Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения антистатического полипропиленового волокна

Изобретение относится к способу получения антистатического полипропиленового волокна с улучшенными механическими свойствами, которое может быть использовано в машиностроении, химической, электротехнической и легкой промышленности.

Известен способ получения антистатического полипропиленового волокна [US 7094467 В2, 22.08.2006], согласно которому смешивают в экструдере термопластичный полимер и углеродные нанотрубки, осуществляют экструзию волокна из указанной смеси и подвергают волокно четырехкратной деформации по длине, которую осуществляют в три этапа, на первом из которых волокно вытягивают в 3 раза, затем вытягивают в 1.05 раза и окончательно усаживают в 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.

Недостатком способа является относительно узкая область применения, что не позволяет получить волокна с относительно высокими механическими характеристиками при больших степенях вытяжки полимера.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ получения антистатического полипропиленового волокна [RU 2585667, С2, D01F 6/06, 10.06.2016], включающий стадии смешивания в экструдере расплава полипропилена и углеродных наночастиц и экструзии волокна из этой смеси, при этом, волокно подвергают восьмикратной ориентационной вытяжке, которую осуществляют в два этапа, на первом из которых при температуре 150°С волокно вытягивают в четыре раза, а на втором - еще в два раза.

Особенностью этого технического решения является то, что, многостенные нанотрубки вводятся в количестве 1-3% по массе полимера, одностенные нанотрубки вводят в количестве 0,7-1% по массе полимера, углеродные нановолокна вводят в количестве 3-5% по массе полимера.

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкая область применения, что не позволяет получить волокна с относительно высокими механическими характеристиками, в частности, износоустойчивости и устойчивости к самоистиранию, а также с возможностью получения цветных волокон.

Это сужает арсенал технических средств, которые могут быть использованы для получения цветных износоустойчивых антистатических волокон.

Задачей, которая решается в изобретении, является разработка способа получения цветных антистатических полипропиленовых волокон с высокой износоустойчивостью с целю увеличения сроков службы и расширения номенклатуры изделий из такого волокна.

Требуемый технический результат заключается в расширении области применения способа изготовления антистатического полипропиленового волокна и получения на этой основе цветных антистатических полипропиленовых волокон с высокой износоустойчивостью с целю увеличения сроков службы и расширения номенклатуры изделий из такого волокна.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в способе, согласно которому смешивают в экструдере расплав полипропилена и углеродные наночастицы и осуществляют экструзию волокон из этой смеси, согласно изобретению, смешивание в экструдере осуществляют в течение 10-15 мин при температуре 195-205°С, используют количество углеродных частиц 0,3% от количества полипропилена, экструзию осуществляют с охлаждением смеси до комнатной температуры и нарезкой гранулята размером 2-3 мм, после чего формируют мононить с использованием фильеры с диаметром выходного отверстия 1 мм, которую подают на вытяжные ролики и подвергают ориентационной вытяжке и намотке на бобины.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, при смешивании в экструдере расплава полипропилена и углеродных наночастиц в смесь вводят концентраты красителей.

Способ изготовления антистатического полипропиленового волокна реализуется следующим образом.

Используемый компоненты: исходный полимер - полипропилен, наполнители - углеродные нанотрубки в количестве 0,3% от массы полимера (обеспечивают электропроводность и устойчивость к истиранию) и концентраты красителей.

Получение - расплавная технология методом экструзии, который состоит из следующих этапов

Этап 1.

Создание модифицированного нанотрубками компаунда с использованием двухшнекового экструдера и последующей экструзией с охлаждением и нарезкой гранулята размером 2-3 мм.

Краситель и нанотрубки вводятся через концентраты.

Этап 2.

Формование мононити с использованием экструдера для чего модифицированный нанотрубками компаунд выводят через фильеры с диаметром выходного отверстия 1 мм.

Этап 3.

Сформированные мононити подают на вытяжные ролики и подвергают ориентационной вытяжке и намотке на бобины.

При реализации первого этапа вначале производят предварительное сухое смешивание компонентов и последующее их расплавление с перемешиванием. Для этого смешение гранул полипропилена с наполнителем производится в шаровой мельнице около 2 часов. Концентрация наполнителя рассчитывается от массы полимера. Смешение осуществляется в течение 10-15 мин при температуре 195-205°С и скорости вращения шнеков ω=100 мин^-1. В результате этого этапа получается полимерный пруток, который нарезается на гранулы размером 2-3 мм. Нанотрубки вводятся в виде сухого концентрата дисперсностью до 0,5 мм. Концентраты красителей также вводятся в виде концентратов на полипропиленовой основе. Например марки ПВ1407/55-ПП - ярко-зеленый, ПВ1110/103-1111 - ярко-красный. Охлаждение смеси после перемешивания производится до комнатной температуры 20-23°С.

Для обеспечения качественного диспергирования наполнителя в расплаве с использованием двухшнекового экструдера сначала получается компаунд с нанотрубками, а при повторном прогоне компаунда вводится уже концентрат красителя.

Ориентационная вытяжка проводится в режимах с использованием двух последовательно размещенных роликов (см. таблицу 1).

Диаметр вытянутых мононитей составляет 100-150 мкм, а линейная плотность - 15-20 Текс.

Пример изготовления волокна.

Изготовление мононитей согласно разработанному способу производилось по расплавной технологии. В качестве полимерной матрицы использовался изотактический полипропилен марки Бален 01270. В качестве наполнителя использовались: одностенные углеродные нанотрубки TUBALL в виде сухого концентрата.

Вначале производилось сухое смешение в шаровой мельнице гранул полимера с заданным количеством концентрата нанотрубок в течение 2 часов. Концентрации наполнителей в полимерной матрице составляли: К_ОСУНТ=0-0,3%. Содержание наполнителя рассчитывалось по массовой доле полимера.

Далее производилось диспергирование наполнителя в расплаве полипропилена. Для этого использовался двухшнековый микрокомпаундер DSM Xplore. Смешение осуществлялось в течение 10-15 мин при температуре 195-2-5°С и скорости вращения шнеков ω=100 мин^-1. После этого происходило формование компаунда в виде прутка и охлаждением до комнатной температуры. Полученный пруток нарезали на гранулы размером 2-3 мм. Далее полученный компаунд вместе с гранулами концентрата красителя (концентрация красителей составляла от 2 до 10% в зависимости от цвета) загружались в микроэкструдер нагретый до 195-205°С и перешивались при скорости вращения шнеков ω=100 мин^-1. По истечение 10-15 мин с помощью установленной на выходе микрокомпаундера фильеры с диаметром 1 мм происходила экструзия мононити. Мононить охлаждалась на выходе струей сжатого воздуха при давлении 6-8 кПа и наматывалась на приемные ролики, вращающиеся со скорость ω=20 мин^-1. Затем проводилась высокотемпературная ориентационная вытяжка мононити на специальном устройстве, где за счет разницы скоростей между роликами задавалась нужная степень ориентации при температуре 150°С. Сначала мононить ориентировалась в 2 раза, а затем в 4 раза. Таким образом были получены ориентированные композиционные мононити с диаметром 100-150 мкм (см. Таблицу 2).

Как видно из таблицы 2, введение 0,1% нанотрубок приводит к снижению удельного электрического сопротивления полипропиленовой матрицы на 7 порядков (как для окрашенных так и без красителя), устойчивость нитей к самоистиранию повышается в среднем на 30%. При этом для неокрашенных нитей также наблюдается небольшое повышение прочности на 10%. При увеличении концентрации нанотрубок до 0,3% наблюдается снижение удельного электрического сопротивления нити на 13 порядков по сравнению с исходным полимером и, при этом, износоустойчивость нитей повышается на 65%. При исследованиях наблюдалось, что окрасить нити при концентрации нанотрубок более 0,3% уже сложнее, т.к. нить становится темно-серой, почти черной.

Предложенные изменения в процессе получения волокна позволили повысить износоустойчивость полипропиленового волокна для увеличения сроков службы изделий из него. При этом, углеродные нанотрубки в количестве 0,3% выступают в роли твердой смазки в условиях сухого трения скольжения, а малые добавки наполнителя позволяют сформировать более совершенную надмолекулярную структуру полимерной матрицы в процессе высокотемпературной ориентационной вытяжки. Это также приводит к повышению износоустойчивости антистатических полипропиленовых волокон с целью увеличения сроков службы и расширения номенклатуры изделий из такого волокна.