СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОСТОЙКОГО НЕТКАНОГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к области производства нетканых материалов на основе синтетического волокна, а именно арамидного нагревостойкого трудносгорающего и самозатухающего, предназначенных, например, для использования в качестве основы композиционных слоистых материалов конструкционного назначения и межслойной изоляции в сухих трансформаторах.

Известен способ обработки нетканых материалов, полученных клеевым способом, с помощью агентов, способствующих набуханию (АСН), которые используются в виде растворов в органических растворителях [Патент Великобритания №924928, МПК D04H 1/54; D04H 1/552 Improvements relating to a bonded fibrous structure, 01.05.1963].

Нанесение АСН производят обработкой в тарах или разбрызгиванием с последующим отжимом. Недостатком этого способа упрочнения нетканых материалов является использование органических растворителей, что усложняет проведение процесса обработки, требует применения систем регенерации и рекуперации органических растворителей, ухудшает условия труда.

Известно также, что для улучшения внешнего вида, повышения прочности на разрыв и устойчивости к истиранию нетканый клеевой материал из смеси нейлоновых и целлюлозных волокон обрабатывают раствором фенольного соединения, что вызывает набухание волокон [Патент Великобритания №930541, МПК D04H 1/06; D04H 1/4258; D04H 1/4334; D04H 1/50; D04H 1/587; D04 H1/64; D04H 1/65; D06M 13/152, Improvements in and relating to non-woven fabrics 03.07.1963]. Реализация этого способа затруднительна по причине высокой вредности соединений фенола и сложности очистки сточных вод.

Описан также способ упрочнения нетканых материалов с помощью кислот [Патент США №3647591, МПК B32B 27/00, D04H 1/54, Acid bonding nonwoven fabrics, 07.03.1972]. Недостатки этого способа очевидны, поскольку необходимость применения сильных минеральных кислот усложняет процесс обработки и требует применения специального оборудования.

Известен бумажный материал, используемый в качестве основы слоистых композитов электротехнического и конструкционного назначения, Материал содержит, мас. %: фибриды из полиметафениленизофталамида 50-90 и в качестве резаного арамидного волокна - волокно из гетероароматического полиамида 10-95. Использование указанного волокна позволяет снизить горючесть, повысить термостабильность и прочность на разрыв материала при сохранении его удлинения при растяжении [Патент Россия №1779083, МПК D21H 27/12; D21H 13:26. Бумажный материал, используемый в качестве основы слоистых композитов электротехнического и конструкционного назначения, 25.12.1990]. Однако получение данного материала осуществляется по затратной, дорогостоящей и трудоемкой схеме. Кроме того, использование при получении описанного материала фибридов предполагает наличие в конечном материале продуктов неполной полимеризации, что может негативно отразиться на термостойкости и прочностных характеристиках.

Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности является способ обработки иглопробивного нетканого материала [Авт. свид. СССР 606909 на изобретение: Способ обработки иглопробивного нетканого материала, МПК D04H 1/50, 22.12.1976]. В данном способе нетканый иглопробивной материал из ароматических полиамидов, например фенилона, сульфона-4Т, пропитывают при 80-85°C водным раствором, содержащим 3-7% хлорида цинка и дополнительно 3-7 вес. % хлорида кальция, сушат до влажности 30-40%, а после сушки каландрируют или прессуют при 220-240°C. Растворяющая способность указанного водного раствора солей хлоридов цинка и кальция является достаточной для ароматических полиамидных волокон, например фенилона, сульфона-4Т. Данный способ может быть использован для создания тепло- и электроизоляционных, а также фильтрующих материалов из термостойких волокон. Прочность получаемых по данному способу материалов с поверхностной плотностью 150 г/м² составляет 38,0 кгс/5*см (380 Н). Удлинение при разрыве - 9%. Указанная прочность достаточна для применения создания тепло- и электроизоляционных, а также фильтрующих материалов. Однако такая прочность недостаточна для использования в других целях, например создания композиционных слоистых материалов конструкционного назначения.

Техническим результатом является получение высокопрочного нетканого материала на основе арамидного волокна с высоким кислородным индексом (44±1%) за счет повышения растворяющей способности пропиточного раствора, вызывающего адгезию между волокнами.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения термостойкого нетканого материала из синтетических ароматических полиамидных волокон пропиткой при температуре 85°С волокнистого настила водным раствором хлорида цинка и кальция с последующим отжимом, сушкой до влажности 30-40%, каландрированием при температуре 220°С и промывкой, волокнистый настил с поверхностной плотностью 60-90 г/м² из резаных хаотично расположенных в горизонтальном и вертикальном направлениях под различными углами друг к другу арамидных термостойких, высокопрочных волокон с кислородным индексом 44±1%, полученный на листоотливном аппарате, пропитывают водным раствором, содержащим 10-12% хлорида цинка, 2-3% хлорида кальция и дополнительно 1-2% хлорида лития, и каландрирование осуществляют при давлении 100-120 кгс/см².

Существенными признаками заявленного решения является неразрывная совокупность приемов для получения нетканого материала, заключающаяся в том, что волокнистый настил с поверхностной плотностью 60-90 г/м² из резаных хаотично расположенных в горизонтальном и вертикальном направлениях под различными углами друг к другу арамидных термостойких, высокопрочных волокон с кислородным индексом 44±1% с длинной резки 3-4 мм марки СВМ, полученный на листоотливном аппарате, пропитывают водным раствором при температуре 80-85°C, содержащим 10-12% хлорида цинка, 2-3% хлорида кальция и дополнительно 1-2% хлорида лития, а после сушки каландрируют при температуре 220°С и давлении 100-120 кгс/см².

При пропитке волокнистого настила из арамидного волокна водным раствором, состоящим из хлоридов цинка, кальция и лития, происходит поверхностное набухание арамидного волокна при повышенной температуре, в результате чего поверхность волокон становится липкой, и такие волокна могут быть скреплены путем уплотнения материала. В процессе сушки происходит концентрирование раствора, который под воздействием сил тяжести скапливается в местах соприкосновения волокон и вызывает образование клейкого гель-слоя, который и служит адгезивом. Уже на стадии сушки обеспечивается взаимопроникновение макромолекул волокон и увеличение молекулярного контакта. Далее на стадии каландрирования при увеличении температуры и под воздействием давления происходит увеличение поверхности и числа контактов между волокнами. Под воздействием высокой температуры происходит испарение влаги, концентрирование солей, и волокна в местах их контакта прочно соединяются адгезионными связями.

Адгезия обусловливается межмолекулярными силами, что объясняет прочность материала.

Волокно СВМ основано на полиамидобензимидазоле (ПАБИ). Длина резки волокна составляет 3-4 мм. Кристаллическая природа полимера обеспечивает высокую термическую стабильность волокон, а наличие ароматических колец в структуре макромолекулы обусловливает химическую стабильность волокон.

Волокно СВМ отличается повышенным кислородным индексом (КИ), что характеризует его как высокотермостойкое. Кислородный индекс волокна равен 45%.

Волокнистый настил с поверхностной плотностью 60-90 г/м² из резаных хаотично расположенных в горизонтальном и вертикальном направлениях под различными углами друг к другу арамидных термостойких, высокопрочных волокон с кислородным индексом 44±1% % с длиной резки 3-4, полученный на листоотливном аппарате Раппид-Кетен, пропитывают при температуре 85°C в водном растворе, содержащем 10-12% хлорида цинка, 2-3% хлорида кальция и дополнительно 1-2% хлорида лития. После пропитки волокнистый материал отжимают до привеса массы 450-500%, сушат при температуре 120°C до остаточной влажности 30-40%, каландрируют при 220°C и давлении 100-120 кгс/см², отмывают от солей проточной водой и сушат до постоянной массы.

Стадия отмывки необходима для удаления остатков выкристаллизовавшейся соли с поверхности готового материала.

Пример 12. Волокнистый настил с поверхностной плотностью 80 г/м² из резаных хаотично расположенных в горизонтальном и вертикальном направлениях под различными углами друг к другу парарамидных термостойких, высокопрочных волокон с кислородным индексом 44±1% с длинной резки 3-4 мм (волокно СВМ) пропитывают при температуре 85°С в водном растворе, содержащем 10% хлорида цинка (ZnCk), 3% хлорида кальция (CaCl₂) и 2% хлорида лития (LiCl). Затем материал отжимают до привеса 450%, сушат при температуре 0°C до остаточной влажности 35%, каландрируют при 220°C и давлении 110 кгс/см², отмывают от солей проточной водой и сушат.

Полученный материал выдерживает нагрузку до 200 Н, его удлинение при разрушении составляет 1,7%. КИ равен 44±1. Диэлектрическая прочность равна 21 кВ/мм.

Остальные примеры представлены в таблице 1.

При изменении состава пропиточной ванны наибольшее влияние на свойства материала оказывает содержание компонента ZnCl₂. Как видно по данным таблицы, происходит увеличение прочности при повышении концентрации ZnCl₂ с 10 до 12%. В примерах 1-7 при варьировании содержания CaCl₂ и LiCl в трехкомпонентном пропиточном растворе стоит отметить, что оптимальным вариантом является содержание CaCl₂ и LiCl в количестве 2 и 1% соответсвенно, что видно по данным таблицы 2. В примерах 1-7 при таком содержании CaCl₂ и ZnCl₂ наблюдается заметный рост прочности и удлинения при разрыве материала. Повышенный рост показателей отмечается при использовании в заявленной технологии получения термостойкого нетканого материала пропиточного раствора с содержанием компонентов ZnCl₂, CaCl₂ и LiCl₂ 12, 2 и 1% соответственно (примеры 9-12). Состав пропиточного раствора ZnCl₂, CaCl₂ и LiCl₂ с содержанием компонентов 12, 2 и 1% соответственно обеспечивает наиболее высокие показатели прочности (137,2 Н) и эластичности (удлинение при разрыве 1,2%) (пример 9) за счет достижения высокой адгезии. КИ во всех случаях остается неизменным и составляет 44±1%.

При увеличении поверхностной плотности получаемых материалов происходит увеличение прочности и удлинения при разрыве (примеры 9-12). При этом КИ остается постоянным, равным 44±1%. Наибольшей прочности удается добиться на материале с ПП 80 г/м², для которого разрушающее усилие равно 200 Н, а удлинение при разрыве 1,7% (пример 12). При этом КИ остается неизменным.

При изменении влажности (примеры 13-15) волокнистого настила при сушке оптимальным показателем влажности является 35%. Такая влажность обеспечивает высокую прочность и удлинение при разрыве. Варьирование влажности при сушке не влияет на КИ.

При изменении давления при каландрировании (примеры 16-19) оптимальным показателем давления является 100-120 кгс/см². В таких пределах изменение давления при каландрировании не вызывает значительного изменения свойств получаемого по заявляемой технологии термостойкого нетканого материала. Такая влажность обеспечивает высокую прочность и удлинение при разрыве.

При изменении привеса раствора после пропитки (примеры 19-21) изменения свойств материалов, получаемых по заявляемому способу, не наблюдалось.

Придание высокого КИ полученному материалу по заявленному способу обеспечивается за счет сохранения КИ арамидного волокна марки СВМ. Арамидное волокно марки СВМ обладает высоким значением КИ (44±1%).

Диэлектрическая прочность полученных материалов по заявленному способу достигает максимальных значений 22 и 23 кВ/мм (пример 10 и 11 соответственно). При таких показателях диэлектрической прочности заявляемый способ получения позволяет получить материал, который при эксплуатации в указанной среде отличается высокой электроизоляционной способностью и устойчивостью к возгоранию (КИ=44±1%). При увеличении поверхностной плотности происходит снижение диэлектрической прочности до значений 21 кВ/мм (пример 12) и 20 кВ/мм (пример 13).

* Прототип, на основе волокон сульфон-4 Т.

** Прототип, на основе волокон фенилон.

Пример 10 полученного материала по заявленному способу

Полученная бумага по описанному способу может быть использована как самостоятельный материал для создания в качестве межслойной изоляции в сухих трансформаторах; для закрывания пазов и как разделитель фазы в двигателях и электрогенераторах. Диэлектрическая прочность заявленного материала составляет 22 кВ/мм (стандарт GB/T 1408.1-2006). Совокупность неразрывно связанных признаков, таких как состав материала и способ получения, позволяет получить материал, который при эксплуатации в указанной среде отличается высокой электроизоляционной способностью и устойчивостью к возгоранию (КИ=44±1%).

Пример 12 полученного материала по заявленному способу

Полученная бумага по описанному способу может быть использована для создания ячеистых структур (сотами), предназначенных, например, для использования в качестве основы композиционных слоистых материалов конструкционного назначения.

Полученная бумага по описанному способу обладает достаточной прочностью (200 Н) при малом весе 80 г/м², что позволяет использовать ее для создания легковесных ячеистых структур.