Электроформирование волокнистых материалов : ЭФВ-процесс

• Автор: Филатов, Юрий Николаевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 55 с. : ил.; 20х15 см

Общая характеристика работы
Актуальность. Интерес к осуществленному впервые в 1938 году в НИФХИ им.Л.Я.Карпова И.В.Петряновым, Н.Д.Розенблюм и НАФуксом ЭФВ-процессу - наукоемкой промышленной технологии электроформования химических волокон, определяется высокой конкурентной способностью ее продукции в приоритетных областях промышленности. Это хорошо известные нетканые мик-роволокнистые материалы ФП (фильтры Петрянова) и их аналоги, которые, благодаря своей уникальной разделительной способности, широко используются в сфере защиты окружающей среды и охраны здоровья населения, а в последнее времяи в современных стратегических и престижных технологиях - атомной, аэрокосмической, приборостроении, информационных и медицинских, в производствах особо чистых материалов, лекарственных средств и продуктов питания.
ЭФВ-процесс является сухим бесфильерным способом, в котором формование из полимерных растворов жидких нитей, перенос образуемых из них при испарении растворителя волокон на противозлектрод и формирование на нем волокнистого материала происходит одновременно, непрерывно и в едином рабочем пространстве. Поэтому возможность их применения напрямую зависит от управления ЭФВ-процессом, выбора сырья и оборудования, технологических параметров и режимов процесса получения. Очевидно, что пределы достижимого здесь определяются состоянием теоретической базы ЭФВ-процесса, знанием его механизмов и управляющих ими физических законов, и основанных на них технологических приемах. Однако, из-за прикладного характера и интересов военно-промышленного комплекса, в рамках которого производилась и преимущественно использовалась продукция ЭФВ-процесса, теоретическая база этой перспективной технологии отстала и оказалась недостаточной для реализации ее широких потенциальных возможностей, как в части управления микроструктурой волокнистой продукции, так и в части расширения ассортимента волокнообразующих полимеров, способных обеспечить ей выдвигаемые временем новые заданные функциональные и улучшенные эксплуатационные 'свойства - термохемостойкость, способность к физической и химической сорбции, ионному обмену и др. Ограниченность теоретической и, как следствие, сырьевой базы сказывается отрицательно на экономике ЭФВ-технологии и ограничивает возможно

сти снижения его производственной и экологической опасности. Поэтому дальнейшее развитие теоретической базы ЭФВ-процесса является актуальной научной задачей, решение которой обеспечит не только сегодняшние и будущие потребности в новой продукции ЭФВ-процесса, но и выживаемость самой этой уникальной и перспективной технологии б жестких условиях свободного рынка. Одновременно существенно облегчается решение и другой престижной для России актуальной научной задачи - обобщения, систематизации и сохранения для будущих поколений накопленного 60-летнего научно технологического отечественного опыта использования ЭФВ-процесса.
Основная цель работы состояла в развитии теоретической базы ЭФВ-процесса, как фундамента для совершенствования промышленной технологии получения волокнистых материалов ФП -расширения сырьевой базы производства, ассортимента и сферы применения продукции, а также для систематизации накопленного в этой области научного и инженерного задела в обобщающей его монографии.
Научная новизна.
Обнаружено, что формование из полимерных растворов жидких нитей в ЭФВ-процессе происходит в два этапа - продольного ускорения первичной материнской струи и поперечного ее расщепления на множество дочерних жидких нитей. Объяснены парадоксы сверхзвуковых скоростей образования волокон и избытка их кинетической энергии над подводимой. Указана причинная связь между расщеплением струй, характером спектра диаметров волокон в ЭФВ-продукции и свойствами ее микроструктуры. Определены абсолютные значения тензоров натяжения и скоростей деформации жидкости в первичной струе и кратности ее расщепления. На основе приближенных электро-газодинамических моделей выявлено влияние межэлектродного пространственного электрического заряда на формование жидких нитей и перенос образуемых из них при испарении растворителя волокон на осадительный электрод. Рассчитана и экспериментально подтверждена вольтамперная характеристика ЭФВ-процесса, определена скорость дрейфа жидких нитей, контролирующая кинетику их отверждения, и оценена роль униполярного коронного разряда с первичной струи, с дочерних жидких нитей и с образующихся из них волокон. Показано, что залогом однородной микроструктуры волокнистой продукции ЭФВ-процесса является искровой механизм переноса электрического заряда с нее на осадительный электрод, осуществляемый случайными по площади волокнистого слоя и времени электронными лавинами. Теоретически описан и экспериментально подтвержден взаимно противоположный экстремальный характер изменения мощности и средней частоты лавин и их способности к образованию в продуцируемом слое микроструктурных дефектов. Сформулированы центральная задача ЭФВ-технологии о целевом выборе исходных

влияния ММФ на формирование первичной струи являются демонстрируемые в табл.З полученные экспериментально значения мак-
Рис.18. Зависимость продольной вязкости от 0(сШ*/с1х);
1 - мономолекулярная жидкость, 2-5 - полимерные растворы.
симальных продольных градиентов ее средней скорости, оказавшиеся для полимерных растворов в 1,5 - 10 раз меньше, чем вычисленные на основе электрогидродинамической модели, без учета ММФ, в то время как для мономерных жидкостей эти градиенты практически не отличаются.
При выборе исходных систем полимер-растворитель для ЭФВ-лроцесса необходимо иметь в виду, что требования к их высокоэластичности и когезионной прочности остаются здесь всегда достаточно жесткими. При концентрации полимера не более 2036 по весу и начальной вязкости меньше 10 пз когезионная прочность растворов должна быть не менее 5'104дин/см2, а модуль высокоэластичности при скорости деформации более 103 1/с не должен превышать 103 - 104 дин/см2. Очевидно, что далеко не все системы полимер-растворитель, из которых в принципе могут быть получены подходящие по тем или иным функциональным и эксплуатационным параметрам волокнистые материалы, удовлетворят этим требованиям ЭФВ-процесса, и при их выборе роль ММФ может оказаться не только существенной, но и решающей.
В свете вышеизложенного становится понятным, что в качестве эффективного регулятора и гаранта способности прядильного раствора преодолевать без разрыва струи формирующий ее импулрс электрической пондеромоторной силы выступает расширение спектра молекулярных масс растворенного полимера, а также совместимая в растворителе добавка другого полимера. При этом переход от текучего к высокоэластичному состоянию происходит у разных по массе и природе макромолекул не одновременно, а растягивается на более широкий интервал скоростей деформации, оставляя низкомолекулярную компоненту в текучем состоянии и замедляя потерю раствором текучести.