Солевые добавки для улучшения процесса электроформования

Проводимость раствора полимера оказывает влияние на процесс электроформования, поэтому необходимо рассмотреть влияние солевых добавок на свойства раствора.

При переработке пластика, в полимер обычно вводят дополнительные вещества для облегчения производства или для того, чтобы придать конечному продукту определенные качества или окраску.  Для регулирования  вязкости, поверхностного натяжения  и проводимости в раствор полимера перед процессом электроформования (ЭФ) можно добавить соль. Поскольку проводимость раствора  оказывает влияние на процесс ЭФ, необходимо подробно рассмотреть влияние солевых добавок на свойства раствора.

Заряды, присутствующие в растворе, играют важную роль в процессе ЭФ и влияют на поведение струи. Для улучшения проводимости полимерного раствора можно добавить соли, которые могут являться  носителями зарядов в растворе и оказывать влияние на производительность ЭФ.

Неорганическая соль, обычно используемая
в качестве добавки в раствор  ЭФ для
повышения качества волокна (Благодарим
www.electrospintech.com за предоставленные
изображения) 

Соль может влиять на процесс ЭФ следующим образом:

- увеличивать  растяжение струи в процессе  формования (за счет проводимости), в результате возможно получение тонких волокон;

- способствовать более однородному распределению зарядов, ведущее к единообразию волокон;

- сокращать величину поверхностного натяжения раствора;

- снижать частоту формирования дефектов на волокне.

В процессе ЭФ деформация раствора зависит от наличия зарядов в  нем и от электрического поля.  Если добавки для увеличения проводимости или носители заряда не вводят в раствор, изменения количества зарядов  и сила электрического поля контролируются за счет действия высокого напряжения на фильеру. При небольшом количестве носителей зарядов в растворе увеличение  напряжения приводит к увеличению силы электрического поля. Увеличение электрического поля не вызывает большего растяжения раствора из-за ограниченного числа зарядов. Для того чтобы увеличить силу электрического поля за счет увеличения применяемого напряжения, в раствор можно добавить соль, это вызовет увеличение числа носителей заряда.

Наглядный пример  влияния количества зарядов и электрического поля на способность раствора к электроформованию

Отношение зарядов и электрического поля при деформации раствора можно сравнить с «крылом и ветром», причем «крыло» представляет заряды, а «ветер» - электрическое поле. Если вязкоупругий раствор прикреплен к «крылу», «ветер», который дует на крыло, будет растягивать вязкоупругий раствор. Большее количество зарядов в растворе (также как и большее число носителей заряда) предполагает наличие большего числа «крыльев», которые взаимодействуют с «ветром». Небольшое усиление «ветра» приведет к значительному увеличению силы растяжения. Напротив, при меньшем количестве «крыльев» усиление «ветра» слабо повлияет на силу растяжения.

Подписи на рисунке: «ветер», представляющий электрическое поле; «крыло», представляющее электрический заряд; вязкоупругий раствор.

Усиление «ветра», но сокращение числа «крыльев» приводит к небольшому увеличению растяжения раствора.
Увеличение числа «крыльев», подверженных воздействию «ветра», приводит к значительному растяжению раствора.

Большинство исследований показало, что введение небольшого количества соли в раствор приведет к сильному сокращению диаметра волокна (Чхве и соавт., 2004), что, вероятно, связано с большей проводимостью раствора и, соответственно, растяжением полимерной струи. Этим же объясняется формирование гладких волокон, бездефектных волокон при добавлении соли по сравнению с электроформованем из чистого раствора той же концентрации (Чхве и соавт., 2004, Арайанаракул и соавт., 2006). М.Е.Хельгесон и соавт.(2008) обнаружили, что добавление NaCl в раствор полиэтиленоксида ведет к значительному сокращению радиуса исходной струи и  трехкратному увеличению скорости растяжения. Сочетание изначально небольшого радиуса и большей скорости растяжения способствует уменьшению диаметра волокон. Действие отталкивающих зарядов на формирование полимерной струи – лимитировано, по мере увеличения содержания соли дальнейшее сокращение диаметра волокна оказывается невозможным. Несколько авторов определили диапазон концентраций NaCl, при которой происходит уменьшение диаметра волокна, однако данная тенденция меняется при добавлении большего количества соли в полимерный раствор (Арайанаракул и соавт., 2006, Динг и соавт.,2010), возможно возникновение «бисера» и колебаний диаметра (Динг и соавт., 2010). Подобное изменение характеристик может быть связано с избыточными зарядами на растворе, что приводит к большему массовому расходу (Арайанаракул и соавт., 2006) или нестабильности системы (Динг и соавт, 2010). В подробном исследовании Дж.Дж.Стенджер (2008) на примере ЭФ поливинилового спирта с добавлением различных неорганических солей было показано, что при добавлении соли уменьшается скорость осаждения, увеличивается движение тока и диаметр волокна. Это наблюдение связали с большей плотностью заряда (с добавлением соли), что приводит к сокращению радиуса исходной струи и усилению притяжения к коллектору. Оптимальная концентрация соли в растворе обычно составляет примерно 0.3-1%масс. раствора (Арайанаракул и соавт., 2006, Динг и соавт., 2010). Вместо увеличения концентрации соли в растворе Цин и соавт. использовали различные  соли и показали, что сокращение диаметра волокна пропорционально увеличению проводимости раствора (Цин и соавт., 2007). Таким образом, выбор соли с большей проводимостью может способствовать получению волокна меньшего диаметра, независимо от количества добавляемой соли. Существует предположение, что ионы с небольшим атомным радиусом обладают большей плотностью заряда и, следовательно, большей мобильностью при внешнем электрическом поле (Цзун и соавт.,2002), однако эта точка зрения была оспорена Дж.Дж.Стенджером (2008), который обнаружил лишь незначительную связь между размерами ионов и диаметром волокна. Напротив, его исследование показало, что на диаметр волокна влияет концентрация ионов и, следовательно, проводимость раствора, а не размер.

Помимо сокращения диаметра волокна введение соли в раствор  способствует достижению желаемого качества процесса и получаемого волокна. В целом диапазон диаметра ЭФ волокна может быть очень широким, но было показано, что добавление соли значительно сокращает его (Ли и соавт., 2005; Дин и соавт., 2010). При оптимальном содержании соли заряды могут распределяться более равномерно по струе в процессе ЭФ, что способствует равномерному растяжению волокна.

Хотя добавление соли обычно улучшает способность к ЭФ и сокращает диаметр волокна, существуют исключения, в которых не наблюдается значительного изменения (Ду и соавт., 2008) или возникает ухудшение качества волокна (Лу и соавт., 2008). Это более отчетливо видно в случаях сильного взаимодействия полимер-растворитель-соль (Ду и соавт., 2008) или в гигроскопичной соли (Йенер и соавт., 2011). Известно, что добавление соли в раствор для ЭФ обычно приводит к уменьшению диаметра волокна. При ЭФ  из расплава, сокращение диаметра волокон можно достичь, присоединив полярные  добавки, такие как стеариновая кислота и стеарат натрия. Чэнь и соавт. (2014) продемонстрировали это, проведя ЭФ полипропилена (ПП), смешанного со стеариновой кислотой или со стеаратом натрия. С добавками от 8 до 10% масс. диаметр  волокон ПП сократился с ≈ 5 мкм до ≈ 2 мкм. Тем не менее, более высокая концентрация добавок меняет тенденцию и приводит к увеличению диаметра волокна. Электрическое поле оказывает влияние на полярные добавки, вызывая увеличение силы растяжения  расплавленного полимера, и сокращает диаметр волокна. Однако при высокой концентрации добавок может произойти агломерация, в результате распределение будет менее однородным, снижается сила растяжения по длине струи, что приводит к увеличению диаметра волокна.

 

Источник: http://electrospintech.com/

 

Яндекс.Метрика