Получение наноструктурированного волокна

ПОЛУЧЕНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ВОЛОКНА
ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕГО СВОЙСТВ
Васильченко Ю.М.1, Васильченко М.Ю.2, Баженов В.А.2, Широбоков К.П.1,
Стрелков М.Н.1, Перевощикова А.В.1, Казанцев М.М.1
1. ФГБОУ ВПО Ижевский государственный технический университет
имени М.Т. Калашникова;
2. Ижевская государственная сельскохозяйственная академия
Перспективным способом утилизации полимерных отходов является их
переработка
в
волокнистый
материал
в
результате
раздува
струи
расплавленного сырья воздушным потоком, направленным через дутьевое
устройство. В этом случае все производственные операции осуществляются на
одном агрегате с минимальным вредом для окружающей среды [1]. Для
улучшения
(сорбционная
эксплуатационных
способность,
характеристик
прочность),
волокнистых
придания
им
материалов
новых
свойств
(электромагнитная восприимчивость, отведение статического заряда), а так же
расширения
предлагается
области
промышленного
включить
этап
применения
модификации
данной
промежуточного
технологии
расплава
наноструктурами.
Наиболее перспективным направлением использования полученных
волокнистых материалов является сбор разливов нефти и нефтепродуктов,
отделение их от воды. Использование полимерных волокон в этой области
практикуется давно, однако, модификация волокон наноструктурами делает их
более эффективными по сравнению с имеющимися аналогами [2]. При этом
продукт
может
быть
выполнен
в
виде
матов,
которые
расстилают
непосредственно на нефтяной разлив, или в виде стандартных фильтр-кассет,
используемых в составе сооружений по очистке сточных вод. Для отделения
нефти от сорбента можно использовать отжим в валках или обработку в
центробежной установке. После этого сорбент можно использовать снова.
После того, как волокнистый материал прейдет в негодность, его утилизируют
в качестве армирующей добавки при прокладывании дорог.
Объектом
исследования
настоящей
работы
является
процесс
модификации термопластичных полимеров наноструктурами. В качестве
термопластичного
полимера
в
рамках
нашего
исследования
выбран
полиэтилентерефталат (ПЭТФ). Это сложный термопластичный полиэфир
терефталевой кислоты и этиленгликоля с молекулярной формулой [–СН2–
СН2ОС(О)–Ar–С(О)О–]n и температурой плавления 250 - 265°С. В качестве
вторичного сырья использовались измельченные пластиковые бутылки из
ПЭТФ. В качестве наноструктур предлагается использовать металл/углеродные
нанокомпозиты
(производство
ОАО
«ИЭМЗ
«КУПОЛ»).
Например,
установлено, что углеродный медьсодержащий нанокомпозит содержит медь с
примесью оксидов одно- и двухвалентной меди. Средний размер наночастиц
соответствует 25 нм. Наночастицы расположены в углеродной нанопленочной
структуре, образованной углеродными нановолокнами, ассоциированными с
металлической фазой
Из существующих методов введения наполнителя в состав полимерной
матрицы - полимеризация в присутствии добавки, введение добавки в раствор
полимера, введение добавки в расплав полимера – последний является наиболее
приемлемым в условиях переработки расплава ПЭТФ путем раздува. Для
перемешивания состава используются экструдеры и миксеры.
Для
теоретического
медь/углеродным
обоснования
нанокомпозитом
возможности
проведено
модификации
ПЭТФ
квантово-механического
моделирование процесса их взаимодействия в компьютерной программе
HyperChem v. 6.03. В результате расчетов установлено, что критического
увеличения длины связей в компонентах системы нет, что говорит об
отсутствии разрыва каких-либо связей (химических реакций не протекает).
Взаимодействие медь/углеродного нанокомпозита и ПЭТФ ограничивается
координационными
силами,
химической
деструкции
компонентов
не
ожидается, модификация ПЭТФ с помощью медь/углеродного нанокомпозита
возможна.
Для моделирования процессов модификации полиэтилентерефталата
металл/углеродным нанокомпозитом был собран экспериментальный стенд,
состоящий из компрессора, редуктора с манометром, системы регулировки
подачи сжатого воздуха в дутьевую головку, терморегулятора, штатива,
плавильной камеры, мешалки с электрическим приводом и дутьевой головки.
Общий вид установки представлен на рис. 1.
Рисунок 1. Общий вид установки для моделирования процессов
модификации полиэтилентерефталата металл/углеродным нанокомпозитом
Крошка полимера загружается в плавильную камеру. Под контролем
регулятора температуры, оснащенного термопарой, осуществляется нагрев и
поддержка температуры на уровне, необходимом для получения расплава
ПЭТФ (около 280 °С). После расплавления полимера в расплав вносят порошок
медь/углеродного нанокомпозита и тщательно перемешивают. После этого
включают подачу сжатого воздуха к дутьевой головке и открывают заслонку
отверстия в дне плавильной камеры. Вытекающая струя расплава попадает в
отверстие дутьевой головки, где происходит ее раздув и расщепление на тонкие
волокна. Так получены образцы с различным содержанием добавки в процентах
от массы: 0; 0,1; 0,3; 0,5; 0,7; 1; 3; 10 %.
В структуре волокон обнаружены различные дефекты (борозды,
переменный диаметр и др.), которые увеличивают удельную поверхность
волокон. Наличие дефектов объясняется особенностями кристаллизации
расплава в присутствии добавки. То есть наноструктуры выступают центрами
кристаллизации,
что
приводит
к
возникновению
напряжений
в
формирующемся волокне малого диаметра. Важной особенностью волокон с
содержанием добавки 0,7 и, особенно, 0,1 % от общей массы расплава является
«распушение» их поверхности, в результате формирования более тонких
волоконец на поверхности основного волокна (рис. 2).
Рисунок 2. Дефекты модифицированных волокон: «распушение»
основного волокна
Возможно, при указанном содержании добавки, поверхностный слой уже
сформировавшегося волокна остается жидким некоторое время, достаточное
для формирования вторичных волоконец в центрах кристаллизации в виде
наноструктур. Эта особенность структуры волокон должна способствовать
росту их удельной поверхности и сорбционной способности.
При исследовании прочности на разрыв отдельные волокна зацепляли на
кронштейне, установленном на весах, и постепенно нагружали до разрыва.
Далее вычислялась нагрузка в сН/мкм2. Установлено, что наибольшей
прочностью на разрыв 112 сН/мкм2 обладают волокна с долей добавки ω = 0,7
% от общей массы расплава, что в 22 раза больше прочности контрольного
образца.
Исследование сорбционной способности волокон, в соответствии с их
основным назначением, проводили по отношению к очищенной от посторонних
включений нефти гравиметрическим способом. Установлено, что волокна,
содержащие наноструктуры в количестве ω = 0,5 – 0,7 % от общей массы
расплава, обладают повышенной в 1,5-2 раза сорбционной способностью по
сравнению с контрольным образцом без добавок. При большом содержании
добавки сорбционная способность падает, что объясняется нарушением
процесса раздува в результате агломерации наноструктур в расплаве. Рост
сорбционной
способности
модифицированных
волокон
объясняется
увеличением их удельной поверхности вследствие образования дефектов.
Таким
образом,
медь/углеродными
модификация
наноструктурами
волокон
открывает
полиэтелентерефталата
новые
возможности
к
улучшению их свойств. В дальнейшем необходимо решить компромиссную
задачу: обеспечить максимальную сорбционную способность материала и
прочность, достаточную для многократного отжима волокон и их повторного
использования.
Список литературы:
1.
Технология и оборудование для производства волокнистых материалов
способом вертикального раздува: Монография / Шиляев А.И., Широбоков
К.П., Сентяков Б.А. и др. – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2008. – 248 с.
2.
Кодолов В.И., Хохряков Н.В. Химическая физика формирования и
превращений наноструктур и наносистем: монография. В 2-х т. Ижевск:
ФГОУ ВПО ИжГСХА. 2009. – 360, 416 с., ил.