Термообработка мембран, полученных методом электроформования

Для улучшения некоторых свойств электроформованной мембраны возможно использование термообработки.

Преимущества термообработки:

  1. Увеличение плотности мембраны (устранение «ворсистости» или ненатянутых волокон).
  2. Улучшение механических свойств.
  3. Придание химической стабильности.
  4. Сокращение внутримембранного расслоения.
Рис 1.  Изображения РЭМ электроформованных нановолокон ПВС: (слева) Тепловая
обработка при  85°C и (справа) Тепловая обработка при 140°C. (Маир Эс-сахеб и
Ахмед Эльзатари, Международный журнал науки о полимерах, изд. 2014,
Статья ID 605938, 6 стр., 2014. doi:10.1155/2014/605938 Лицензия на данную работу

Присутствие остаточных зарядов на мембране снижает скорость электроформования, по мере приближения струи полимера к коллектору.  Поэтому в конце процесса волокна укладываются с меньшей скоростью, и образуется более толстая, но сжимаемая мембрана. В таких областях применения, как фильтрация воды, подобные физические характеристики не желательны, ведь мембрана будет сжиматься в процессе использования (Гомаейгохар 2011). Термическая обработка способствует подвижности в макромолекулярных цепях, что может привести к изменениям свойств мембраны.

Термическую обработку обычно проводят в диапазоне температуры стеклования (Тс) и температуры плавления (Тпл) материала. Для нановолокон, полученных методом электроформования, эти температуры могут отличаться от основного материала за счет различий в степени кристалличности и  ориентации макромолекул полимера (Лиу и соавторы, 2009). Например, было обнаружено, что Тс  нановолокон поли(лактидной кислоты)-со-(гликолиевой кислоты) снизилась до 43.3°C (снижение на 8°C по сравнению с сырьевым материалом) (Лиу и соавторы, 2009), а температура стеклования нановолокна поликарбоната увеличилась  с 101°C (гранулированный материал) до 110°C (нановолокна поликарбоната)  (Дхакат и соавторы, 2010). Перед тепловой обработкой для определения Тс и Тпл электроформованного материала можно использовать дифференциальную сканирующую калориметрию (ДСК).

Варианты термообработки могут быть различными (рис. 2):

  1. Без приложения силы на мембрану во время обработки.
  2. С ограничением мембраны по периметру во время обработки.
  3. Обработка под давлением (горячее прессование).
Подписи рисунков: свободное нагревание мембраны, нагревание с ограничением по периметру,
горячее прессование.Рис 2. Схема конфигурации термообработки электроформованной мембраны
(Благодарим за предоставленные изображения http://electrospintech.com)

При термической обработке мембраны без ограничения по периметру возможно ее сжатие или сворачивание. Поэтому  размеры мембраны могут уменьшиться во время обработки. При сравнении диаметра волокна в процессе термообработки выяснилось, что у свободно стоящей мембраны диаметр волокна незначительно увеличился, при этом у ограниченной мембраны отмечено небольшое уменьшение диаметра волокна. Сокращение диаметра волокна связано с молекулярной релаксацией и перекомпоновкой по длине волокна (Чжан и соавторы, 2012).

                                                   Материал Условия тепловой обработки                Ссылка
Мембрана ацетилцеллюлозы, диаметр волокна от 200 нм до 1 микрона         208 °C,1 ч       Ма и соавторы 2005
Поливиниловый спирт, диаметр волокна от 150 до 210 нм         85 °C       Эс-сахеб и соавторы 2014
Поливинилиденфторид, диаметр волокна примерно 380 нм         145 °C,18 ч       Гопал и соавторы 2006
Полисульфон, диаметр волокна 1.75 микрон         190 °C, 3 ч       Чжан и соавторы 2012

Исследования показали, что термообработка может увеличить механическую прочность электроформованной мембраны (Чжан и соавторы 2012, Эс-сахеб и соавторы 2014, Ма и соавторы 2005, Чен и соавторы 2013). Это вполне ожидаемо, поскольку термообработка способствует расплавлению нетканого материала в местах стыка между волокнами, что приводит к укреплению мембраны. Тем не менее, повышенная температура нагрева и/или  длительность могут привести к снижению механической прочности. Чжан и соавторы (2012) провели подробные исследования, чтобы найти оптимальное условие для термообработки электроформованной мембраны полисульфона. Результаты показали, что наилучшие механические свойства и химическая стабильность наблюдались у мембраны полисульфона, нагреваемой в условии пространственного ограничения при температуре 190 °C (Тс полисульфона) в течение 3 часов. Увеличение температуры или длительности нагрева приводит к ухудшению механических характеристик.

Одновременное применение давления и нагрева может сократить длительность термообработки и улучшить связь между соединениями волокна. Нагревание электроформованной мембраны под давлением можно проводить с помощью установки для горячего прессования. Температура плавление на точках стыка волокон будет ниже под давлением. На и соавторы (2008) показали, что обработка волокон поливинилиденфторида при температуре горячего прессования 145°С ведет  к образованию  сети крупных пор. В случае нагревания при той же температуре без давления волокна соединились бы, сохранив индивидуальную морфологию волокна (Гопал и соавторы 2006). Если электроформованные нановолокна помещают на материал основы, горячее прессование эффективно предотвращает расслоение между двумя материалами (Каур 2011) и улучшает адгезию (Вьет 2010). Горячее прессование способствует натяжению нановолокон на поверхности электроформованной мембраны (Анвар и соавтор 2013). Было обнаружено, что при создании копировальной бумаги с использованием электроформованного полиакрилонитрила (ПАН), горячее прессование перед карбонизацией ведет к повышению электрической проводимости и механической прочности, что возможно связано с образованием поперечных связей между волокнами (Янг и соавторы 2012). Али и соавторы (2009) смогли получить электроформованную нановолоконную мембрану ПАН с пределом прочности до 63 МПа после горячего прессования при 220°C по сравнению с 8.73 МПа у мембраны сразу после формования.

Термообработка при температуре ниже Тс полимера также оказалось действенным методом для формирования связей между волокнами. Хомейгохар (2011)  обнаружил, что нагревание электроформованных волокон полиэфирсульфона (ПЭС) до температуры ниже, чем Тс, но выше, чем точка кипения растворителя, улучшает адгезию между электроформованными волокнами и материалом, лежащим в основе. Это связано с диффузией растворителя к поверхности нановолокон и их локальному растворению в местах стыков нановолокно – подложка и, как следствие, приводит к увеличению адгезии между слоями композиционного материала. Термообработка часто используется не только для улучшения механической стабильности электроформованной мембраны, но и для других целей. Так например, Пуулогасундарампиллай и соавторы (2011) использовали термическую обработку, чтобы частично расплавить поли(лактидную-гликолиевую кислоту) (ПЛГК) в композиционной электроформованной мембране, содержащей  (SiV)/поли(L-лактидной кислоты). Нагревание до 110°C привело к тому, что волокна ПЛГК расплавились и попали в матрицу. Было обнаружено, что объединение ПЛГК и волокон SiV/поли(L-лактидной кислоты)  улучшает механические свойства композиционного материала.

 

Источник: http://electrospintech.com/

Яндекс.Метрика