СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА
METHOD FOR FIBROUS MATERIAL PRODUCTION

Изобретение относится к области производства нетканых волокнисто-пористых полимерных материалов, используемых в качестве сорбентов и фильтрующих материалов, например, для очистки водных поверхностей и почвогрунтов от нефти и нефтепродуктов.
Известные способы получения волокон из термопластов осуществляют продавливанием растворов или расплавов полимеров через отверстия фильер с последующим вытягиванием и охлаждением нитей (Химическая энциклопедия, М., Советская энциклопедия, 1998, т.5, с.117, RU 2179600, МПК D01D 5/08, опубл. 2002).
Недостатком этих способов получения волокон является сложность технологии и высокие энергозатраты. Кроме того, эти способы неприменимы при использовании в качестве сырья бытовых и промышленных отходов термопластов, которые неоднородны по химическому составу, содержат механические примеси и отличаются от стандартного сырья меньшей молекулярной массой и, как следствие, более низкой вязкостью расплава, температурой плавления и механической прочностью получаемых волокон.
Известен способ получения волокон из раствора полистирола или полиметилметакрилата путем электростатического формования в органическом растворителе (RU 2349769, МПК B01D 39/16, опубл. 2009).
К недостаткам данного способа следует отнести сложность технологии, а именно: использование органических растворителей в большом объеме, наличие стадии предварительной очистки реагентов и значительные энергозатраты на стадиях электроформования волокон и предварительного обеспыливания воздушной среды, используемой при электроформовании.
Известен способ получения сорбирующего волокнисто-пористого полимерного материала для сбора разливов нефти распылением термопластичного полимера потоком нагретого воздуха, струе которого сообщается закрученное по спирали направление. Волокна в факеле распыления, находясь в вязкотекучем состоянии, наслаиваются на подложку, совершающую вращение и возвратно-поступательное перемещение, где и происходит формирование волокнисто-пористого материала (RU 2126715, МПК B01J 20/22, C02F1/28, В23В 3/10, опубл. 1999).
Полученный материал состоит из хаотически расположенных волокон, часть из которых сформирована в жгуты и клубочки, образующие капилляры, за счет которых происходит быстрое дополнительное впитывание и удерживание жидкости, например масел и нефтепродуктов. Однако технология изготовления материала очень сложна и требует специального оборудования.
Известен способ получения волокнистого материала из термопластов (RU 2117719, МПК D01D 5/08, D04H 3/16, опубл. 1998), в котором плавление полимера и образование пленки расплава осуществляют внутри вращающегося реактора, выполненного в виде цилиндра, открытая часть которого выполнена в виде расходящегося конуса, при этом формирование и вытягивание волокон из пленки расплава производят за счет кинетической энергии, которая создается вращающимся реактором с линейной скоростью на его кромке не менее 10 м/с. Вязкость пленки расплава термопласта поддерживают близкой к вязкости расплава при температуре его деструкции путем нагревания вращающегося реактора. Формирующееся у кромки реактора волокно подвергают воздействию воздушного потока, который направляют поперек направления движения формирующихся волокон.
Недостатком данного способа является сложность и многостадийность технологии. Так, сырье предварительно расплавляют и перемешивают в экструдере, образуя гомогенный расплав, температура которого близка к температуре деструкции полимера. Из экструдера расплав подают во вращающийся реактор, где под действием центробежных и осевых сил происходит формование и вытягивание волокна из пленки расплава. Кроме того, способ характеризуется неудовлетворительными экологическими характеристиками, так как в отработанном воздухе содержатся токсичные газообразные продукты, образующиеся в результате высокотемпературной деструкции термопластов.
Известно, что лигноцеллюлозное сырье (древесину, щепу, корни, стебли злаков и т.д.) можно превратить в волокна, пряди, крошки, чешуйки и им подобные образования в автоклаве при обработке паром под давлением при 190-260°C при выдержке от 15 с до 10 мин с последующим его извлечением из автоклава при атмосферном давлении. В описанном способе сырье далее подвергают горячему прессованию с целью получения композитного материала (RU 2075384, МПК В27К 9/00, опубл. 1997).
Наиболее близким по технологической сущности к предлагаемому изобретению является способ разволокнения (разрыхления) лигноцеллюлозного сырья путем взрывного автогидролиза. Способ заключается в кратковременной обработке древесного сырья нагретым водяным паром и последующем мгновенном снижении давления до атмосферного (декомпрессия). Лигноцеллюлозное сырье обрабатывают при температуре 120-240°C, давлении 3-4 МПа в течение от нескольких секунд до 10 минут водяным паром. Один из путей модифицирования взрывного автогидролиза заключается в том, что древесину хвойных пород в водной среде обрабатывают не только водяным паром, но и кислородом или воздухом под давлением при температуре 120-238°C. (Гравитис А.Я. Теоретические и прикладные аспекты метода взрывного гидролиза растительной биомассы. Химия древесины. 1987. №5. С.10-11).
При автогидролизе происходит не только разволокнение (разрыхление), но и гидролиз слабых связей в структуре органического вещества. К недостаткам способа следует отнести жесткие параметры процесса: высокую температуру и значительную выдержку в реакторе, что приводит к невозможности получения волокна из полимеров в этих условиях, т.к. они разрушатся до газообразных продуктов.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка простого, экономичного и экологически чистого способа получения волокнистого материала из полистирола и его отходов с высоким выходом и хорошими сорбционными свойствами.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения волокнистого материала путем кратковременной обработки сырья в реакторе газообразным агентом при температуре и давлении и последующей декомпрессии, согласно изобретению, в качестве сырья используют полистирол или его отходы, которые обрабатывают воздухом или паровоздушной смесью с содержанием пара 50% об. при температуре 90-120°C, давлении 3 МПа в течение 30 с.
Способ осуществляют следующим образом.
Навеску вспененного полистирола или бисера полистирола загружают в реактор объемом 0,8 л, куда подают нагретый (60-95°C) воздух или парогазовую смесь, содержащую 50% об. водяного пара. Через 8-10 с температура в реакторе достигает (90-120°C) при давлении 3 МПа. Исходное сырье выдерживают при заданных условиях в течение 30 с, затем давление сбрасывают до атмосферного с помощью шарового крана, при этом волокнисто-полимерная масса «выстреливается» из реактора в приемник. Происходит термомеханическая деструкция исходного материала с образованием волокна. При нагревании бисера полистирола под давлением выход газообразных продуктов затруднен, что приводит к образованию внутри частицы полистирола избыточного давления газообразных веществ. При резком сбросе внешнего давления до атмосферного газообразные продукты взрывают частицы полистирола до волокнистого состояния. В случае вспененного полистирола и его отходов в результате нагревания избыточное давление внутри обрабатываемых частиц создается за счет расширения воздуха, находящегося в пористой структуре вспененного полистирола. Избыточное внешнее давление препятствует выделению горячего воздуха из объема частиц. При последующей декомпрессии происходят процессы, описанные выше.
Волокно представляет собой полидисперсную массу, состоящую из волокон разной длины (0,5-7,0 см) и диаметром (0,3-1,0 мм). В массе волокна присутствуют как отдельные волокна, так и волокна, скрученные в жгуты и рыхлые клубочки. Выход воздушно-сухого волокнистого материала составляет 90-98% мас., от исходного материала.
Оптимальная температура процесса, при котором происходит образование качественного волокна, составляет 90-120°C. Проведение процесса при температуре ниже 90°C нецелесообразно, так как в полученном волокне присутствуют неразрушившиеся конгломераты (до 30%). Аналогичные эффекты наблюдаются при уменьшении времени выдержки ниже 30 с и давления менее 3 МПа. Повышение температуры выше 120°C, времени выдержки более 30 с и давления выше 3 МПа приводит к снижению выхода волокнистого продукта за счет процессов химической деструкции исходного материала. Качество волокна снижается за счет содержания в нем оплавленных конгломератов.
В качестве газообразного носителя в заявляемом способе используется воздух или паровоздушная смесь с содержанием водяного пара не более 50% об. Превышение в составе горячего газообразного носителя пара выше 50% приводит к увеличению хрупкости получаемого волокна и, как следствие, повышению содержания порошкообразной фракции в готовом продукте.
Способ подтверждается конкретными примерами.
Пример 1. 20 г предварительно вспененного полистирола загружают в реактор. Вспененный полистирол получали из полистирольного бисера (марка ПСВ-С) путем обработки его водяным горячим паром. В реактор подают горячий воздух и создают температуру 80°C и давление 3 МПа. Исходный материал выдерживают при заданных условиях 30 с, после чего сбрасывают давление до атмосферного. Выход воздушно-сухого волокнистого материала составляет не более 10%, количество непрореагировавших остатков - около 90% (см. табл.)
Пример 2. Способ осуществляют аналогично примеру 1, но при температуре в реакторе 90°C. Выход воздушно-сухого волокнистого материала составляет 95%. Количество непрореагировавших остатков -около 5%. Показатели по нефтеемкости (НЕ) полученного волокна составили 8,5±0,5 г/г, а показатели по маслоемкости (ME) составили 9,4±0,3 г/г.
Пример 3. Способ осуществляют аналогично примеру 1, но при температуре в реакторе 100°C. Выход воздушно-сухого полистирольного волокнистого материала составляет 98%. Количество непрореагировавших остатков составило около 2%. Показатели (НЕ) полученного волокна составили 8,7±0,3 г/г, а показатели (ME) составили 9,6±0,3 г/г.
Пример 4. Способ осуществляют аналогично примеру 1, но при температуре 120°C. Выход воздушно-сухого полистирольного волокнистого материала составляет 98%. Количество непрореагировавших остатков составило около 2%. Показатели (НЕ) полученного волокна составили 8,7±0,3 г/г, а показатели (ME) составили 9,6±0,3 г/г.
Пример 5. Способ осуществляют аналогично примеру 1, но при температуре 130°C. Выход воздушно-сухого полистирольного волокнистого материала составляет 65%. Выход оплавленных конгломератов составляет 20%. Показатели (НЕ) полученного волокна составили 8,5±0,4 г/г, а показатели (ME) составили 9,1±0,3 г/г.
Пример 6. 50 г бисера полистирола марки ПСВ-С загружают в реактор, куда подают горячий воздух. В реакторе создают температуру 90°C и давление 3 МПа. Исходный материал выдерживают при заданных условиях 30 с, после чего сбрасывают давление до атмосферного. Выход воздушно-сухого полистирольного волокнистого материала составляет 98%. Количество непрореагировавших остатков - около 2%. Показатели (НЕ) полученного волокна составили 9,2±0,5 г/г, а показатели (ME) составили 9,7±0,3 г/г.
Пример 7. Способ осуществляют аналогично примеру 6, но при температуре 120°C. Выход воздушно-сухого полистирольного волокнистого материала составляет 98%. Количество непрореагировавших остатков - около 2%. Показатели (НЕ) полученного волокна составили 9,2±0,5 г/г, а показатели (ME) составили 9,7±0,3 г/г.
Пример 8. Способ осуществляют аналогично примеру 7 но в качестве газообразного агента используют парогазовую смесь, содержащую 50% об. водяного пара. Полученный полистирольный волокнистый материал сушат при 25±5°C. Выход воздушно-сухого полистирольного материала составляет 98%. Количество непрореагировавших остатков - около 2%. Показатели (НЕ) полученного волокна составили 9,2±0,5 г/г, а показатели (ME) составили 9,7±0,3 г/г.
Пример 9. 20 г отходов полистирола (крошка упаковочного пенопласта) загружают в реактор, подают горячий воздух. Создают температуру в реакторе 120°C и давление 3 МПа. В этих условиях сырье выдерживают в реакторе 30 с. Выход воздушно-сухого полистирольного волокнистого материала составляет 98%. Количество непрореагировавших остатков - около 2%. Показатели (НЕ) полученного волокна составили 9,2±0,5 г/г, а показатели (ME) составили 9,7±0,3 г/г (см. табл.)
Представленные в таблице данные подтверждают, что оптимальными условиями получения полистирольного волокна является температура 90-120°C и обработка исходного вещества воздухом и паровоздушной смесью с содержанием пара 50% при постоянном давлении 3 МПа и времени выдержки 30 с.
Таким образом, разработан простой, экономичный и экологически чистый способ получения волокнистого материала из полистирола и его отходов методом термомеханической деструкции с высоким выходом и хорошими сорбционными свойствами.
Таблица
Влияние температуры на характеристики полученного волокнистого материала при давлении 3 МПа и времени выдержки 30 секунд.
Пример
Температура, °C
Состав газообр. носителя, %
Выход волокна, %
Содержание непрореагир. остатков, %
НЕ г/г
ME г/г
1
80
Воздух, 100%
10
90
2
90
Воздух, 100%
95
5
8,5±0,5
9,4±0,3
3
100
Воздух, 100%
98
2
8,7±0,3
9,6±0,3
4
120
Воздух, 100%
98
2
8,7±0,3
9,6±0,3
5
130
Воздух, 100%
65
20
8,5±0,4
9,1+0,3
6
90
Воздух, 100%
98
2
9,2±0,5
9,7±0,3
7
120
Воздух, 100%
98
2
9,2±0,5
9,7±0,3
8
120
Воздух50% пар-50%
98
2
9,2+0,5
9,7±0,3
9
120
Воздух, 100%
98
2
9,2±0,5
9,7±0,3