Способы получения нетканых материалов нового поколения

Размещено на http://allbest.ru

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России

Способы получения нетканых материалов нового поколения

Покровский Аркадий Алексеевич

кандидат наук, старший преподаватель

В начале 70-х годов освоен выпуск новых видов материалов, так называемых синтетических кож нового поколения. Эти материалы по своим физико-механическим и гигиеническим свойствам близки к свойствам натуральной кожи.

Указанный уровень свойств определяется, прежде всего, структурой готового материала, которая практически аналогична структуре натуральной кожи и представляет собой пористую матрицу, содержащую в 1см³ до 3 миллионов пор с уложенными пучками тончайших микрофибрилл, перепутанных внутри пучка и за его пределами таким образом, что исключает возможность их разделения. При этом толщина пучков внешних слоев материала меньше, чем внутренних.

На рис.1 представлено сходство внутренней структуры синтетической кожи нового поколения марки «Sofrina», выпускаемой японской фирмой «Kuraray», и натуральной кожи.

Рисунок 1. Внутренняя структура синтетической кожи нового поколения марки «Sofrina» и натуральной кожи.

Несмотря на многообразие выпускаемых в настоящее время синтетических кож нового поколения, принципиальную технологическую схему их производства можно представить следующим образом:

· изготовление нетканого полотна из композиционного волокна типа матрица-фибрилла;

· пропитка полотна раствором полиэфируретана и структурообразование методом фазового разделения;

· промывка полотна синтетической кожи от диметилформамида водой и сушка;

· экстрагирование матричного полимера композиционного волокна;

· удаление растворителя из освобождённой от «временного» полимера кожи и сушка;

· шпальтование, шлифование или ворсование;

· формирование отделочного или лицевого слоёв.

В нашем случае, для получения синтетической кожи нового поколения использовалось нетканое полотно, состоящее из 70 масс. частей полиэтилена низкой плотности (матрица) и 30 масс. частей полиэтилентерефталата (фибриллы), которое пропитывалось раствором полиэфируретана марки «Sanpren-LQ-18E». На стадии коагуляционного структурообразования полиэфируретановой матрицы происходило формирование основного порового объема материала. синтетический кожа полиэтилен растворитель

Для образования пористо-фибриллярной структуры синтетической кожи из неё методом селективной экстракции органическими растворителями удалялся полиэтилен низкой плотности. На рис.2 изображена принципиальная физическая модель изменения структуры синтетической кожи в процессе экстракции полиэтилена низкой плотности. Процесс экстракции из синтетической кожи сопровождается изменением количества как микро-, так и макропор.

В экстрагированной коже можно выделить три условные вида пор: макропоры, заполняющиеся жидкостью мгновенно; поры среднего размера, заполняющиеся в течение малого промежутка времени с постоянно уменьшающейся скоростью; и микропоры, которые заполняются в течение длительного времени с постоянной скоростью.

Заключительная стадия получения синтетической кожи заключается в удалении растворителя, оставшегося в материале после экстракции, которая в наиболее экологически и пожаробезопасном варианте реализуется в токе водяного пара.

Возможно использование как насыщенного, так и перегретого водяного пара. Поскольку при использовании перегретого пара происходит удаление жидкости практически до нулевого содержания, то данную стадию можно рассматривать как процесс конвективной сушки капиллярно-пористого материала.

Рисунок 2. Принципиальная физическая модель изменения структуры синтетической кожи в процессе экстракции полиэтилена низкой плотности: 1 - полиэфируретановый каркас; 2 - пустоты на границе каркаса с бикомпонентным волокном; 3 - поры в каркасе; 4 - матрица бикомпонентного волокна; 5 - фибриллы.

В качестве основных объектов исследования служили полностью экстрагированные образцы синтетической кожи, толщиной ~ 2,5 мм, с содержанием в них полиэфируретана 40% масс., полиэтилентерефталата 60% масс. и общей пористостью 75%.

Также исследовались образцы пористого и монолитного полиэфируретанов толщиной 0,4 и 0,2ё1 мм соответственно. Перед проведением эксперимента образцы кожи выдерживались в растворителе до полного заполнения им порового пространства и равновесного набухания полиэфируретанового скелета материала, а образцы полиэфируретана до полного набухания.

В технологии производства синтетической кожи нового поколения в качестве экстрагентов матричного полимера (полиэтилена низкой плотности) композиционного волокна используются алкилбензолы (толуол, изомерные ксилолы) и нормальные алканы (гептан, декан).

Выбор наилучшего из данных растворителей с точки зрения технологии в целом определяется совокупностью следующих основных факторов: токсикологическими свойствами, стоимостью, технологией экстракции полиэтилена, продолжительностью процесса удаления растворителя из синтетической кожи и технологией регенерации водно-органической смеси. Ранее проведённые исследования по экстракции полиэтилена низкой плотности показали, что на данной стадии наиболее целесообразно применение толуола.

На окончательный выбор растворителя решающее значение будет оказывать стадия экстракции матричного полимера композиционного волокна, так как именно на данном этапе технологического процесса происходит формирование пористо-фибриллярной структуры материала, оказывающей влияние на весь комплекс физико-механических свойств готового продукта.

При решении нашей задачи по удалению растворителя из синтетической кожи, кроме всех перечисленных факторов, одним из основных критериев оценки будет время его удаления. На кинетику данного процесса будет оказывать влияние одно принципиальное различие между алкилбензолами и нормальными алканами, которое заключается в том, что первые растворяются в полиэфируретановой матрице синтетической кожи на уровне 50% масс., тогда как вторые в ней практически нерастворимы.

В этой связи вполне закономерно возникает вопрос, каким образом это обстоятельство может повлиять на эффективность их удаления из кожи. Для ответа на этот вопрос необходимо проведение экспериментальных исследований, направленных на изучение кинетики данного процесса.

Все используемые растворители оказывают наркотическое воздействие на организм человека и вызывают кожное раздражение. Это говорит о том, что остаточное содержание растворителя в синтетической коже должно быть нулевым. При этом процесс удаления растворителя из кожи сопровождается образованием смеси практически взаимно не смешивающихся жидкостей - органического растворителя и воды.

Данные жидкости способны смешиваться друг с другом на уровне, не превышающем 0,05%. Для возврата дорогостоящего растворителя в технологический цикл водно-органическая смесь подлежит разделению с последующей декантацией.

Для рекуперации растворителя, смешанного с водой, применимы методы адсорбции и ректификации. Очищенная вода, ввиду жестких предельно-допустимых концентраций, пригодна лишь для технических целей. Поэтому, с учетом вредного воздействия на организм человека всех используемых реагентов и необходимости их дальнейшей рекуперации, следует, что решаемая нами задача заключается в отыскании оптимального способа, обеспечивающего полное удаление растворителя из синтетической кожи.

Стадия удаления органического растворителя наиболее эффективно реализуется в токе водяного пара. Использование насыщенного водяного пара с температурой 100єС требует последующей сушки материала от водяного конденсата.

Применение же перегретого пара исключает эту необходимость. Для доказательства этих утверждений, выбора оптимального способа удаления растворителя и нахождения основных технологических параметров, влияющих на скорость процесса, были проведены экспериментальные исследования, направленные на изучение кинетики данного процесса в токе насыщенного и перегретого водяного пара.

Экспериментальные исследования необходимы также для нахождения эмпирических зависимостей теплофизических коэффициентов материала от его влагосодержания и температуры с целью разработки надёжной математической модели и расчёта процесса удаления растворителя.

Список литературы

1. Почивалов К.В., Липин А.Г., Мизеровский Л.Н., Блиничев В.Н. Покровский А.А. Исследование процесса удаления органического растворителя из основы синтетической кожи в токе водяного пара. // Изв.вузов. Химия и химическая технология. - 2001. - Т.44. - №1. - с. 138-140.

2. Зуева Г.А., Блиничев В.Н., Падохин В.А., Покровский А.А. Математическая модель сушки синтетической кожи. // Теоретические основы химической технологии. - 2002. - Т.36. - №4. - с. 400-404.

3. Зуева Г.А., Покровский А.А. Установка интенсивного действия для удаления органического растворителя из синтетической кожи.// Известия вузов. Химия и хим. технология. - 2004. - Т.47. - № 4. - с. 34-36.

4. Покровский А.А. Интенсификация процесса удаления растворителя из капиллярно-пористого материала в производстве аналога натуральной кожи. // Диссер. на соискание уч. степени канд. технических наук / Иваново, 2001.

5. Покровский А.А. Сушка водяным паром с механическим воздействием на материал // NovaInfo.Ru (Электронный журнал.) - 2016 г. - № 54; URL: http://novainfo.ru/article/8651.

6. Покровский А.А. Формы связи влаги с материалом при рассмотрении процессов сушки // NovaInfo.Ru (Электронный журнал.) - 2017 г. - № 59; URL:http://novainfo.ru/article/11044.

7. Кузьмин С.М., Покровская Е.П., Багровская Н.А., Покровский А.А. Способ изготовления термоклеевого прокладочного материала // Патент на изобретение rus 2425612 21.07.2010.

8. Покровская Е.П., Покровский А.А., Козлова О.В. Разработка и исследование пожаробезопасной технологии обеспечения повышенной заметности детской одежды // Пожаровзрывобезопасность. - 2014. - Т. 23. - № 4. - С. 34-40.

Аннотация

Способы получения нетканых материалов нового поколения. Покровский Аркадий Алексеевич, кандидат наук, старший преподаватель. Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России

Представлен процесс получения нетканых материалов близких по своим физико-механическим свойствам к натуральным кожам. Рассмотрены вопросы удаления алкилбензолов и нормальных алканов в процессе формирования пористо-фибриллярной структуры материала. Определен наиболее эффективный способ удаления органических растворителей из капиллярно-пористой основы в токе водяного пара.

Ключевые слова: синтетическая кожа, алканы, алкилбензолы, нетканый материал, органический растворитель

Размещено на Allbest.ru