Процесс электроформования

Схема процессов ЭРЖ-ЭФВСреди промышленных методов получения полимерных волокон и волокнистых структур на их основе процесс электроформования (ЭФВ-процесс, зарубежная терминология: electrospinning) занимает особое место, отличаясь аппаратурной простотой и гибкостью технологического процесса. По своему характеру и аппаратурному оформлению ЭФВ-процесс относится к "сухому" методу формования химических волокон. Деформация исходного полимерного раствора, последующий перенос отверждаемых при испарении растворителя волокон и формирование волокнистого слоя осуществляется исключительно электрическими силами.

Прототипом процесса электроформования (ЭФВ) является метод электрогидродинамического распыления жидкостей (ЭРЖ), в котором вытекающая из дозирующего сопла, находящегося под постоянным высоким электрическим напряжением, жидкость распыляется на мелкие капли, которые осаждаются на противоположный электрод.

На схеме изображена типичная для этих процессов схема установки, на которой условно выделены три характерные зоны, соответствующие их основным стадиям.

К рабочей жидкости подводится регулируемое, высокое электрическое напряжение от источника 1. Из емкости 2 под собственным весом или избыточным давлением газа вытекает рабочая жидкость с  заданным объемным расходом через капилляр 3. Под действием электрических сил образуется утончающаяся свободная струя, ось которой совпадает с направлением электрического поля. Одновременно происходит интенсивное испарение растворителя, при этом струя отверждается.  Образующиеся волокна дрейфуют во внешнем электрическом поле на осадительный электрод 4.

Возможны и другие варианты аппаратурного оформления процесса электроформования. Подача прядильного раствора может осуществляться как через капилляры, так и непосредственно с поверхности раствора при наличии условий концентрации напряжения - заостренные иглы, материалы с различной проводимостью и др. Подача разности потенциалов возможна в любой конфигурации с использованием положительного или отрицательного напряжения либо заземления.

Экспериментальные данные показывают, что в зависимости от вида системы полимер-растворитель преобладают различные механизмы образования полимерных волокон. При этом эффективная скорость волокнообразования может меняться от нескольких метров до нескольких десятков тысяч метров в секунду. Наблюдаются как процессы растяжения жидких полимерных струй в нестационарных петлях, так и расщепление жидких полимерных струй, а также выброс струй в областях изгиба струй или с поверхности первоначальной капли.

В прядильных растворах могут быть использованы полимеры различных классов, таких как поливинилхлориды, полистиролы, полисульфоны, полиамиды, фторполимеры, полиуретаны, каучуки и др., а также сополимеры.

В зависимости от типа полимера и растворителя возможно получение как микро-, так и нановолокон с различными физико-химическими свойствами. Возможно также получение волокон из эмульсий нерастворимых полимеров, с использованием связующих полимеров. Использование добавок (нанотрубки, антисептики, люминисценты, металлические частицы) делает возможным получение волокон со специфическими свойствами.

Промышленное воплощение процесса электроформования


Электрокапиллярный  и электроаэродинамический методы


В этих методах дозирование полимерного раствора осуществляется через капилляр.

При использовании низкокипящих растворителей для стабилизации процесса капилляр дополнительно обдувается паровоздушной смесью.

При использовании высококипящих растворителей процесс осуществляется в безобдувочном режиме.

Для повышения производительности процесса в область вытягивания жидких струй подается сжатый воздух для их дополнительного аэродинамического ускорения.

В зависимости от осадительного электрода материалы могут выпускать на установках:

- барабанного типа
- рулонного типа
- ленточного типа


Научно-технический центр аэрозолей, 2013
Electrospinning.ru