RU2585667C2 - Способ получения антистатического полипропиленового волокна с улучшенными механическими свойствами - Google Patents
Способ получения антистатического полипропиленового волокна с улучшенными механическими свойствами Download PDFInfo
- Publication number
- RU2585667C2 RU2585667C2 RU2012105048/05A RU2012105048A RU2585667C2 RU 2585667 C2 RU2585667 C2 RU 2585667C2 RU 2012105048/05 A RU2012105048/05 A RU 2012105048/05A RU 2012105048 A RU2012105048 A RU 2012105048A RU 2585667 C2 RU2585667 C2 RU 2585667C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mechanical properties
- polypropylene
- fiber
- improved mechanical
- polymer
- Prior art date
Links
Classifications
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F6/00—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof
- D01F6/02—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
- D01F6/04—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polyolefins
- D01F6/06—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polyolefins from polypropylene
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Textile Engineering (AREA)
- Artificial Filaments (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
- Spinning Methods And Devices For Manufacturing Artificial Fibers (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способу получения антистатического полипропиленового волокна с улучшенными механическими свойствами, которое может быть использовано в машиностроении, химической, электротехнической и легкой промышленности. Сущность способа заключается в том, что экструдированные из расплава волокна на основе полипропилена (ПП), наполненные углеродными наночастицами, подвергают восьмикратной ориентационной вытяжке. Вытяжку осуществляют в два этапа: при температуре 150°С вначале волокно вытягивается в четыре раза, затем еще в два раза. Изобретение позволяет получить полипропиленовые композиционные волокна с улучшенными физико-механическими свойствами. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.
Description
Изобретение относится к способу получения антистатического полипропиленового волокна с улучшенными механическими свойствами, которое может быть использовано в машиностроении, химической, электротехнической и легкой промышленности.
В сфере производства волокон полипропилен (ПП) имеет существенные преимущества над другими полимерами. Полипропиленовые волокна имеют относительно низкую стоимость, высокую прочность и прекрасные эластичные свойства. Однако производство и эксплуатация полимерных материалов и изделий из них иногда вызывает трудности, связанные с одной присущей этим материалам особенностью, т.е способностью создавать, сохранять и передавать электростатические заряды. Возникновение заряда проявляется в усиленном притяжении пыли, образовании наносов загрязнений, а иногда и в настоящих электрических разрядах, которые могут быть причиной пожара или даже взрыва (в определенных условиях). Также статическое электричество вызывает значительные трудности в процессе прядения синтетических волокон. Все эти факторы привели к необходимости создания новых химических средств - антистатических материалов, которые предназначены для подавления условий возникновения электростатических зарядов [Гуль В.Е., Шенфиль Л.З. Электропроводящие полимерные композиции. М.: Химия, 1984, 240 с.].
Анализ современного уровня техники показывает, что для придания материалам антистатических свойств используют дисперсные наполнители, такие как сажа, графит, порошки металлов, наноматериалы.
При введении в полимер порошков металлов: Cu, Al, Ni, Zn, Au, Ag, существенным недостатком таких материалов [патент US 5935706] является то, что достаточно высокая электропроводность достигается только при высоких концентрациях наполнителей, поскольку на поверхности частиц многих из доступных металлов в большинстве случаев присутствует окисная пленка, препятствующая переносу носителей между частицами наполнителя. Кроме того, плотность металла намного превышает плотность полимера, что сильно утяжеляет композит.
Наиболее широко используемым электропроводящим наполнителем является технический углерод. Такой наполнитель позволяет придать полимерной матрице антистатические свойства, не повышая при этом плотность готового материла [заявка RU 97117.984 А]. Однако стоит отметить, что антистатические свойства проявляются у полимера только при достаточно высоких концентрациях технического углерода, а механические свойства получаемого композиционного материала при этом ухудшаются.
В последние годы все более важную роль начинают играть наполнители с размером частиц от нескольких нанометров до десятков нанометров, применяющиеся для приготовления нанокомпозитов. Наиболее часто используются следующие типы наноразмерных наполнителей: углеродные нановолокна (УНВ), одностенные нанотрубки (ОСУНТ) и многостенные нанотрубки (МСУНТ).
При введение таких наночастиц в полимерные материалы удается значительно улучшить существующие и придать новые не характерные для данного материала свойства, в том числе барьерные и механические свойства. Значительное влияние наночастиц на свойства полимерных материалов обусловлено большой удельной поверхностью наночастиц, за счет которой значительно увеличивается степень развитости контакта фаз и соответственно увеличивается доля полимерной матрицы, находящейся в поле действия поверхности наноразмерных частиц. Значительный эффект от введения наночастиц в полимерные материалы возможен лишь при хорошем их диспергировании и равномерном распределении в полимерной матрице [Dimitrios Bikiaris. Microstructure and Properties of Polypropylene/Carbon Nanotube Nanocomposites. Materials №3, 2010, P. 2884-2946].
Анализ современного уровня техники показывает, что вопрос получения антистатических ориентированных волокон на основе полипропиленовой матрицы с улучшенными механическими свойствами изучен мало.
Наиболее близким к заявляемому способу получения антистатического полипропиленового волокна с улучшенными механическими свойствами является способ [US 7094467] (прототип), который заключается в получении волокна путем смешивания в экструдере термопластичного полимера и углеродных нанотрубок, последующей экструзии волокна из указанной смеси. Затем волокно подвергается четырехкратной вытяжке, осуществляемой в три этапа. Вначале волокно вытягивается в 3 раза, затем в 1.05 раз, а затем слегка усаживается на 0,95 раз. Полученные таким образом волокна имеют диаметр от 0.1 мм до 1.0 мм, поверхностное сопротивление составляет 104-109 Ом/кв, прочность при растяжение больше чем 1.5 г/ден.
Существенным недостатком таких волокон является их не максимально возможные значения механических характеристик, достигаемые при больших степенях вытяжки полимера. Максимально возможная степень вытягивания полипропилена может достигать 8-10 раз, что позволяет получить материал с высоким уровнем прочности и жесткости [Амброж И., Беллуш Д., Дячик И. и др. Полипропилен; под ред. Пилипского В. и Ярцева И. Л.: Химия, 1967, 316 с.].
Технической задачей и положительным результатом предлагаемого способа является возможность получения антистатического волокна на основе полипропиленовой матрицы с улучшенными механическими свойствами. Поставленная задача достигается экструзией волокна из расплава смеси полипропилена с углеродными наночастицами: многостенные и одностенные нанотрубки, углеродные нановолокна. Затем волокно подвергается максимально возможной ориентационной вытяжке в восемь раз (λ=8). Вытяжка волокна осуществляется в два этапа: при температуре 150°С вначале волокно вытягивается в четыре раза, затем еще в два раза.
При исследовании известного уровня техники не было выявлено аналогичных решений, которые характеризовались бы идентичной совокупностью существенных признаков с достижением такого же технического результата, какой получен в предлагаемом методе, что позволяет сделать вывод о его соответствии критериям «новизна» и «изобретательский уровень». Заявляемый способ получения антистатического полипропиленового волокна с улучшенными механическими свойствами может быть реализован в промышленности с целью снижения накопления статического электричества в производстве и эксплуатации полимеров, а улучшенные механические свойства полипропиленового волокна позволяют расширить область его применения, что говорит о соответствии предлагаемого технического решения критериям «промышленная применимость».
Изготовление волокон согласно разработанному способу производилось по расплавной технологии. В качестве полимерной матрицы использовался изотактический полипропилен марки Бален 01270. В качестве наполнителей использовались: углеродные нановолокна VGCF-H, многостенные углеродные нанотрубки марки СTube-100, одностенные углеродные нанотрубки ОСУНТ-60. Свойства электропроводящих наполнителей представлены в таблице 1.
Таблица 1 - свойства электропроводящих наполнителей | |||
Наименование показателя, единицы измерения | Углеродные нановолокна VGCF | Углеродные нанотрубки | |
многостенные CTube-100 | Одностенные ОСУНТ-60 | ||
Среднеарифметический диаметр частиц, нм | 150 | 10-40 | 6-7 |
Длина, мкм | ~5 | 1-25 | 1-10 |
Осевое соотношение, отн. ед. | ~30 | ≤1000 | >350 |
Начальный модуль упругости, ГПа | 500 | 800-900 | 1000-1500 |
Электрическое сопротивление, Ом*м | 10-6 | 5·10-7-8·10-3 | 10-6 |
Вначале исходные гранулы полипропилена измельчались с помощью аналитической мельницы ГКА АН до состояния порошка с характерным размером частиц менее 1 мм. Затем навеска полученного порошка смешивалась в вибрационной шаровой мельнице с заданным количеством дисперсного наполнителя. Смешение осуществлялось в течение 30 мин при комнатной температуре. Концентрации наполнителей в полимерной матрице составляли: КУНВ=0, 3, 5%; КМСУНТ=0, 1, 2, 3% и КОСУНТ=0, 0.7, 1%. Содержание наполнителя рассчитывалось по массовой доле полимера.
Далее производилось диспергирование наполнителя в расплаве полипропилена. Для этого использовался двухшнековый микрокомпаундер DSM Xplore 5 ml Microcompounder. Смешение осуществлялось в течение 5 мин при температуре 200°С и скорости вращения шнеков 75 об/мин. После этого происходило формование исходного волокнистого материала с помощью установленной на выходе микрокомпаундера фильеры с диаметром 1 мм. Сразу после выхода из фильеры производилось быстрое охлаждение материала плоской струей сжатого воздуха из так называемого «воздушного ножа». Затем охлажденный материал наматывался с постоянной скоростью на катушки приемного устройства. В результате были получены невытянутые волокна, содержащие различные концентрации трех типов углеродных наполнителей. Диаметр невытянутого волокна составлял 400-600 мкм.
Затем полученные композиционные волокна подвергались вытяжке в восемь раз на специальном вытяжном оборудовании. Неориентированное волокно перематывалось между двумя вальцами, проходя сквозь область, нагреваемую до 150°С. За счет задаваемой разницы в скоростях вращения вальцов происходила максимально возможная ориентационная вытяжка волокна в области нагрева. Вначале волокно вытягивалось в четыре раза, затем еще в два раза. Таким образом, были получены образцы с восьмикратной степенью вытяжки (λ=8). Диаметры полученных волокон составляли 150-180 мкм.
Данный способ позволяет получить антистатическое волокно с улучшенными механическими свойствами в следующем соотношении компонентов:
Образец 1: ПП Бален 01270 - 99.0 мас.%
МСУНТ CTube-100 - 1.0 мас.%
Образец 2: ПП Бален 01270 - 98.0 мас.%
МСУНТ CTube-100 - 2.0 мас.%
Образец 3: ПП Бален 01270 - 97.0 мас.%
МСУНТ CTube-100 - 3.0 мас.%
Образец 4: ПП Бален 01270 - 99.3 мас.%
ОСУНТ ОСУНТ-60 - 0.7 мас.%
Образец 5: ПП Бален 01270 - 99.0 мас.%
ОСУНТ ОСУНТ-60 - 1.0 мас.%
Образец 6: ПП Бален 01270 - 97.0 мас.%
УНВ VGCF-H - 3.0 мас.%
Образец 7: ПП Бален 01270 - 95.0 мас.%
УНВ VGCF-H - 5.0 мас.%
Эксперименты показали, что выход за указанные пределы концентраций наполнителей приводит к существенному ухудшению прочности волокон, что свидетельствует о выборе наиболее оптимальных режимов и параметров получения антистатического полипропиленового волокна с улучшенными механическими свойствами.
Свойства полученных волокон представлены в таблице 2. Как видно из таблицы, волокна, наполненные нанотрубками, обладают антистатическими свойствами: удельное электрическое сопротивление ρv=105-108 Ом·м, а наполненные углеродными нановолокнами обладают уже проводящими свойствами: ρv=104 Ом·м, такой эффект объясняется хорошим диспергированием данного наполнителя в матрице полипропилена.
Таблица 2 - Свойства полипропиленовых волокон, полученных по заявляемому способу | ||||
№ образца | Показатели | |||
Удельное электрическое сопротивление, Ом*м | Прочность при разрыве, МПа | Относительная деформация, % | Модуль упругости, ГПа | |
Чистый ПП* | 1014 | 380 | 53 | 3,0 |
1 | 1,3*108 | 420 | 43 | 4,85 |
2 | 2.4*107 | 440 | 31 | 4,85 |
3 | 3,1*105 | 404 | 33 | 4,9 |
4 | 1,7*108 | 506 | 35 | 4,1 |
5 | 8,0*107 | 512 | 31 | 4,3 |
6 | 6,2*104 | 498 | 23 | 4,3 |
7 | 5,6*104 | 453 | 23 | 4,4 |
* - пример из не заявляемой области
Прочность полученных волокон возрастает на 15% при введении многостенных нанотрубок, на 30% при введении одностенных нанотрубок и нановолокон. Жесткость композиционных моноволокон возрастает примерно в 1,5 раза, а пластические свойства при этом остаются приемлемыми для использования данных материалов в промышленности. Относительная деформация не менее 20%.
Для исследования проводящих свойств полипропиленовых композиционных волокон были получены их вольт-амперные характеристики. Измерения проводились по двухконтактной методике на постоянном токе в диапазоне напряжений от -100 В до +100 В с использованием автоматизированной установки для измерения ВАХ на основе пикоамперметра Keithley 6487 и программируемого источника питания АКИП-1124.
Исследования по изучению деформационно-прочностных свойств полученных волокон (получение диаграмм растяжения) проводились на универсальной установке Instron-1122 со скоростью нагружения от 50 мм/мин. Из полученных диаграмм растяжения были расчитаны значения напряжения при разрыве и относительного удлинения. Значения начального модуля жесткости определялись дифференцированием начального участка диаграмм растяжения.
Таким образом, предлагается способ получения антистатического полипропиленового волокна с улучшенными механическими свойсвами, включающий стадии смешивания в экструдере расплава полипропилена и углеродных нанотрубок в количестве 1-3 мас.% и экструзии волокна из этой смеси, далее волокно подвергают восьмикратной ориентационной вытяжке, которую осуществляют в два этапа: при температуре 150°С вначале волокно вытягивают в четыре раза, затем еще в два раза. Одностенные нанотрубки вводятся в количестве 0.7-1% по массе полимера. Углеродные нановолокна вводятся в количестве 3-5% по массе полимера.
Таким образом, заявляемый способ получения антистатического полипропиленового волокна с улучшенными механическими свойствами за счет введения углеродных наночастиц: многостенные, одностенные нанотрубки, углеродные нановолокна, и восьмикратной ориентационной вытяжки позволяет существенно снизить электрическое сопротивление полимерного материала при одновременном увеличении его показателей механических свойств.
Claims (4)
1. Способ получения антистатического полипропиленового волокна с улучшенными механическими свойствами, включающий стадии смешивания в экструдере расплава полипропилена и углеродных наночастиц и экструзии волокна из этой смеси, отличающийся тем, что волокно подвергают восьмикратной ориентационной вытяжке, которую осуществляют в два этапа: при температуре 150°С вначале волокно вытягивают в четыре раза, затем еще в два раза.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вводятся многостенные нанотрубки в количестве 1-3% по массе полимера.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вводятся одностенные нанотрубки в количестве 0,7-1% по массе полимера.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вводятся углеродные нановолокна в количестве 3-5% по массе полимера.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012105048/05A RU2585667C2 (ru) | 2012-02-15 | 2012-02-15 | Способ получения антистатического полипропиленового волокна с улучшенными механическими свойствами |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012105048/05A RU2585667C2 (ru) | 2012-02-15 | 2012-02-15 | Способ получения антистатического полипропиленового волокна с улучшенными механическими свойствами |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012105048A RU2012105048A (ru) | 2013-08-20 |
RU2585667C2 true RU2585667C2 (ru) | 2016-06-10 |
Family
ID=49162530
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012105048/05A RU2585667C2 (ru) | 2012-02-15 | 2012-02-15 | Способ получения антистатического полипропиленового волокна с улучшенными механическими свойствами |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2585667C2 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU180397U1 (ru) * | 2018-04-03 | 2018-06-13 | Общество с ограниченной ответственностью "Артек Композитс" (ООО "Артек Композитс") | Площадка технического обслуживания |
RU2735321C1 (ru) * | 2019-09-20 | 2020-10-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Текстиль и Техника" | Способ получения антистатического полипропиленового волокна |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1054036A1 (en) * | 1999-05-18 | 2000-11-22 | Fina Research S.A. | Reinforced polymers |
RU2172755C2 (ru) * | 1996-01-31 | 2001-08-27 | Кабот Корпорейшн | Сажа и полимерная композиция на ее основе |
US7094467B2 (en) * | 2004-07-20 | 2006-08-22 | Heping Zhang | Antistatic polymer monofilament, method for making an antistatic polymer monofilament for the production of spiral fabrics and spiral fabrics formed with such monofilaments |
-
2012
- 2012-02-15 RU RU2012105048/05A patent/RU2585667C2/ru active IP Right Revival
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2172755C2 (ru) * | 1996-01-31 | 2001-08-27 | Кабот Корпорейшн | Сажа и полимерная композиция на ее основе |
EP1054036A1 (en) * | 1999-05-18 | 2000-11-22 | Fina Research S.A. | Reinforced polymers |
US7094467B2 (en) * | 2004-07-20 | 2006-08-22 | Heping Zhang | Antistatic polymer monofilament, method for making an antistatic polymer monofilament for the production of spiral fabrics and spiral fabrics formed with such monofilaments |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
"Влияние ориентационной вытяжки на физико-механические свойства полипропиленовых пленочных нитей, наполненных наночастицами технического углерода" Цобкалло Е.С., Баланёв А.С., Юдин В.Е., Москалюк О.А. Известия вузов. Технология легкой промышленности. 2010. . * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU180397U1 (ru) * | 2018-04-03 | 2018-06-13 | Общество с ограниченной ответственностью "Артек Композитс" (ООО "Артек Композитс") | Площадка технического обслуживания |
RU2735321C1 (ru) * | 2019-09-20 | 2020-10-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Текстиль и Техника" | Способ получения антистатического полипропиленового волокна |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012105048A (ru) | 2013-08-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Du et al. | The present status and key problems of carbon nanotube based polymer composites | |
Wen et al. | The electrical conductivity of carbon nanotube/carbon black/polypropylene composites prepared through multistage stretching extrusion | |
Jimenez et al. | Electrically conductive polymer nanocomposites of polymethylmethacrylate and carbon nanofibers prepared by chaotic mixing | |
Eun et al. | Effect of MWCNT content on the mechanical and piezoelectric properties of PVDF nanofibers | |
Lee et al. | Electrically conductive and strong cellulose-based composite fibers reinforced with multiwalled carbon nanotube containing multiple hydrogen bonding moiety | |
CN1320555C (zh) | 取向增强聚合物材料,其制备方法及其用途 | |
US20120282453A1 (en) | Carbon nanotube composites and methods and apparatus for fabricating same | |
Kou et al. | A mini review on nanocarbon-based 1D macroscopic fibers: assembly strategies and mechanical properties | |
KR20140030975A (ko) | 신축성 전도성 나노섬유 및 그 제조방법 | |
CN104099684A (zh) | 一种聚合物/填料/金属复合纤维及其制备方法 | |
CN104099683B (zh) | 一种聚合物/导电填料/金属复合纤维及其制备方法 | |
Almuhamed et al. | Measuring of electrical properties of MWNT‐reinforced PAN nanocomposites | |
Dai et al. | Mechanical properties of carbon nanotubes-polymer composites | |
Strååt et al. | Conducting bicomponent fibers obtained by melt spinning of PA6 and polyolefins containing high amounts of carbonaceous fillers | |
KR20150140776A (ko) | 폴리머/충전제/금속 복합 섬유 및 이의 제조 방법 | |
CN109810448A (zh) | 导电树脂组合物及其制备方法 | |
RU2585667C2 (ru) | Способ получения антистатического полипропиленового волокна с улучшенными механическими свойствами | |
WO2009053470A1 (en) | Conductive polymer composite | |
Mathur et al. | Properties of PMMA/carbon nanotubes nanocomposites | |
KR101308183B1 (ko) | 전도성 고분자 복합체 및 이의 성형방법 | |
Verma et al. | A review on the effect of processing techniques and functionalization of filler on mechanical properties of polymer nanocomposites | |
Kim et al. | Influence of the draw ratio on the mechanical properties and electrical conductivity of nanofilled thermoplastic polyurethane fibers | |
Li et al. | Anisotropic properties of aligned SWNT modified poly (methyl methacrylate) nanocomposites | |
WO2009069565A1 (en) | Molded articles, process for producing the molded articles, and use of the molded articles | |
Sharma et al. | Carbon nanotube composites: critical issues |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160718 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20170616 |