предотвращения подсыхания раствора на выходном торцевом срезе капилляра эта область обдуваетПусть введенные выше M и есть масса и объем расся паровоздушной смесью растворителей, составляющих твора цилиндрической формы радиусом r и длиной z, полимерный раствор. Паровоздушная смесь получается тогда M в подогреваемой емкости с растворителями и подается = r2 z =. (5) на внешнюю поверхность капилляра по схеме „труба в трубе“. В процессе контролируется температура пароПоложим, что испарение растворителя происходит превоздушной смеси. Предварительная подготовка раствора имущественно после осаждения волокна на противовключает стадию фильтрации с целью удаления нерастэлектрод. Тогда после испарения растворителя при условорившихся фрагментов и механических примесей.

вии сохранения цилиндричности формы тела имеем 2. Волокнистые материалы из ацетилцеллюлоmp зы (АЦЦ) формовались из раствора триацетата целлю p = rf z =. (6) p лозы в комбинации растворителей ацетон (АЦ)+циклогексанон (ЦГН). Этот полимер имеет ограниченную Поделив (6) на (5) и учитывая (4), находим растворимость как в АЦ, так и в ЦГН, и для оптиmp cs мального содержания полимера в растворителях найдена rf = r2 = r2. (7) величина 5-6 % wt. Волокна в материале из композиций M p p + c(s - p) на основе АЦ слабо проклеены между собой, поэтоПодставив в (7) соотношение (1) получим выражение му в состав вводился циклогексанон в соотношении для радиуса волокна АЦ : ЦГН/1 : 1.5 vol. Процесс электропрядения проводил1/ся при потенциалах U0 = 25-50 kV с межэлектродным c Qrf =, (8) расстоянием 15-20 cm. Расход раствора Q через капил + c(1 - ) 22IUляр не превышал 5 · 10-3 cm3/s. На рис. 2 приведена где U0 — разность потенциалов между капилляром и фотография волокон, полученных из ацетилцеллюлозы, осадительным электродом, = p/s.

на которой видна характерная для процесса электропряВо-вторых, необходимо учитывать неньютоновское дения хаотичность укладки волокон.

поведение полимерных растворов. В полимерных жидкоВсе параметры электропрядения должны быть согластях энергия электрического поля может затрачиваться сованы между собой. Подбор параметров производится на структурирование жидкости, связанное с ориентацией на основе следующих качественных соображений. Располимерных цепей. Процесс структурирования приво- ход жидкости через капилляр — основной параметр, дит к увеличению радиуса, описываемого соотношени- определяющий диаметр волокна. Регулятором скорости ем (1) [7–9]. Этот процесс существенно зависит от высыхания волокна является протяженность межэлексвойств полимера (длина и гибкость цепи) и качества тродного промежутка. Разность потенциалов предпочтирастворителя. тельнее устанавливать наибольшую, не нарушающую Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 134 А.А. Шутов, Е.Ю. Астахов растворы приготавливались на основе смеси растворителей АЦ + диметилформамид (ДМФ). Оптимальная концентрация Ф-42 составляла 9-10% в композиции АЦ : ДМФ/1 : 1. Раствор Ф-26 в смеси АЦ : ДМФ/1 : 0.содержал 8% полимера. Технологически мембраны из этих композиций получаются проще, поскольку процесс волокнообразования идет устойчиво без обдувания капилляра паровоздушной смесью.

Межэлектродное расстояние составляло 20 cm, разность потенциалов U0 менялась в диапазоне 20-40 kV, расход Q плавно регулировался в пределах 3 · 10-3-4 · 10-5 cm3/s.

Полученные мембраны очень эластичны, материал наносился на подложку, в качестве которой использовались бумага, нейлоновая или металлическая сетка.

Как и целлюлозные материалы, фторопластовые мембраны имели слоистую структуру. Слой тонких волокон диаметром 0.5 µm покрывался с обеих сторон слоем относительно толстых волокон диаметром 1 µm.

Рис. 2. Фотография волокон ацетилцеллюлозы. Длина масш- На рис. 3 приведена электронная микрофотография табного отрезка равна 50 µm.

поперечного среза мембраны на основе Ф-42. Видно, что мембрана имеет слоистую структуру. Микрофотография участка мембраны, содержащего волокна 1 µm, привеустойчивость процесса. Поскольку материалы имели дена на рис. 4. Фрагмент среза мембраны с волокнами толщину порядка 50-150 µm, то целесообразно наноразного диаметра изображен на рис. 5. На этой фотограсить их на подложку. В качестве подложки использофии видны волокна с диаметром менее 0.1 µm.

валась полимерная и металлическая сетка, фильтровальВ данном случае расчетное значение радиуса по ная бумага.

соотношению (8) составляет rf 0.03 µm при расходе Найдено, что наилучшие фильтрующие и механичеQ 4 · 10-5 cm3/s. Этот результат согласуется с экспеские показатели имеют материалы со структурой типа риментальным значением диаметра ультратонкого восэндвич: слой влажных, относительно толстых вололокна 50 nm.

кон диаметром 2-3 µm для приклейки к подложке, Полученные мембраны имеют производительность на который осаждается слой мелких волокон диаметпо воздуху 104 m3/m2hbar при толщине 100-150 µm, ром 0.5 µm.

максимальный размер пор около 0.6-1 µm и пориИспользованные растворы имели плотность стость 70%.

1g/cm3, типичная величина переносимого струей 4. Мембраны, полученные методом электропрядеэлектрического тока составляла I 10-7 A. В соотния, — это составные материалы, содержащие нескольветствии с (8) расчетное значение радиуса волокна ко слоев различного назначения. Слой относительно rf 1.5 µm при расходе Q 5 · 10-3 cm3/s. Уменьшение толстых волокон обеспечивает механическую прочность расхода на порядок приводит к уменьшению расчетного материала, а тонкие волокна отвечают за фильтрующие радиуса в 5-6 раз. Эти данные согласуются с результатами измерения диаметров волокон по оптическим и электронным фотографиям.

Как видно из соотношений (1)-(3), (8), качество материала определяется в основном расходом раствора через капилляр (диаметр получающихся волокон) и межэлектродным расстоянием (степень влажности волокна). Даже небольшие отклонения в режимах формования приводят к существенным отличиям свойств образцов.

Полученные мембраны имели толщину 50-150 µm, пористость около 70%, максимальный размер пор 2-5 µm.

3. Аналогичным способом, описанным в разд. 2, были получены мембраны из фторопластов сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом (фторопласт-42, Ф-42) и сополимера винилиденфторида с гек- Рис. 3. Электронная фотография поперечного среза мембрасафторпропиленом (фторопласт-26, Ф-26). Полимерные ны Ф-42. Длина масштабного отрезка равна 10 µm.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Формование волокнистых фильтрующих мембран методом электропрядения Мембраны, формируемые из тонких полимерных волокон, обладают рядом особенностей по сравнению с материалами, получаемыми из монолитных пленок или отдельных спекаемых микрочастиц. Во-первых, проницаемость таких мембран регулируется диаметром волокон, который варьируется в довольно широком диапазоне 0.01-10 µm. Во-вторых, они имеют относительно высокую пористость 70%. В-третьих, их небольшая толщина 50-100 µm обеспечивает высокую производительность фильтрации. С другой стороны, материал малой толщины имеет низкие механические свойства, и использовать их следует с подложками, причем подложки должны обладать высокой адгезией к полимеру для надежной склейки подложки и полимера и однородноРис. 4. Фрагмент материала с волокнами диаметром 1 µm.

стью по толщине.

Длина масштабного отрезка равна 1 µm.

Для ацетилцеллюлозы предпочтительны относительно жидкие растворы с концентрацией АЦЦ 5-6%. С технологической точки зрения для этого полимера желательна композиция растворителей АЦ + ЦГН. Фторопластовые растворы готовились в смеси АЦ + ДМФ с содержанием полимера 8-10%.

Для компенсации усадочных напряжений, действующих на подложку, волокнистый слой следует наносить на обе стороны матрицы.

Общая перспектива для волокнистых материалов связана с формированием мембран из тонких волокон диаметром менее 1 µm. Данные по ацетилцеллюлозе и фторопластам подтверждают эту тенденцию, на ровной сетчатой подложке с ячейкой 5-10 µm в результате перехода от ацетилцеллюлозного материала с волокнами 2-0.5 к фторопластовым мембранам с волокнаРис. 5. Смесь волокон различного диаметра. Длина масштабми 1-0.05 µm резко увеличивается показатель герменого отрезка равна 1 µm.

тичности мембраны.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и адмисвойства. Надлежащий выбор композиции полимерного нистрации Калужской области, проект 04-01-97225.

раствора позволяет осуществить этот процесс в режиме однокапиллярного электропрядения.

Список литературы Согласно общим закономерностям теории фильтрации, для повышения уровня тонкости следует снижать [1] Петрянов И.В., Козлов В.И., Басманов П.И., Огороддиаметр волокон [1]. Кроме того, для снижения гидродиников Б.И. Волокнистые фильтрующие материалы. М.:

намического сопротивления необходимо одновременно Знание, 1968. 77 с.

уменьшать толщину материала. Однако следует иметь [2] Fong H., Reneker D.H. // J. Polym. Sci: Part B. Polym Phys.

в виду, что при этом падает механическая прочность 1999. Vol. 37. N 24. P. 3488–3493.

[3] Кириченко В.Н., Петрянов И.В., Шутов А.А. и др. // ДАН последнего.

СССР. 1986. Т. 289. № 4. С. 817–820.

Существуют разные методы достижения этих целей [4] Шутов А.А. // ПМТФ. 1991. № 2. С. 20–25.

одновременно, например, получение анизотропных мем[5] Алонцева Н.М., Бережной В.М., Шутов А.А. // Коллоид.

бран методом инверсии фаз [10]. В этом случае форжурн. 1995. Т. 57. № 5. С. 629–632.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.