Разработка конструкции установки для формования полимерных нитей из нановолокон

Студ. Дорошенко И.А., доц. Алексеев И.С.

Целью работы является получение нити из полимерных нановолокон.

Для достижения поставленной цели решается задача по разработке установки для формования полимерных нитей.

На сегодняшний день полимеры с особыми свойствами используются во всех сферах деятельности человека. В данной работе рассматривается получение полимерных нитей из нановолокон (НВ) одним из современных методов переработки полимеров – электроспиннингом. Интерес к нановолокнам вызван тем, что механические свойства материалов, такие как предел прочности, прочность на разрыв, на изгиб и на сжатие, модули упругости возрастают при уменьшении диаметра волокон и достигают теоретического предела при достижении наноуровня [1]. В случае полимерных нановолокон размерный эффект может проявляться   в объемных свойствах в результате дополнительного взаимодействия между молекулами полимера, вызванного их ориентацией, когда диаметра волокна становится сопоставим с длиной молекулы [2].

Принцип электроспиннинга заключается в следующем. При наложении электрического поля на металлический капилляр с жидкостью (расплавом или раствором полимера) она заряжается, и плоский мениск становится выпуклым (рисунок 1).

art12 01

Рисунок 1 - Схема формирования нановолокна

При определенных условиях, в частности, напряженность поля, вязкость, скорость подачи жидкости, поле начинает вытягивать ее струйку (рисунок 2), сечение которой оказывается меньше диаметра капилляра [3].

 art12 02

Рисунок 2 - Струя формуемого полимера

Из-за испарения растворителя волокно становится еще тоньше. Можно добиться, что его диаметр составит всего несколько нанометров [4].

Для достижения поставленной цели разработана установка, совмещающая в себе три основных процесса: 1 – формование полимерных нановолокон методом электроспиннинга, 2 – скручивание нити из нановолокон, 3 – намотка нити на сменные катушки.Установка представлена на рисунке 3.

art12 03

Рисунок 3 - Установка для формования полимерных нитей

Работает машина следующим образом. Регулируемое электрическое напряжение от единиц до ста киловольт прикладывается к раствору полимера, который при помощи дозатора подается через капилляры. Высокое напряжение вытягивает раствор полимера в тонкие струи [5]. Полученные струи отверждаются за счет испарения растворителя, превращаясь в волокна, и под действием электростатических сил дрейфуют к заземленной подложке. Далее волокна скручиваются в единую нить и с помощью натяжителя и укладчика наматываются на сменные катушки.

Для получения необходимых данных о вязкости растворов полимеров, напряженности электрического поля, и прочих параметров процесса получения нити из нановолокон собрана экспериментальная установка (рисунок 4).

art12 04

 Рисунок 4 - Экспериментальная установка для формования нановолокон

 

Заключение

В ходе работы разработана установка, получены параметры и определены режимы формования нановолоконных нитей, позволяющие организовать процесс получения в непрерывном режиме, а также расширить способы их дальнейшей переработки в изделие, используя разнообразные текстильные переделы. Полученные материалы могут быть применены для фильтрации и очистки воды, в очистителях воздухашумоизоляции, повязках на раны, респираторах, топливных элементах и др.

Литература

1 Qi HJ, Teo KBK, Lau KKS, Boyce MC, Milne WI, Robertson J, Gleason KK. Determination of mechanical properties of carbon nanotubes and vertically aligned carbon nanotube forests us ingnanoindentation. // Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2003.

2 Burger C, Hsiao BS, Chu B. Nanofibrous materials and their applications. // Annu. Rev. Mater. Res., 2006, 36:336-368.

3 Филатов ЮН. Электроформование   волокнистых   материалов ( ЭФВ- процесс). // Под редакцией В.Н. Кириченко. - М .:ГНЦ РФ НИФХИ им. Л .Я. Карпова, 1997.

4 Ramakrishna S, Fujihara K, Teo WE, Lim ЕС, Zuwei M. An Introduction to Electrospinning and Nanofibers. Singapoor, 2005.

5 Шутов АА. Формирование и зарядка струй, капель   и пленок   слабопроводящих жидкостей в электрическом поле. Диссертация. Москва, 2008.

Опубликовано в сборнике статей XLV Научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов, магистрантов и студентов УО «ВГТУ», 2012 г.

УДК 677.494.7