CC BY
127
УДК 541.64:678
М. Ф. Галиханов, А. А. Перепелкина
ЭЛЕКТРЕТНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИПРОПИЛЕНОВЫХ НЕТКАНЫХ ПОЛОТЕН «СПАНБОНД» РАЗЛИЧНЫХ МАРОК
Ключевые слова: полипропилен, нетканое полотно, электрет, фильтрование, парфюмерная жидкость.
В статье приводятся данные по исследованию электретных и фильтрационных свойств полипропиленовых нетканых полотен с различной плотностью. Использование таких материалов для фильтрации парфюмерной жидкости снижает скорость фильтрации из-за влияния на процессы смачивания, впитываемости и диффузии поляризационного заряда в волокнах полипропилена.
Keywords: nonwoven polypropylene fabric, electret, filtering, perfume liquid.
The paper deals with data on studying electret and filtration properties of the nonwoven polypropylene fabrics with various densities. Utilization of the material for perfume liquid filtration reduces filtration rate due to effects of wetting, absorbency and polarization charge diffusion in polypropylene fibers.
Введение
В последние несколько лет активно изучаются электретные свойства волокнистых полимерных материалов на основе полипропилена [1-4]. Это связано с востребованностью подобных электретов в современных технике и технологиях, например при фильтрации различных сред, в упаковке, в медицине [5-7].
Уникальные структура и комплекс свойств полипропиленовых нетканых полотен (волокнитов) задаются и регулируются в процессе их получения. Разнообразный марочный ассортимент с различными эксплуатационными характеристики обуславливает необходимость методического изучения электрофизических свойств, в т.ч. -исследование закономерностей и механизмов релаксации электретного заряда.
Целью настоящей работы явилось изучение электретных свойств нетканых полипропиленовых полотен различных марок и оценка их фильтрующей способности.
Экспериментальная часть
Объектами исследования служили полипропиленовые полотна, получаемых по технологии «спанбонд» фильерным способом, который заключается в следующем. Расплав полипропилена из экструдера выдавливается через фильеры в виде тонких непрерывных нитей, которые подхватываются горячим воздушным потоком, вытягиваясь в нем, и хаотично падают на движущийся транспортер. После термоскрепления нитей на каландре формируется полотно, структура которого зависит от скоростей экструзии, движения транспортера, технологических параметров процесса. В данной работе использовали полотна марок СС20, СС35, СС40, СС50, СС60, СС70, СС80, СС90 и СС100, где число означает поверхностную плотность материала (в г/м2).
Образцы размерами 80x80 мм электретировали в отрицательном коронном разряде при напряжении 15 кВ в течение 30 с. Предварительно
пленки выдерживались в термошкафу при 90°С в течение 600 с.
Измерение электретных характеристик (потенциала поверхности Уэ, эффективной поверхностной плотности зарядов аэф и напряженности электрического поля Е) полотен проводили с помощью измерителя параметров электростатического поля ИПЭП-1 (метод периодического экранирования приемного электрода), находящегося на расстоянии 2 см от поверхности электрета.
Фильтрующую способность оценивали как среднее значение 5 параллельных измерений, выраженное в секундах. Для этого образцы диаметром 10 см складывали в виде воронки и смачивали дистиллированной водой, затем за один прием выливали парфюмерную жидкость объемом 5 мл и измеряли время фильтрования. Парфюмерная жидкость состояла из 73 % этилового спирта, 8 % парфюмированной композиции и 19 % дистиллированной воды.
Результаты и их обсуждение
Исследования показали, что электретные характеристики полипропиленовых волокнитов напрямую зависят от их структуры - чем больше поверхностная плотность материала, тем выше значения их Уэ, аэф и Е (рис. 1, табл. 1, 2).
Рост значений потенциала поверхности, эффективной поверхностной плотности зарядов и напряженности электрического поля при увеличении поверхностной плотности полотен связан с увеличением протяженности площади границы раздела фаз «полимер - воздух», которая выступает в качестве поставщика ловушек для инжектированных носителей зарядов.
Кроме того, нельзя игнорировать и очевидное увеличение количества электретируемого полипропилена в составе полотен. Не случайно полипропилену, как материалу с хорошими электретными свойствами, уделяется большое внимание в научном мире [8-10].
Рис. 1 - Спад полипропиленовых времени
потенциала поверхности нетканых полотен во
Таблица 1 - Электретные характеристики полипропиленовых нетканых полотен различных марок на 12-е сутки хранения
Марка Уэ, кВ мкКл/м2 Е, кВ/м
СС20 0,09 0,046 5,82
СС35 0,11 0,052 6,95
СС40 0,10 0,052 6,67
СС50 0,12 0,069 7,35
СС60 0,09 0,057 5,23
СС70 0,12 0,078 6,95
СС80 0,13 0,103 7,82
СС90 0,16 0,106 7,25
СС100 0,17 0,125 7,07
Таблица 2 - Электретные характеристики полипропиленовых нетканых полотен различных марок на 20-е сутки хранения
Марка Уэ, кВ мкКл/м2 Е, кВ/м
СС20 0,06 0,028 4,79
СС35 0,09 0,030 6,11
СС40 0,07 0,030 5,88
СС50 0,10 0,044 6,66
СС60 0,06 0,039 4,13
СС70 0,10 0,059 5,58
СС80 0,11 0,087 7,06
СС90 0,13 0,101 7,04
СС100 0,14 0,113 6,82
Развитие индустрии парфюмерии, выраженное в том числе в увеличении ассортимента и объемов выпуска парфюмерной продукции диктуют высокие требования к качеству продукта, особенно, в условиях конкуренции. Особое внимание уделяется прозрачности парфюмерной жидкости и отсутствию в ней посторонних включений, наличие которых возможно при нарушении технологического процесса ее приготовления [11]. Для фильтрации парфюмерных жидкостей применяются и простейшие стеклянные воронки с фильтровальной бумагой, и сложнейшие фильтрованные устройства [12]. Актуальным и
своевременным направлением в науке и технологии является усовершенствование и модификация применяемых на производстве фильтров или их отдельных элементов, например, придание им электретного состояния.
Из данных рисунка 1 и таблиц 1, 2 ясно, что полипропиленовые нетканые полотна всех марок достаточно длительное время сохраняют определенный уровень электретных характеристик. Этого времени достаточно для проведения эксперимента по определению времени фильтрования парфюмерной жидкости, который и проводили в дальнейшем (табл. 3).
Таблица 3 - Время фильтрования парфюмерной жидкости образцами полипропиленовых нетканых полотен
Марка Без электретирования После электретирования
СС20 7,6 9,0
СС35 9,2 9,6
СС40 9,0 11,6
СС50 11,0 12,0
СС60 14,2 14,8
СС70 12,6 14,6
СС80 15,2 16,4
СС90 18,2 19,4
СС100 18,6 22,6
Видно, что образцы, обработанные в электрическом поле, имеют более низкую скорость фильтрации, чем образцы без обработки. Различие связано с возникновением поляризационного заряда, который заключается в нарушении статистически равновесного распределения в материале заряженных частиц и появлении отличного от нуля результирующего электрического момента. Это, в свою очередь, влияет на процессы смачивания, впитываемости и диффузии [13-15], которые неизменно происходят в момент фильтрации жидкости через полипропиленовые нетканые полотна.
Тот же эффект, что наличие электретного заряда материала приводит к снижению скорости фильтрования через него наблюдался и ранее при исследовании целлюлозно-бумажных материалов [16].
Заключение
Таким образом, лучшими электретными свойствами обладают полипропиленовые нетканые волокна с большей плотностью. Использование таких материалов для фильтрации парфюмерной жидкости снижает скорость фильтрации из-за влияения на процессы смачивания, впитываемости и диффузии поляризационного заряда в волокнах полипропилена.
Литература
1. Кравцов А.Г., Зотов С.В., Брюниг Г. Особенности электретного состояния melt-spun и melt-blown волокнистых материалов из полипропилена. // Механика
композитных материалов. - 2000. - Т. 36. - № 6. - С. 819-830.
2. Кожевникова Н.О., Гороховатский И.Ю. О природе электретного состояния в тонких пленках и волокнитах на основе полипропилена. // Материаловедение. - 2005. - № 1. - С. 10-18.
3. Гороховатский Ю.А., Темнов Д.Э. Электретные свойства полимерных волокнистых материалов на основе полипропилена. // Перспективные материалы. -2006. - № 1. - С. 68-72.
4. Темнов Д.А., Кожевникова Н.О., Иванова Н.В., Гороховатский И.Ю., Петрова А.А. Исследование волокнистых полимеров методами изотермической и термостимулированной релаксации потенциала. // Изв. Рос. гос. пед. ун-та им. А.И. Герцена: Физика: Научный журнал. - СПб, 2006. - № 6 (15). - С. 192-201.
5. Yang, Z.Z., Lin, J.H., Tsai, I.S., Kuo, T.Y. Particle filtration with an electret of nonwoven polypropylene fabric // Textile Research Journal. - 2002. - V. 72, Issue 12. - P. 10991104.
6. Xiao, H.-M., Xie, W.-H., Chen, G.-J. Study on filtration performance and mechanism of melt-blown polypropylene electret web used as air filter material against challenge aerosols with different chemical properties // Gongneng Cailiao/Journal of Functional Materials. - 2013. - V. 44, Issue 7. - P. 936-939.
7. Yovcheva T. Corona charging of synthetic polymer films. -New York: Nova Science Publishers Inc, 2010. - 60 p.
8. Yovcheva T.A., Mekishev G.A., Marinov A.T. A percolation theory analyses of surface potential decay related to corona charged polypropylene (PP) electrets. // J. Phys.: Condens. matter. - 2004. - № 16. - P. 455-464.
9. Ходяков А. А., Громов В. В. Закономерности электризации полипропилена. // Материаловедение. -2004. - № 3. - С. 41-43.
10. Фомичева Е.Е., Темнов Д.Э., Галиханов М.Ф. Релаксационные процессы в композитных пленках полипропилена // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - № 10. - С. 223-230.
11. Башура А.Г., Половко Н.П., Гладух Е.В., Петровская Л.С., Баранова И.И., Ковалева Т.Н., Зуева А.С. Технология косметических и парфюмерных средств: учебное пособие. - Х.: Изд-во НФАУ: Золотые страницы, 2002. - 272 с.
12. Макаров-Землянский А.Н. Технология и оборудование парфюмерного производства. - М.: Изд-во «Пищевая промышленность», 1964. - 190 с.
13. Гольдаде В.А. Электретные композитные материалы на основе полимеров: основные свойства и новые области применения. // Механика композит. Материалов. - 1998. - Т.34, №2. - С.153 - 162.
14. Плевачук В.Г., Вертячих И.М., Гольдаде В.А., Пинчук Л.С. Влияние заряда полимерного электрета на растекание жидкости // Высокомолекул. соед. Сер. А. -1995. - Т. 37, № 10. - С. 1728.
15. Вертячих И.М., Гольдаде В.А., Неверов А.С., Пинчук Л.С. Влияние электрического поля полимерного электрета на сорбцию паров органического растворителя // Высокомолек. соед. Сер. В. - 1982. - Т. 24, № 9. - С. 683.
16. Перепелкина Д.А., Галиханов М.Ф., Перепелкина А.А., Мусина Л.Р. Влияние электретного состояния на время фильтрования парфюмерной жидкости целлюлозно-бумажным материалом // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17, № 23. -С. 182-185.
© М. Ф. Галиханов, д-р техн. наук, проф. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, [email protected]; А. А. Перепелкина, аспирант той же кафедры, [email protected].
© M. F. Galikhanov, professor, Dr. Tech. Sci., professor of the Department of processing technology of polymers and composite materials of Kazan national research technological university, [email protected]; A. A. Perepelkina, Ph.D. student, Department of processing technology of polymers and composite materials of Kazan national research technological university, [email protected].
