ВОЛОКНИСТЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 1995 года по МПК D01F6/04 

Изобретение относится к технологии получения полиэтиленовых волокон улучшенного качества, в частности к материалу из этих волокон, пригодных в изготовлении армированных асбестом изделий, предназначенных для замены асбеста.

Известен волокнистый материал, выполненный из хаотически расположенных волокон полиэтилена с двойным лучепреломлением не менее 0,03 и диаметром 1-20 мкм /1/.

Такой материал ориентированных полиэтиленовых волокон вводят в водную взвесь портландцемента в целях производства армированных волокном изделий. Материал получают из формованных в струе горячего газа плексифиламентов, которые разрезают на малые кусочки и размалывают в водной среде. Доли волокнистой массы в армированных ей цементных композиционных материалах составляет 0,1-10% от массы высушенного и отвержденного композиционного материала. Хотя этот волокнистый материал до некоторой степени пригоден для применения в цементных композиционных материалах. Существует еще потребность в дальнейшем повышении качества этих масс для значительного увеличения их пригодности для применения в армированных цементах и расширения их назначений.

Согласно изобретению предлагается улучшенный материал из ориентированных полиэтиленовых волокон. Волокна имеют среднюю длину не более, чем в 1,2 мм, предпочтительно в пределах 0,5-1,0 мм, и что масса имеет водопропускную способность 3,5 с/г и способна образовывать непроклеенную бумагу, которая после сушки при объемном весе в 34 г/м² имеет коэффициент непрозрачности 75-84% . Предпочтительно масса имеет число агломерации не более 2. Полиэтиленовые волокна предпочтительно имеют двойное лучепреломление не менее 0,030.

Способ получения материала из ориентированных полиэтиленовых волокон включает процесс формования в струе горячего газа линейного полиэтиленового полимера в пряди ориентированных пленочных фибрилл и процесс разрезания прядей на малые кусочки, которые затем измельчают в водной среде с образованием взвеси волокнистой массы. Способ включает стадию дальнейшего измельчения волокнистой взвеси до достижения степени удерживания взвеси на сите с размером отверстий 14 меш не более 20% и степени удерживания взвеси, проходящей через названное сито, на сите с размером отверстий 100 меш не более 53.

Полученный материал содержит волокна меньшего размера, чем известный, отличается более длительным временем обезвоживания, содержит меньше агломерата и способен к образованию более однородных, менее пятнистых листов. Неожиданно оказалось, что изделия, изготовленные из этого материала, более прочны, чем изделия, армированные сходными массами с волокнами большей длины. До сих пор обычно считали, что волокна большей длины обеспечивают более сильный армирующий элемент.

Выражение "ориентированный", употребляемое в настоящей заявке в отношении полиэтиленовых волокон означает, что полиэтилен обладает двойным лучепреломлением не менее 0,030.

Отдельные характеристики, приведенные в заявке в отношении масс и изделий, которые изготовлены из них, измеряются по следующим методикам. В описании методик ASTM означает Американское общество по испытанию материалов, TAPPI-Американскую техническую ассоциацию целлюлозной и бумажной промышленности.

ISO-Международную организацию по стандартизации (ИСО).

Средняя длина полиэтиленовых волокон и статистическое отклонение (т.е. квадрат стандартного отклонения) от последней измеряют обычно следующим образом.

Пробу водной взвеси волокнистой массы разбавляют до содержания сухой массы 1,8 мл/л. Для получения волокон, предназначенных для измерения длины, используют кухонную соковыжималку (например, модель 215 фирмы Krupf). На дно барабана соковыжималки помещают кусок черной фетровой ткани. Затем барабан соковыжималки вращают и ок. 200 мл хорошо перемешанной разбавленной взвеси на некотором расстоянии от оси вращения барабана медленно льют на размещенную на дне вращающегося барабана черную ткань. Отцентрифугированная вода взвеси вытекает в радиальном направлении из барабана через отверстия в цилиндрической стенке барабана. Под воздействием центробежных сил волокна взвеси. Оседая на фетровую ткань, выпрямляются в радиальном направлении. Затем эту ткань с осевшими на нее волокнами подсушивают, после чего произвольно выбранные участки последней снимают с увеличением примерно в 10 раз. Для каждой массы снимают по крайней мере 8 участков. Наконец, измеряют длину волокон на снимках. В целях получения статистически достоверного среднего значения длины и отклонения от последнего измеряют достаточное число волокон (обычно 300-500). Для регистрации данных и проведения статистических подсчетом выгодно использовать световое перо, присоединенное к пульту цифратора компьютера (как в случае ниже приведенных примеров).

Водопропускная способность указывается в секундах на грамм и измеряется в соответствии с предписаниями TAPPI Т221-OSb3 (2).

Число агломерации является критерием однородности массы и измеряется следующим образом.

Пробу водной взвеси массы перемешивают и разбавляют до концентрации 3 г сухой массы на литр. Во время перемешивания в массу добавляют 3 капли ПАВ ("Aromax" DM-16 фирмы Armak Mc Pook) для сохранения дисперсного состояния массы. Затем с помощью глазной микрокапельницы отбирают пробу в 0,07 мл приготовленной взвеси, помещают ее на предметное стекло (минимум по 8 штук на каждую пробу), покрывают ее покровным стеклом и высушивают все при комнатной температуре. Затем снимают покровное стекло и наносят на каждое предметное стекло по одной капле деионизированной воды и покрывают все новым покровным стеклом. Затем осторожно нажимая на покровное стекло, удаляют избыток воды и воздушные пузыри. Обработанные таким образом пробы фотографируют на черном фоне с увеличением в 10 раз. Размеры проявленного снимка составляет 118х89,5 мм, так что снята вся волокнистая масса, размещенная на предметном стекле. Скомканные и запутанные волокна на снимке проявляются в виде белых участков. Сосчитают число белых участков на каждом снимке, имеющих диаметр минимум 2 мм. Белые участки нерегулярной формы сосчитают, когда в них можно вписать круг диаметром 2 мм. Когда в один белый участок можно вписать более одного круга диаметром 2 мм, подсчитывают число таких вписываемых в один участок кругов. Наконец, делением суммы всех сосчитанных белых участков на число предметных стекол вычисляется число агломерации.

Двойное лучепреломление измеряется по известной методике /1/.

Значения Bauer-MoNett измеряются в соответствии с методикой TAPPI Т33 OS75.

Высушенные отливки массы, в настоящей заявке иногда называемые "листами непроклеенной бумаги", приготовляют с использованием формы фирмы Nobl and Wood величиной 20,3х20,3 см и путем термического обезвоживания. Объемный вес отливки измеряется в соответствии с методикой ASTMD 3776-79 и указывается в г/м2. Прочность отливки на разрыв определяется на образце шириной 2,54 см и длиной 20,3 см с помощью испытательного устройства Constant Rate of Extension Instron Tester работающего со скоростью передвижения крейц копфа 5,08 см/мин при расчетной длине 12,7 см.

Коэффициент непрозрачности высушенной отливки измеряется с помощью испытательного инструмента Technidyne Miero TBIC фирмы Technidyne Corp., который соответствует нормам ISO Standards 2469 и 2471 и методике TAPPI Т519 для измерения диффузной непрозрачности. Измерения проводят в соответствии с методикой Measurement and Control of the Optical Properties of Paper опубликованной фирмой Technidyue в 1983 г, используя в частности геометрию диффузии с использованием светофильтра "Position B filrer" имеющего эффективную длину волн 457 нм. Результаты измерений подвергаются статистическому анализу для получения среднего значения непрозрачности и пределов отклонения от него для листов из данной массы. Незначительные отклонения от среднего значения непрозрачности говорят о способности массы образовывать однородные, непятнистые отливки синтетической волокнистой массы.

Воздухопроницаемость по Frazier измеряется в соответствии с методикой ASTM D 737-46 и указывается в м/мин.

Жесткость и прочность на изгиб цементного композиционного материала измеряются в соответствии с методикой ASTM D-790 /1/.

Прочность на разрыв уплотнителей измеряется в соответствии с методикой ASTM D-412.

В нижеследующих примерах, если нет других указаний, все проценты и соотношения компонентов состава относятся к общему весу состава.

П р и м е р ы 1 и 2. Две предлагаемые массы ориентированных полиэтиленовых волокон сравнивают с а) массой, соответствующей прототипу и б) двумя сходными массами, обозначенными сравнительными массами А и Б, которые не входят в объем изобретения, но ближе к предлагаемым массам по длине волокон, степени отклонения от средней длины и числу агломерации, чем известные массы. Преимущества более коротких и однородных волокон предлагаемых масс перед известными и сравнительными массами иллюстрируется на изделиях из цемента, армированного волокнистой массой, и листах, изготовленных из синтетической волокнистой массы.

Раствор линейного полиэтилена в трихлорфторметане формуют в струе горячего газа в плексифиламентные пряди из ориентированных пленочных фибрилл, затем пряди формуют в лист, который слегка уплотняют и разрезают на малые кусочки для последующего их измельчения в виде водной взвеси низкой концентрации.

Полученный из известной массы исходный лист разрезают на полоски шириной 2,5-13 см, которые разрезают на кусочки длиной 10-31 см. Эти кусочки смешивают с водой с получением взвеси с содержанием твердого вещества 2%. Затем к взвеси в качестве средства, содействующего диспергированию, добавляют до 2 мас.%, считая на твердое вещество, смеси (20:1) поливинилового спирта и ПАВ Triton Х-100 фирмы Rohm & Haas. Потом взвесь в трех проходах пропускают через рафинер работающий при скорости вращения дисков 1800 об/мин. Рафинер оснащен главными дисками модели 16808 АВ и периферийными регулируемыми кольцами модели 17709. Для первого прохода номинальный зазор между главными дисками составляет 0,25 мм, а между периферийными кольцами - 0,075 мм. Для последнего прохода взвесь разбавляют до содержания твердого вещества 1% . Скорость подачи для первого, второго и третьего проходов, в пересчете на сухой вес массы, составляет соответственно 1,4, 3,6 и 3,2 кг/мин. Измельченную массу обезвоживают на сите с размером отверстий 150 меш, после чего ее высушивают. Получают образец волокнистой массы аналогично примеру 1. Водную взвесь массы пропускают через сито с мелкими отверстиями (ок. 100 меш) и собирают мелкие частицы, т.е. фракцию волокнистой массы, проходящей через это сито. Изготовляют цементные плитки и подвергают их соответствующим испытаниям. Определяют значения по отсеву массы аналогично описанной процедуре.

Результаты приведены в таблице.

Как видно из табл.1, предлагаемые массы в отличие от известных и сравнительных имеют более короткие волокна, более узкое распределение длины волокон, о чем свидетельствуют значения отклонения от средней длины, более высокую водопропускную способность и отличаются способностью образовывать листы более однородной непрозрачности.

Средняя длина волокон по примерам 1 и 2 составляет 0,82 и 0,85 мм соответственно (у волокон известной массы и более 2,4 мм). Степень отклонения от средней длины волокон для масс по примерам 1 и 2 составляет 1,10 и 1,55 соответственно (у известной массы свыше 2,4).

Водопропускная способность предлагаемых масс по примерам 1 и 2 составляет 3,5 с/г (у известной массы 1,8 с/г).

Особенно заметно весьма низкое число агломерации предлагаемых масс. Из таких масс получают листы, которые менее пятнисты и более однородны. Число агломерации известной массы по крайней мере в два раза выше, чем у предлагаемых масс и в 5 раз выше, чем у массы по примеру 1.

Сравнение листов, изготовленных из предлагаемой массы с листами, изготовленными из известных масс, по степени отклонения от средней непрозрачности показывает преимущество предлагаемых масс в получении более однородных непятнистых листов. Соответствующие значения отклонения для листа, изготовленного из массы по примеру 1 и из сравнительных масс А и Б, составляют 4,6, 10,4 и 9,2 соответственно.

Армированные предлагаемой массой цементные плитки имеют более высокую прочность на изгиб, чем плитки, армированные известными или сравнительными массами. Плитки, содержащие массу по примеру 1 и 2, оказываются более прочными, чем плитки, армированные 28 или 33% известных масс.

Массу по примеру 1 и сравнительную массу Б вводили в качестве армирующих волокон в уплотнители и сравнивали полученные продукты по прочности на разрыв с уплотнителями, содержащими торговую массу полиэтиленовых волокон ("Pulpex EA" фирмы Hereules Corp.). Состав уплотнительного материала, включая 10% массы, 75% только в качестве наполнителя и 15% синтетической резины Chemigum 260 Latex. Состав выдерживали в течение 40 мин при 110^оС под давлением 13, 780 кПа. Прочность полученного уплотнительного материала на разрыв составляла в случае.

Массы по примеру 1 13,020 кПа
Сравнительной массы Б 11,920 кПа
Массы 11,370 кПа
Приведенные данные измерения прочности уплотнителей лишний раз показывают преимущество предлагаемых масс. Подобное преимущество имеют предлагаемые массы, когда их используют для армирование эпоксисмол, предназначенных для производства изделий из многослойного пластика.

Из проб массы по примеру 1 и сравнительны масс А и Б прессовали отливки массой 40,7 г/м², которые затем связывают под воздействием тепла в течение 3 мин в процессе с нагреваемой паром плиткой, работающей при температуре 133^оС под давлением 362 кН. В результате отливки обнаруживали следующие прочность на разрыв и воздухопроницаемость. Данные приведены в табл.2.

Неоднородность сравнительных листов А и Б выражается в более высокой воздухопроницаемости и более низкой прочности по сравнению с листом при примеру 1. Очевидно, что поры, видимые в сравнительных листах уже невооруженным глазом, обусловливают более высокие значения пористости и более высокие значения стандартного отклонения от последних. Более низкая прочность на разрыв сравнительных листов, наверное, вызвана меньшей их однородностью. Лист по примеру 1 несмотря на то, что он был изготовлен с применением более коротких волокон, оказался более прочным.

Серия испытаний на прочность сцепления, произведенных с листами, изготовленными из предлагаемых масс, показывает, что их прочность на разрыв и пористость повышаются по мере повышения температуры прессования. Поэтому листы, изготовленные из предлагаемых масс, являются особенно пригодными для фильтрации. Листы можно приспособить к определенной желательной пористости с сохранением высокой прочности путем установления условий прессования при повышенных температурах.

Использование: при изготовлении армированных изделий в качестве заместителя асбеста. Сущность изобретения: волокнистый материал выполнен из хаотически расположенных волокон полиэтилена с двойным лучепреломлением не менее 0,03 и диаметром 1 - 20 мкм и длиной не более 1,2 мм. Степень удерживания взвеси волокон на сите 14 мм не более 20%, на сите 100 меш - не более 53% . Материал имеет объемный вес 34 г/м² , водопропускную способность 3,5 с/г и коэффициент непрозрачности 75 - 84% со степенью отклонения от его среднего значения 4,6 - 7,0%. 2 табл.

ВОЛОКНИСТЫЙ МАТЕРИАЛ, выполненный из хаотически расположенных волокон полиэтилена с двойным лучепреломлением не менее 0,03 и диаметром 1 - 20 мкм, отличающийся тем, что с целью улучшения армирующих свойств, материал выполнен из волокон со средней длиной не более 1,2 мм, степенью удерживания их взвеси на сите с размером отверстий 14 меш не более 20%, а на сите с размером отверстий 100 меш - не более 53%, и числом агломерации не более 2, имеет объемный вес 34 г/м³, коэффициент непрозрачности 75 - 84% со степенью отклонения от его среднего значения 4,6 - 7,0% и водопропускную способность 3,5 с/г.