1.4 Физико-химические основы процесса электроформования

В настоящее время существует три разновидности промышленной технологии получения волокнистых материалов методом электроформования, различающиеся способом подачи раствора и струеобразования в электрическое поле высокого напряжения:

1. электрокапиллярный метод, в котором полимерный раствор поступает через капилляр и под действием электростатического поля капля раствора растягивается с образованием непрерывной струи, в результате чего на осадительный электрод попадает уже отвержденное волокно;

2. электроаэродинамический метод, в котором для растяжения жидкой струи дополнительно используется поток сжатого воздуха;

3. бескапиллярное электроформование, в котором под действием электрического поля множество восходящих струй одновременно вытягиваются из жидкой пленки формовочного раствора, наносимой на поверхность вращающегося электрода, частично погруженного в него (рисунок 1.9).

Рисунок 1.9– Схема бескапиллярного электроформования (а) и вид вос­ходящих струй (б)

Последний способ, характеризующийся высокой производительностью и исключающий необходимость использования дозирующих фильер (капилляров) и связанные с этим повышенные требования к однородности формовочного раствора, является наиболее перспективным для промышленного освоения. Для удаления паров растворителя, испаряющегося в окружающее пространство при отверждении струи, и обеспечения безопасных условий работы все оборудование установки размещается в непрерывно вентилируемой и электрически изолированной камере, а его оперативное обслуживание производится с изолированного помоста [59].

По характеру процессов, приводящих к образованию волокон, ЭФ является сухим способом, в котором формование ведется из растворов полимеров за счет испарения растворителя, поэтому чрезвычайно важными являются задачи оптимизации состава и свойств формовочных растворов. Основными параметрами, определяющими процесс электроформования, являются поверхностное натяжение, динамическая вязкость, электропроводность, температура кипения растворителя, электрическое напряжение.

Поверхностное натяжение. Деформация раствора на первой стадии процесса электроформования приводит к росту его свободной поверхности. Чем ниже коэффициент поверхностного натяжения формовочного раствора, тем устойчивее жидкая струя, и легче избежать возникновения подавляющего процесс газового разряда с дозирующего капилляра [59].

Динамическая вязкость. Одним из наиболее важных свойств полимерного раствора является его динамическая вязкость. На первой стадии процесса электроформования вязкость выступает, как нежелательный фактор, увеличивающий потери энергии на преодоление внутреннего трения в жидкой струе, однако, со всех других точек зрения - она оказывает наиболее существенное влияние на получение волокон заданного диаметра. Это обусловлено тем, что увеличенной вязкости соответствует более высокая концентрация полимера и, таким образом большая производительность процесса. Также вязкость гасит капиллярные волны, разрушающие жидкую струю. Кроме того, вязкость формовочного раствора связана с его реологическими и прочностными свойствами и способностью противостоять деформационным нагрузкам [37]. Анализ теоретических зависимостей, приведенных в ряде работ [37, 57, 59], показывает, что наиболее целесообразным является формование волокон из растворов наименьшей вязкости.

Вязкость влияет не только на диаметр, но и на морфологию получаемых волокон. В работах [37, 38 ] отмечено, что снижение вязкости ниже определенного предела приводит к морфологии волокон с дефектами типа «груш».

Электропроводность. Важным свойством формовочного раствора, существенно влияющим на процесс электроформования, является его удельная объемная электропроводность. Чем быстрее или интенсивнее требуется проводить деформацию, тем выше должна быть электропроводность формовочного раствора, при этом верхний предел ограничен порогом возникновения газового разряда со струи, нарушающего ее устойчивость. Увеличение электропроводности проводят путем добавления в раствор ионогенных веществ. С ростом электропроводности увеличивается вероятность образования нескольких жидких нитей, исходящих из дозирующего элемента, и вероятность отщепления от основной нити множества дочерних, что приводит к увеличению производительности процесса [59].

Температура кипения растворителя. Из работы [60] следует, что температура кипения при нормальном давлении и отнесенной к нему упругостью насыщенного пара практически не отличаются от таковых для образующих формовочный раствор чистых растворителей и хорошо коррелируют со скоростью их испарения и временем отверждения жидкой струи.

Переходя к рассмотрению задаваемых параметров ЭФВ-процесса, выделим главные из них, которыми являются геометрия межэлектродного пространства и объемный расход полимерного раствора.

Геометрия межэлектродного пространства. Данный параметр определяется конструкцией установки и должен обеспечивать устойчивое прохождения всех стадий процесса электроформования с некоторым регулируемым запасом. Расстояние до стенок установки должно быть достаточно большим во избежание осаждения на них волокон и должно обеспечивать замыкание большинства линий силового поля на собирающем электроде.

Электрическое напряжение. Регулирование электрического напряжения (а, следовательно, и напряженности электростатического поля) легко осуществимо в ЭФВ-процессе, но диапазон, внутри которого изменение этого параметра не приводят к нарушению стационарности ЭФВ- процесса, довольно узок, и определяется многими факторами. Нижний предел и ширина этого диапазона зависят от коэффициента поверхностного натяжения, электропроводности, объемного расхода раствора, расстояния между электродами и их конфигурации [38, 39]. Из практики известно, что при увеличении электрического напряжения, как правило, происходит уменьшение диаметра получаемых волокон [38, 39, 60]. Следует отметить, что при увеличении напряженности поля и при использовании формовочного раствора высокой электропроводности (более 10' См/м) может образоваться несколько первичных жидких струй, выходящих из инжеирующего элемента [61].

Электрический ток. Данный параметр вообще нельзя установить и изменить произвольно в ЭФВ-процессе [59]. Он является следствием параметров ЭФВ-процесса и свойств полимерного раствора. Контроль тока необходим по целому ряду причин. Во-первых, он входит в энергетический баланс процесса. Во-вторых, его отношение к объемному расходу формовочного раствора есть мера объемной плотности электрического заряда в первичной струе, а, следовательно, и способности множества дочерних струй отщепляться от первичной. В-третьих, его плотность на осадительном электроде влияет на формирование волокнистого слоя, на остаточный заряд и фильтрующие свойства последнего. [59].

Продольный градиент скорости. Данный параметр в технологии формования волокон обычно называют скоростью деформации, а величину обратную ему временем разгона первичной струи. Значение градиента максимально на первой стадии ЭФ-процесса [62], при этом значения максимума достигают 10²-10⁴ с^-1 и более. Способность жидких нитей полимерных растворов выдерживать такие жесткие условия деформирования без разрушения и приводит к получению ультратонких волокон способом электроформования [59].