PL190533B1 - Sposób wytwarzania włókninowego materiału kompozytowego - Google Patents

Abstract

1. Sposób wytwarzania włókninowego materiału kompozytowego polegający na for­ " mowaniu runa w postaci warstwy splątanych włókien, bezpośrednio ze stopionego polimeru włóknotwórczego wytłaczanego przy użyciu sprężonego powietrza i wprowadzaniu w strumień tak otrzymanych włókienek środka adsorpcyjnego w postaci proszku, znamienny tym, że materiał adsorpcyjny w postaci proszku poddaje się obróbce wstępnej polegającej na aktywacji poprzez proces fluidyzacji, przy czym w procesie tym nadaje się cząstkom proszku ładunek elektrostatyczny przeciwny do ładunku występującego na włókienkach przed wprowadzeniem w ich strumień tych cząsteczek, a następnie utworzoną zawiesinę naelektryzowanych cząstek proszku wprowadza się pod ciśnieniem 0,02-0,10 MPa wprost w strumień wytłaczanych sprężonym powietrzem włókienek, w miejscu oddalonym od dyszy, w którym włókienka są jeszcze plastyczne, a otrzymaną mieszaninę odbiera się na urządzeniu odbierającym w postaci bębna lub transportera taśmowego, przy czym w strukturę włókniny wprowadza się całkowitą ilość substancji proszkowej w granicach od 5 do 90% wagowych.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania włókninowego materiału kompozytowego, znajdującego zastosowanie zwłaszcza jako materiał filtracyjny i sorpcyjny-.

Wytwarzanie włókninowych materiałów kompozytowych ma na celu nadanie im specyficznych cech, jakich nie posiadają poszczególne składniki tych materiałów. W ten sposób modyfikowane są właściwości fizykochemiczne, takie jak: wytrzymałość, elastyczność, wydłużenie, chłonność wilgoci, biodegradowalność, itp. Otrzymane materiały są wielofunkcyjne, a wyroby finalne znajdują wiele unikalnych aplikacji.

Powszechnie stosowane są metody otrzymywania włókninowych materiałów kompozytowych, takie jak: laminowanie warstw włókninowych, napylanie na włókninę włókien melt-blown, wprowadzanie modyfikatorów proszkowych do struktury włókniny.

W znanych sposobach wytwarzania materiałów kompozytowych wykorzystuje się włókniny otrzymywane techniką pneumotermiczną, charakteryzujące się niską wytrzymałością, ale za to bardzo dobrymi właściwościami filtracyjnymi z uwagi na supercienkie włókienka oraz włókniny wytwarzane techniką spun-bonded, które w przeciwieństwie do pierwszych mają dobre właściwości mechaniczne.

Znany sposób wytwarzania włókniny filtracyjnej polega na nasypywaniu kaskadowo na porowatą włókninę z włókien ciętych proszku adsorpcyjnego - tlenku glinu. Cząstki tlenku glinu ulegają w trakcie nasypywania rozproszeniu i umiejscawiają się pomiędzy splątanymi włókienkami włókniny. Otrzymany tym sposobem materiał kompozytowy charakteryzuje się nierównomiernym rozkładem proszku adsorpcyjnego oraz słabym zakotwiczeniem cząstek tego proszku w strukturze materiału.

Znany jest z amerykańskich opisów patentowych nr 3 971 373 i 4 429 001 i polskiego opisu patentowego nr 185 351 sposób wytwarzania materiału kompozytowego w postaci war190 533 stwowej włókniny, przeznaczonej zwłaszcza do stosowania w filtracyjnych maskach ochronnych. Sposób według wynalazku polega na formowaniu znaną metodą pneumotermiczną runa w postaci warstwy splątanych włókien, bezpośrednio ze stopionego polimeru włóknotwórczego wytłaczanego ciśnieniowo. Proces charakteryzuje się tym, że do strumienia włókien wprowadza się środek adsorpcyjny w postaci proszku w miejscu oddalonym od dyszy, w którym otrzymane włókna nie są już lepkie, a więc całkowicie zestalone. Otrzymany materiał kompozytowy składa się z warstwy splątanych włókien utworzonych z polimeru termoplastycznego, wewnątrz której włókna te podtrzymują cząstki wprowadzonego proszku, np. węgla aktywnego czy tlenku glinu.

Kotwiczenie cząstek środka adsorpcyjnego w postaci proszku w włókninie, w trakcie jej wytwarzania, polegające tylko na opleceniu ich włókienkami całkowicie zestalonymi nie powoduje jednak, jak wykazuje praktyka, całkowitego unieruchomienia ich. W szczególności powstają problemy przy transporcie czy konfekcjonowaniu, np. cięciu, gdyż niezwiązane ze strukturą włókniny cząstki wprowadzonego proszku wykruszają cię, szczególnie przy krańcach materiału. W trakcie użytkowania takiego materiału następuje przemieszczenie niektórych cząstek, szczególnie tych o małych i bardzo małych rozmiarach w strukturze włókniny, narzuconej przede wszystkim przez duże cząsteczki środka adsorpcyjnego. Cząstki o małych rozmiarach, znajdujące się w przestrzeniach utworzonych przy większych cząstkach nie są w żaden sposób unieruchomione i swobodnie migrują w wyrobie, co powoduje szybsze, niż by to wynikało z parametrów charakteryzujących wyrób, pogorszenie jakości wyrobu.

Ponadto sposób wytwarzania przedstawiony w opisach patentowych nie jest uniwersalny - narzuca znaczne ograniczenia co do wielkości średnicy cząstek materiału adsorpcyjnego stosowanego w postaci proszku w odniesieniu do średnicy włókienek tworzących włókninę.

Celem wynalazku było opracowanie skutecznego sposobu unieruchomiania cząstek materiału adsorpcyjnego w strukturze włókniny przy jednoczesnym wyeliminowaniu ograniczeń wynikających z parametrów stosowanych komponentów.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że podczas otrzymywania włókniny pneumotermicznej znaną technologią, wprowadza się materiał adsorpcyjny w postaci proszku, po poddaniu go obróbce wstępnej, wprost w strumień wytłaczanych ciśnieniowo ze stopionego polimeru włókienek o wielkości średnicy od 0,1 pm do 25 pm. Materiał adsorpcyjny w postaci proszku, np. węgiel aktywny, poddaje się obróbce wstępnej polegającej na aktywacji poprzez proces fluidyzacji, tj. tworzenia zawiesiny cząstek węgla aktywnego w strumieniu powietrza, przy czym w procesie tym nadaje się tym cząstkom ładunek elektrostatyczny przeciwny do ładunku występującego na włókienkach, przed wprowadzeniem w ich strumień cząsteczek węgla aktywnego. W trakcie obróbki wstępnej można mieszać w dowolnym stosunku dwa lub kilka rodzajów substancji proszkowych, przy czym całkowita ilość substancji proszkowej wprowadzonej w strukturę włókniny zawiera się w granicach od 5 do 90% wagowych. Po obróbce wstępnej utworzoną zawiesinę cząstek materiału adsorpcyjnego doprowadza się pod ciśnieniem 0,02-0,10 MPa wprost w strumień wytłaczanych ciśnieniowe ze stopionego polimeru włókienek, w miejscu oddalonym od dyszy, w którym włókienka są jeszcze lepkie. Dobór miejsca wprowadzenia strumienia uzależniony jest także od wielkości cząstek stosowanego materiału adsorpcyjnego. Prawidłowy dobór prędkości tych cząstek, regulowanej poprzez odpowiedni dobór ciśnienia powietrza, umożliwia uniknięcia strat materiału adsorpcyjnego, ponieważ w przypadku, gdy prędkość cząstek będzie zbyt mała, nie zdołają one przebić strumienia włókienek i odbiją się od niego, natomiast, gdy prędkość cząstek będzie za duża, przebiją strumień włókienek i obsypią się za nim.

Lepkie włókienka oplatają wprowadzane cząstki materiału adsorpcyjnego i tak utworzoną mieszaninę odbiera się na urządzeniu odbierającym w postaci bębna, które wykonuje dwa ruchy: obrotowy i trawersujący lub transportera taśmowego. Włókninowy materiał kompozytowy może być wytwarzany w formie arkusza lub w formie taśmy.

Do wytwarzania włókninowych materiałów kompozytowych według wynalazku stosuje się polimery termoplastyczne, takie jak: poliolefiny, poliamidy, poliestry, poliwęglan, różnorodne kopolimery, itp. Szczególnie odpowiednim polimerem jest polipropylen ze względu na bardzo dobre właściwości przetwórcze.

190 533

Jako substancje proszkowe stosuje się różnego typu sorbenty, np. węgiel aktywny, tlenek glinu, chitozan itp. lub substancje o innych funkcjach, np. zmniejszające palność wyrobów, czy hydrofobowość. Do wprowadzania mogą być użyte materiały sypkie o dowolnie małej wielkości ziarna czy mieszanki ziaren o zróżnicowanych wielkościach, przy czym praktycznie stosuje się cząstki o wielkości ziarna od 10 pm do 600 pm, a zwłaszcza korzystne są cząstki o wielkości ziarna 100-200 pm. Włókninowe materiały kompozytowe według wynalazku mogą posiadać masę powierzchniową w granicach od 20 do 1500 g/m². W niektórych zastosowaniach, dla uzyskania grubszego materiału można składać dwie lub więcej pojedynczych warstw włókniny kompozytowej. Nieoczekiwanie okazało się, że zastosowanie obróbki wstępnej materiału adsorpcyjnego w postaci proszku oraz zmiana sposobu powiązania cząstek proszku z włókienkami powoduje trwałe ich związanie, przy jednoczesnym polepszeniu właściwości filtracyjnych i sorpcyjnych wyrobu finalnego - włókninowego materiału kompozytowego. Ponadto w długim okresie użytkowania materiał zachowuje nadaną mu strukturę oraz wynikające z niej właściwości. Włókninowe materiały kompozytowe wytwarzane metodą według wynalazku nie wymagają stosowania dodatkowych środków wiążących. Mogą być one stosowane w procesach sorpcji zarówno z fazy gazowej, jak i ciekłej.

Przykład I

Wykonano serię włóknin kompozytowych sposobem według wynalazku, wprowadzając węgiel aktywny A-1 w strukturę włóknin pneumotermicznych w trakcie ich wytwarzania. Średnica włókienek w wytworzonej włókninie kompozytowej wynosi: w próbach 1-3 - 5,34 pm, w próbach 4-6 - 5,40 pm i w próbach 7-9 - 8,06 pm. Polimer - polipropylen wytłacza się z dyszy, znajdującej się w głowicy, nagrzanej do temperatury 334°C z prędkością: dla próbek włókniny kompozytowej 1-6 - 48 g/h/otwór, a dla próbek 7-9 - 58 g/h/otwór. Przez dysze powietrzne wytłacza się sprężone powietrze nagrzane do temperatury 250°C. Węgiel aktywny o średnicy cząstek w przedziale 0-300 pm poddaje się procesowi obróbki wstępnej - fluidyzacji, tj. tworzenia zawiesiny cząstek węgla aktywnego w strumieniu powietrza, przy czym w procesie tym nadaje się tym cząstkom dodatni ładunek elektrostatyczny - przeciwny do ładunku występującego na włókienkach, przed wprowadzeniem w ich strumień cząsteczek węgla aktywnego. Następnie, po obróbce wstępnej, węgiel aktywny wprowadza się jednostajnie, przy pomocy urządzenia dozującego, pod ciśnieniem 0,02-0,10 MPa, wprost w strumień wytłaczanych ciśnieniowo ze stopionego polipropylenu włókienek, w miejscu oddalonym od dyszy, w którym włókienka są jeszcze lepkie i tak utworzoną mieszaninę odbiera się na urządzeniu odbierającym w postaci bębna. Wszystkie wartości początkowych oporów przepływu powietrza są podane przy przepływie powietrza 7,35 cm/s. Charakterystykę otrzymanych włóknin kompozytowych podano w tabeli 1.

Tabela 1

Nr próby	Masa powierzchniowa	Zawartość węgla	Opory przepływu włókniny powietrza włókniny
	bazowej [g/m2]	kompozyt, [g/m2]	[g/m2]	[% wag]	bazowej [Pa]	kompozyt. [Pa]
1	51	63	12	19,0	14,5	14,2
2	51	139	88	63,3	14,5	18,5
3	51	228	177	77,6	14,5	22,8
4	98	163	65	39,9	23,9	25,9
5	98	299	201	67,2	23,9	26,7
6	98	308	210	68,2	23,9	30,1
7	131	257	126	49,0	32,1	33,4
8	98	327	196	59,0	32,1	35,4
9	98	382	251	65,7	32,1	35,4

190 533

Przykładu

Wykonano inną serię włóknin kompozytowych zgodnie z sposobem według wynalazku, tak jak to przedstawiono w przykładzie I, stosując węgiel aktywny DTO o średnicy cząstek w przedziale 200-400 pm. Średnica włókienek w wytworzonej włókninie kompozytowej wynosi: w próbach 1-3 - 5,34 pm, w próbach 4-6 - 5,40 pm i w próbach 7-9 - 8,06 pm. Polipropylen, dla uzyskania próbek włóknin kompozytowych 1-9 wytłacza się z dyszy znajdującej się w głowicy, nagrzanej do temperatury 334°C z prędkością: dla próbek 1-6-48 g/h/otwór, a dla próbek 7-9 - 58 g/h/otwór. Wszystkie wartości początkowych oporów przepływu powietrza są podane przy przepływie powietrza 7,35 cm/s. Charakterystykę otrzymanych włóknin kompozytowych podano w tabeli 2.

Tabela 2

Nr próby	Masa powierzchniowa	Zawartość węgla	Opory przepływu włókniny powietrza włókniny
	bazowej [g/m2]	kompozyt, [g/m2]	[g/m2]	[% wag]	bazowej [Pa]	kompozyt. [Pa]
1	51	93	42	45,2	14,5	14,3
2	51	97	46	47,4	14,5	12,8
3	51	253	202	79,8	14,5	11,8
4	98	257	159	61,9	23,9	30,3
5	98	393	259	75,1	23,9	26,3
6	98	405	307	75,8	23,9	27,5
7	131	287	156	54,4	32,1	39,3
8	131	741	610	82,3	32,1	33,0
9	131	811	680	83,9	32,1	35,1

Na podstawie powyższych przykładów można stwierdzić, że początkowe opory przepływu powietrza włóknin kompozytowych są zbliżone do początkowych oporów przepływu powietrza włóknin bazowych, tzn. nie zawierających w swojej strukturze materiałów absorpcyjnych.

Przykład III

Wykonano inną serię włóknin kompozytowych sposobem według wynalazku, tak jak to przedstawiono w przykładzie I, stosując proszkowy chitozan o różnej wielkości ziarna (średnia średnica): A-10 pm, B-385 pm i C-600 pm. Średnica włókienek w wytworzonej włókninie kompozytowej wynosi 6 pm. Polipropylen wytłacza się z dyszy znajdującej się w głowicy, nagrzanej do temperatury 336°C z prędkością 50 g/h/otwOr. Charakterystykę otrzymanych włóknin kompozytowych podano w tabeli 3.

Tabela 3

Nr próby	Masa powierzchniowa włókniny	Zawartość chitozanu	Opory przepływu powietrza włókniny	Rodzaj chitozanu
bazowa [g/m2]	kompozyt. [g/m2]	[g/m2]	[% wag]	bazowej [Pa]	kompozyt. [Pa]
1	97	140	43	30,7	26,2	32,2	A
2	97	160	63	39,4	26,2	27,5	B
3	97	104	7	6,7	26,2	22,4	C
4	97	112	15	13,4	26,2	19,9	C

190 533

Przykład IV

Wykonano inną serię włóknin kompozytowych sposobem według wynalazku, tak jak to przedstawiono w przykładzie I, stosując różne mieszanki proszkowe. Średnica włókienek, z których zbudowane były włókniny wynosiła 6 pm. Polipropylen wytłacza się z dyszy znajdującej się w głowicy, nagrzanej do temperatury 336°C z prędkością 50 g/h/otwór. W przykładach użyto mieszanki następujących substancji proszkowych: chitozanu C (600 pm) - CH, węgla aktywnego A-1 (0-300 pm) - C i karboksymetylocelulozy (10 pm) - CMC. Charakterystykę otrzymanych włóknin kompozytowych podano w tabeli 4.

Tabela 4

Nr próby	Masa powierzchniowa włókniny	Zawartość mieszanki	Opory przepływu powietrza włókniny	Rodzaj mieszanki
bazowa [g/m2]	kompozyt. [g/m2]	[g/m2]	[% wag]	bazowej [Pa]	kompozyt. [Pa]
1	97	245	148	60,4	26,2	21,6	C:CH 1:2
2	97	202	105	52,0	26,2	25,2	C:CH 1:3
3	97	104	7	6,7	26,2	23,2	C:CH:CMC 1:1:1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania włókninowego materiału kompozytowego polegający na formowaniu runa w postaci warstwy splątanych włókien, bezpośrednio ze stopionego polimeru włóknotwórczego wytłaczanego przy użyciu sprężonego powietrza i wprowadzaniu w strumień tak otrzymanych włókienek środka adsorpcyjnego w postaci proszku, znamienny tym, że materiał adsorpcyjny w postaci proszku poddaje się obróbce wstępnej polegającej na aktywacji poprzez proces fluidyzacji, przy czym w procesie tym nadaje się cząstkom proszku ładunek elektrostatyczny przeciwny do ładunku występującego na włókienkach przed wprowadzeniem w ich strumień tych cząsteczek, a następnie utworzoną zawiesinę naelektryzowanych cząstek proszku wprowadza się pod ciśnieniem 0,02-0,10 MPa wprost w strumień wytłaczanych sprężonym powietrzem włókienek, w miejscu oddalonym od dyszy, w którym włókienka są jeszcze plastyczne, a otrzymaną mieszaninę odbiera się na urządzeniu odbierającym w postaci bębna lub transportera taśmowego, przy czym w strukturę włókniny wprowadza się całkowitą ilość substancji proszkowej w granicach od 5 do 90% wagowych.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako polimer włóknotwórczy stosuje się poliolefiny, poliamidy, poliestry, polimetakrylan metylu, polistyren, poliwęglan, kopolimery.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w trakcie obróbki wstępnej miesza się w dowolnym stosunku dwa lub kilka rodzajów substancji proszkowych.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wytwarza się z polimeru włóknotwórczego włókienka o średnicy od 0,1 pm do 25 pm.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się środek adsorpcyjny w postaci proszku, którego cząstki mają wielkość ziarna od minimalnej możliwej do wytworzenia do 600 pm.