УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НЕТКАНОГО МАТЕРИАЛА ЭЛЕКТРОФОРМОВАНИЕМ РАСПЛАВА ПОЛИМЕРОВ

Техническое решение относится к области производства фильтрующих материалов (ФМ) из волокон микронных и нанометровых размеров. Конкретно заявляемая полезная модель относится к устройствам, в которых непосредственно из расплавов термопластичных полимеров в сильных электрических полях получают электризованные нетканые тонковолокнистые материалы, используемые, например, для очистки воздуха и газов от аэрозолей и заряженных мелкодисперсных частиц пыли.
Известно устройство.(патент РФ №2262376) для получения электризованного нетканого полотна из слоя волокон, образующегося при аэродинамическом распылении выдавливаемого расплава полипропилена, сопровождаемого обработкой вытягивающихся волокон коронным разрядом.
Известное устройство состоит из трехзонного червячного экструдера с распыляющей головкой, сопла, узла подачи сжатого горячего воздуха, устройства для электризации вытягивающихся волокон коронным разрядом и формообразующего механизма, на котором оседают волокна, формируя готовое полотно.
3
Устройство работает следующим образом. Гранулят полипропилена с индексом текучести расплава не менее 25-35 г/10 мин нагревают при температурах в зонах червяка: I - 190-210°С, II - 280-330°С, III - 360-400°С и температуре распыляющей головки 390°С и выдавливают через сопло. Расплавленный полимер увлекается потоком сжатого горячего воздуха под давлением 1,5-3 атм и вытягивается в волокна, которые подвергаются электризации коронным разрядом напряженностью 12 кВ/см. Расстояние от фильеры экструдера до зоны электризации варьируется в пределах 50-120 мм. Полимерная масса оседает на формообразующем механизме, образуя «заряженное» полотно - слой когезионно скрепленных между собой волокон диаметром 10-20 мкм с плотностью упаковки 0.25-0.30 г/см поверх ранее нанесенного полученного на этом же устройстве неэлектризованного волокнистого слоя из полипропилена. В результате образуется двухслойный материал с суммарной толщиной полотна до 2 мм,
2
электризованный слой которого состоит из волокон толщиной 0,5-1,5 мкм и несет электретный заряд с поверхностной плотностью 17-21 нКл/см
Наиболее близким по количеству признаков к заявляемому является устройство для способа получения электретного тонковолокнистого фильтрующего материала, описанное в патенте РФ №2198718 (прототип).
Известное устройство представляет собой одночервячный экструдер, состоящий из двигателя, канала для охлаждения зоны бункера, канала для выхода расплава в распыляющую головку, нагревателей, корпуса, червяка с зонами - питания (загрузки), сжатия (пластикации), выдавливания (дозирования), загрузочной воронки, бункера, упорного подшипника, редуктора, многофильерной распыляющей головки, патрубка подачи сжатого воздуха и формообразующей оправки, состоящей из принимающего барабана и наматывающей шпули. Зона электризации состоит из высоковольтного игольчатого электрода, представляющего собой пластмассовую пластину длиной 350 мм с 4-16-ю соединенными между собой металлическими иглами, расположенными по нормали к газополимерному потоку, и металлического заземляющего электрода 16.
Недостаток вышеописанных устройств связан с обработкой вытягиваемого волокна коронным разрядом, что требует наличия специального узла - разрядника с гребенкой, усложняющего как само устройство, так и технологический процесс в целом.
Кроме того, в этих технических решениях указаны фиксированные значения величин поляризующего напряжения и расстояния от электродов до зоны электризации, что не дает возможности варьировать в желаемых пределах параметры электретного эффекта в волокнистом материале. При этом параметры работы устройства для реализации заявленных способов электризации ФМ подобраны только для одного полимера - полипропилена.
Технической задачей полезной модели является создание экономичного и в аппаратурном исполнении более простого чем прототип устройства для способа получения электретного полимерного тонковолокнистого фильтрующего материала путем совмещения процессов образования, электризации волокон и формирования из них полотна в одном технологическим цикле без участия
отдельного узла электризации вытягиваемого волокна. Поставленная задача достигается за счет передачи функций упомянутого узла формирующему механизму и конструкционным элементам экструдера.
Сущность изобретения состоит в том, что конструкция устройств для электризации волокнистых материалов, получаемых из расплавов полимеров, связана с двумя процессами. Это классическая "melting" - технология, разработанная еще в 50-х годах прошлого столетия параллельно в США и Великобритании, по выдуванию из фильер капель расплавленного полимера, вытягиванию волокон, в т.ч. под действием их собственной тяжести, и формированию из них конечного полотна, а также самостоятельная технологическая операция нанесения (или индуцирования) заряда на материал. Последний процесс был реализован двумя путями: либо заряд придавался вытягиваемому волокну, как это описано в вышеприведенных патентах раздела "уровень техники", либо обработке подвергался уже сформированный из незаряженного волокна нетканый материал, например, его помещали в электростатическое поле (патент РФ №2108132), либо в поле тлеющего разряда (патент РФ №2189850) и др. Соответственно для их реализации было подобрано технологическое оборудование, в отличие от которого авторами предложено оригинальное аппаратурное решение процесса электризации волокна за счет подвода поля высокого напряжения с началом электроформования непосредственно на агрегат формирующего механизма, при этом заземляющий электрод присоединен к корпусу (фильере или соплу) экструдера.
Заявляемое устройство (ФИГ.1) представляет собой одночервячный экструдер, состоящий из двигателя 1, канала для охлаждения зоны бункера 2, канала для выхода расплава в распыляющую головку 3, нагревателей 4, корпуса 5, червяка 6 с тремя зонами нагрева I - питания (загрузки), II - сжатия (пластификации), III - выдавливания (дозирования), загрузочной воронки 7, бункера 8, упорного подшипника 9, редуктора 10, одно- или многофильерной распыляющей головки 11, патрубка подачи сжатого воздуха 12 и формообразующий приемный узел, состоящий из принимающего барабана 13 и наматывающей шпули 14. На приемный узел, выполняющий роль электрода, 15 идет прямой подвод высоковольтного напряжения, металлический заземляющий электрод 16 присоединен к корпусу экструдера. Головка может быть снабжена сменными фильерами, как цилиндрического типа, так и щелевыми. Скорость
подачи расплава определяется скоростью вращения шнека, размерами фильеры и реологическими свойствами материала. Приемное устройство барабанного типа состоит из полого металлического цилиндра, выполненного из нержавеющей стали, надетого на опорный подшипник. Через длинную стеклянную трубу (длина 1000 мм) осуществляется мотором вращение барабана. Скорость вращения регулируется в широком диапазоне и задается и регистрируется компьютером. На опорный подшипник подается отрицательный потенциал с высоковольтного источника питания (Spellman SL-10). Необходимо отметить важность изоляции приемного устройства от контакта с землей. Вместо рулонообразующего барабана со шпулей может быть использована плоская металлическая сетка. Толщина полотна определяется и регулируется скоростью вращения барабана и скоростью подачи полимера из фильеры. При достижении требуемой толщины материала, фильтр снимается с барабана приемного устройства.
2
2
Устройство работает по технологии электроформования следующим образом. Гранулят предварительно высушенного промышленного поликапроамида с добавками солей, увеличивающих поляризуемость полимерного расплава, дозируемый из бункера 8, нагревают при температурах в зонах червяка: I - 240-260°С, II - 260-280°С, III - 280-300°С и температуре распыляющей головки 325°С, и выдавливают через канал для выхода расплава (сопло), расплавленный полимер увлекается потоком сжатого горячего воздуха под давлением 1,5-3 атм и вытягивается в волокна, которые подвергаются электризации в постоянном электрическом поле напряженностью 80-120 кВ, при токе 40-80 микроампер. Из фильеры выходит расплав полимера, который с большой скоростью вытягивается и расщепляется за счет электрического поля. Отрицательный заряд подается на приемное устройство (вращающийся барабан), заземление - на корпус экструдера. Расстояние между электродами (от фильеры экструдера до зоны приемного устройства) h варьируется в пределах 10-100 см. Далее полимерная масса оседает на формообразующем приемном узле -вращающимся барабане, покрывая всю его поверхность и образуя полотно - слой когезионно скрепленных между собой тонких волокон диаметром от 0,5 до 5 мкм, поверхностной плотностью 30,0-35,0 г/м, эффективной поверхностной плотностью электретного заряда 15-20 нКл/см и эффективностью слоя материала (при скорости потока 1,7 см/с для частиц диаметром 0,15 мкм), составляющей 0,38-0,45 мкм.