СИНТЕТИЧЕСКИЕ НИТИ С ВЫСОКОЙ ХЕМОСТОЙКОСТЬЮ И НИЗКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ТРЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК D01F8/04 D01F11/04 D01F6/06 D01F6/60 D01F6/62 D06M15/256 

Введение

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к получению синтетических нитей с высокой хемостойкостью и низким коэффициентом трения для производства текстильных материалов технического назначения, работающих в жестких технологических условиях, таких, например, как фильтрация горячих газов, сильно агрессивных жидкостей, а также предназначенных для кислотоупорной набивки для сальников центробежных насосов.

Уровень техники

Известны композиция и способ получения комплексных полипропиленовых нитей на основе формования их из расплава смеси полипропилена с порошком политетрафторэтилена (Патенты RU №№2394945, опубл. 2010 г. и 24113120, опубл. 2011 г.), обеспечивающие повышение прочности и гидрофобности полипропиленовых нитей. Однако этот способ не приводит к существенному повышению хемостойкости полипропиленовых нитей и не обеспечивает снижения их коэффициента трения до очень низкого уровня, присущего фторопласту, и необходимого для набивки сальников центробежных насосов.

Известны сальниковые волокнистые набивки из хлопчатобумажных, лубяных (лен, конопля, джут), асбестовых, капроновых, полипропиленовых, углеродных волокон, пропитанных суспензией фторопласта - 4 (политетрафторэтилена) (Основы герметологии: тексты лекций / А.А.Скаскевич, В.А.Струк. - Гродно: ГрГУ, 2010. - 140 с.). Пропитка суспезией фторопласта осуществляется многократно под вакуумом с промежуточными операциями термообработки: сушкой и спеканием (ГОСТ 24368-80). Изготовление пропитанных фторопластом сальниковых набивок осуществляется по очень сложной технологии, требует большого расхода энергии.

Известен способ получения фильтровального материала методом пропитки ткани смесью дисперсии фторопласта, кремнийорганической эмульсии и анионактивного ПАВ, который обеспечивает получение ткани с высокой фильтрующей способностью (Патент RU №2079341, опубл. 1997 г.). В результате такой обработки на нити остается покрытие, состоящее из смеси фтор- и кремнийсодержащих полимеров. Однако такая ткань не обладает достаточно высокими показателями хемостойкости и низкими коэффициентами трения.

Известен способ получения волокна из ацетонорастворимого фторопласта - фторлона (Роговин З.А. Основы химии и технологии химических волокон, т.2, М.: Химия, 1974, 344 с.; Варшавский В.Я. Волокна из фторсодержащих полимеров / в кн.: Карбоцепные синтетические волокна // под ред К.Е.Перепелкина, М.-Л.: Химия, 1972, 589 с., гл. 4; Энциклопедия полимеров, т.3. М.: Советская энциклопедия, 1977, с.790). Фторлон формуют по мокрому способу из 14-16%-ного раствора сополимера в ацетоне в водную ванну, содержащую 4-6% ацетона. Свежесформованное волокно, содержащее растворитель, вытягивают между дисками прядильной машины в 1,5-2 раза при нормальной температуре. Высушенную нить дополнительно вытягивают (в сумме в 16-20 раз) в среде глицерина при ~140°С, после чего вновь сушат с одновременной терморелаксацией при 140-150°С в течение 1 часа в условиях свободной усадки. Нити отличаются высокой устойчивостью к воздействию агрессивных сред, высокой гидрофобностью, низким коэффициентом трения. Однако их существенными недостатками является значительная экологическая опасность технологического процесса получения из-за использования ацетона, высокая себестоимость и весьма малый модуль упругости.

Наиболее близкими к изобретению по техническому существу являются нити из фторопласта (полифен) (Сигал М.Г., Козиорова Т.Н. Синтетические волокна из дисперсий полимеров, М.: Химия, 144 с.; Лазар М., Радо Р., Климан Н. Фторопласты // пер. со словацкого под ред. С.А.Яманова, М.-Л.: Энергия, 1965. - 262 с.; Энциклопедия полимеров, т.3. М.: Советская энциклопедия, 1977, с.787-790). Полифен получают по специально разработанной технологии, сущность которой заключается в формовании нити по мокрому способу из вспомогательного полимера (загустителя), наполненного частицами фторопласта. В качестве загустителей применяют или вискозу и формуют с использованием кислотно-солевой осадительной ванны, или поливиниловый спирт и формуют с использованием в качестве осадительной ванны концентрированных водных растворов сульфатов аммония, алюминия и натрия. Сформованные нити подвергают следующей отделке: в случае использования в качестве загустителя вискозы проводят промывку холодной и горячей водой и щелочную обработку, а нити, сформованные с использованием поливинилового спирта, обрабатывают в ацетилирующей ванне и промывают последовательно холодной и горячей водой. После отделки нити подвергают термической обработке (спеканию), которую проводят при температуре 360-400°C при перемещении нити по поверхности обогреваемого металлического ролика или пластины. Устройство для спекания имеет очень сложную конструкцию и представляет собой многоместную машину, оборудованную системой местного отсоса газообразных продуктов пиролиза, среди которых имеется фтористый водород и другие ядовитые вещества. В результате термообработки вспомогательный полимер разрушается и удаляется в виде газообразных продуктов, а частицы фторопласта спекаются, превращаясь в нить. После спекания нить подвергают ориентационному упрочнению - вытягиванию при температуре 330-400°C с кратностью 3-10 раз.

Полифеновые нити обладают высокой устойчивостью к действию агрессивных сред и низким коэффициентом трения. Существенными недостатками этих нитей являются крайне высокая сложность процесса их изготовления, энергоемкость, экологическая опасность их получения, очень большая себестоимость, малая прочность и невысокий модуль упругости, а также низкие устойчивость к эксплуатационным деформационным воздействиям и гидрофобность.

Сущность изобретения

Техническая задача заключается в разработке синтетических нитей с высокой хемостойкостью и низким коэффициентом трения, обладающих также высокими прочностью, гидрофобностью и устойчивостью к эксплуатационным деформационным воздействиям, имеющих более низкую себестоимость и получаемых с помощью технологически простого, энергосберегающего и экологически безопасного процесса.

Поставленная задача решена разработкой синтетических нитей с высокой хемостойкостью и низким коэффициентом трения, содержащих полимерную матрицу, на поверхности которой расположен слой фторопласта толщиной 0,5-6,0 мкм.

Техническим результатом является значительное упрощение способа изготовления нитей - процесс их производства по простоте технологии приближается к классическому способу формования синтетических термопластичных нитей из расплава. Отпадает необходимость в использовании большого количества вспомогательных полимеров и химических реагентов, специально сконструированного сложного оборудования. Значительно сокращается расход энергии на технологические цели. В частности, температура термической обработки нитей снижается с 360-400°C до 100-110°C. За счет ликвидации операции спекания, при которой выделяются чрезвычайно ядовитые продукты пиролиза фторопласта, среди которых имеется фтористый водород и т.п., существенно снижается экологическая опасность процесса получения нити. За счет отмеченных факторов в десятки раз уменьшается себестоимость нити. Относительная разрывная нагрузка нити возрастает в 3,7-5,8 раз при значительном увеличении модуля упругости. Значительно увеличивается устойчивость нитей к эксплуатационным деформационным воздействиям. Существенно возрастает гидрофобность нити.

Заявленные синтетические нити с комплексом улучшенных характеристик могут быть получены из различных термопластичных полимеров, например из полипропилена, полиэтилентерефталата, поликапроамида.

Фторопласт используют в виде суспензий Ф4Д (СТО 05807960-007-2010), Ф-4ДВ (ТУ 6-05-1246), Ф-4МД-А, Ф-4МД-Б (ТУ 6-05-2012) или их аналогов Teflon 30, Fluon AD, Hostaflon TF5000, Polyflon D. Толщину покрытия регулируют путем изменения концентрации ПТФЭ в суспензии.

Для обеспечения возможности дальнейшей переработки нитей можно использовать традиционно применяемые авиважные препараты, обладающие поверхностной активностью, например, алкамон ОС-2 на основе (алкилдиоксиэтилен)диметилдиэтиламмоний бензилсульфоната (ГОСТ 10106-75), алкамон ДС на основе алкоксидиметилдиэтилдиэтиламмоний метилсульфата (ТУ 6-14-1059-83), триамон на основе трис(2-гидроксиэтил)метиламмоний метилсульфата (ТУ 6-14-1059-83).

Свойства заявленных синтетических нитей и нити-прототипа контролировались одинаково:

- Хемостойкость (устойчивость нитей к действию агрессивных сред) оценивали по уменьшению разрывной нагрузки нитей (%) после 24-часового воздействия щелочи (40%-ного раствора NaOH), минеральной кислоты (98%-ной H₂SO₄) и минеральной кислоты-окислителя (40%-ной HNO₃). По уменьшению разрывной нагрузки нитей величину их хемостойкости подразделяли на следующие категории: 0% - высокая стойкость; 20% - удовлетворительная стойкость; 40% - устойчивы не во всех случаях; 60% - недостаточно стойки; 80% - нестойки. При высокой химической нестойкости возможно полное растворение нити.

- Коэффициент трения нитей определяли с помощью прибора В.В.Талепаровской.

- О прочности нитей судили по разрывной нагрузке (сН/текс), которую, так же как и модуль упругости (Н/мм²), определяли на разрывной машине РМ-3-1.

- Устойчивость нитей к эксплуатационным деформационным воздействиям оценивали по уменьшению разрывной нагрузки после 10 циклов истирающего воздействия на приборе ПТ-4.

- Толщину покрытия определяли методом оптической микроскопии по разнице диаметров поперечных срезов нитей с покрытием из фторопласта и без покрытия.

Пример получения нитей из полипропилена.

Гранулят полипропилена из бункера подают в цилиндр экструдера, где он транспортируется шнеком к выходу. При этом за счет внешнего обогрева гранулы плавятся, и расплав гомогенизируется. Расплав подают шнеком к фильерам и продавливают через них.

На горячую поверхность свежесформованных полипропиленовых текстильных нитей окунанием наносят смесь равных количеств водной суспензии ПТФЭ концентрации 3-60 г/л и алкамона и наматывают их на бобину.

Свежесформованные нити подвергают ориентационному вытягиванию при традиционно используемых температурах (100-140°C) при кратности вытягивания 3-15. Вытянутые нити термофиксируют при традиционно используемых температурах (100-110°CС), получая готовые полипропиленовые нити. На готовые нити наносят замасливатель и наматывают их на бобину.

Пример получения нитей из полиэтилентерефталата.

Гранулят полиэтилентерефталата из бункера подают в цилиндр экструдера, где он транспортируется шнеком к выходу. При этом за счет внешнего обогрева гранулы плавятся, и расплав гомогенизируется и продавливается через фильеры. На горячую поверхность свежесформованных полиэфирных текстильных нитей окунанием наносят смесь равных количеств водной суспензии ПТФЭ концентрации 3-60 г/ли алкамона и наматывают их на бобину.

Свежесформованные нити подвергают ориентационному вытягиванию при традиционно используемых температурах (120-160°C) при кратности вытягивания 3-15. Вытянутые нити термофиксируют при традиционно используемых температурах (110-140°C), получая готовые полиэтилентерефталатные нити. На готовые нити наносят замасливатель и наматывают их на бобину.

Пример получения нитей из поликапроамида.

Гранулят поликапроамида из бункера подают в цилиндр экструдера, где он транспортируется шнеком к выходу. При этом за счет внешнего обогрева гранулы плавятся, и расплав гомогенизируется. Расплав подают шнеком к фильерам. Формование осуществляют в атмосфере инертного газа.

Расплав продавливают через фильеры. На горячую поверхность свежесформованных полиамидных нитей окунанием наносят смесь равных количеств водной суспензии ПТФЭ концентрации 3-60 г/л и алкамона и наматывают их на бобину.

Свежесформованные нити подвергают ориентационному вытягиванию при традиционно используемых температурах (140-180°C) при кратности вытягивания 3-15. Вытянутые нити термофиксируют при традиционно используемых температурах (120-150°C), получая готовые поликапроамидные нити. На готовые нити наносят замасливатель и наматывают их на бобину.

Свойства полипропиленовых, полиэфирных и полиамидных нитей с покрытием из фторопласта, а также полифеновых нитей, полученных по способу-прототипу, приведены в таблицах, соответственно, 1, 2, 3.

Таблица 1 Свойства полипропиленовых нитей с политетрафторэтиленовым покрытием № п/п Концентрация суспензии фторопласта, г/л Кратность ориентационного вытягивания, разы Толщина покрытия, мкм Уменьшение разрывной нагрузки после 24-часового воздействия, % Коэффициент трения Краевой угол смачивания, град. Разрывная на грузка, сН/текс Модуль упругости, Н/мм² Уменьшение разрывной нагрузки после 10 циклов истирания, % 40%-ного NaOH 98%-ной H₂SO₄ 40%-ной HNO₃ 1 3 8 0,5 0 0 0 0,04 129 53,2 738 5,0 2 30 8 3,0 0 0 0 0,04 132 61,8 771 4,0 3 60 8 6,0 0 0 0 0,04 127 53,7 758 6,0 4 30 3 4,0 0 0 0 0,04 128 54,9 748 5,0 5 30 15 2,5 0 0 0 0,04 129 58,6 742 6,0 6* (сравнительный пример)   4   60 25 40 0,30 88 47,5 665 6,0 7** (сравнительный пример) 30 4 от 0 до 25 (покрытие не сплошное 60 25 40 0,41 88 34,3 451 19,0 8 (прототип)   4   0 0 0 0,04 110 16,8 346 26,0 *) полипропиленовая нить без покрытия **) нанесение суспензии политетрафторэтилена не на свежесформованную горячую, а на готовую нить с последующей термообработкой

Таблица 2 Свойства полиэфирных нитей с политетрафторэтиленовым покрытием № п/п Концентрация суспензии фторопласта, г/л Кратность ориентациионного вытягивания, разы Толщина покрытия, мкм Уменьшение разрывной нагрузки после 24-часового воздействия, % Коэффициент трения Краевой угол смачивания, град. Разрывная нагрузка, сН/текс Модуль упругости, Н/мм² Уменьшение разрывной нагрузки после 10 циклов истирания, % 40%-ного NaOH 98%-ной H₂SO₄ 40%-ной HNO₃ 1 3 8 0,5 0 0 0 0,04 116 68,3 617 4,0 2 30 8 3,0 0 0 0 0,04 128 80,5 633 3,0 3 60 8 6,0 0 0 0 0,04 117 72,6 628 5,0 4 30 3 4,0 0 0 0 0,04 118 69,0 619 4,0 5 30 15 2,5 0 0 0 0,04 129 80,2 635 5,0 6* (сравнительный пример)   4   18 Полное растворение 80 0,25 72 61,0 556 5,0 7** (сравнительный пример) 30 4 от 0 до 25 (покрытие не сплошное 21 Полное растворение 80 0,37 72 49,3 486 12,0 8 (прототип)   4   0 0 0 0,04 110 16,8 346 26,0 *) полиэфирная нить без покрытия **) нанесение суспензии политетрафторэтилена не на свежесформованную горячую, а на готовую нить с последующей термообработкой

Таблица 3 Свойства полиамидных нитей с политетрафторэтиленовым покрытием № п/п Концентрация суспензии фторопласта, г/л Кратность ориентациионного вытягивания, разы Толщина покрытия, мкм Уменьшение разрывной нагрузки после 24-часового воздействия, % Коэффициент трения Краевой угол смачивания, град. Разрывная нагрузка, сН/текс Модуль упругости, Н/мм² Уменьшение разрывной нагрузки после 10 циклов истирания, % 40%-ного NaOH 98%-ной
H₂SO₄ 40%-ной HNO₃ 1 3 8 0,5 0 0 0 0,04 114 81,4 1113 4,0 2 30 8 3,0 0 0 0 0,04 130 97,2 1162 3,0 3 60 8 6,0 0 0 0 0,04 119 88,6 1142 5,0 4 30 3 4,0 0 0 0 0,04 118 80,6 1096 4,0 5 30 15 2,5 0 0 0 0,04 132 101,3 1171 5,0 6* (сравнительный пример)   4   12 Полное растворение Полное растворение 0,18 72 61,0 556 5,0 7** (сравнительный пример) 30 4 от 0 до 25 (покрытие не сплошное 12 Полное растворение Полное растворение 0,26 67 49,8 613 7,0 8 (прототип) - 4 - 0 0 0 0,04 110 16,8 346 26,0 *) полиамидная нить без покрытия **) нанесение суспензии политетрафторэтилена не на свежесформованную горячую, а на готовую нить с последующей термообработкой

Изобретение относится к технологии получения синтетических нитей с высокими хемостойкостью и гидрофобностью и низким коэффициентом трения и может быть использовано в химической промышленности. Нить представляет собой полимерную матрицу, на поверхности которой расположен слой политетрафторэтилена толщиной 0,5-6 мкм. Полимерная матрица выполнена из различных термопластичных полимеров. Технический результат изобретения заключается в повышении прочности, гидрофобности и устойчивости к деформационным воздействиям нитей и низкой их себестоимости. 1 з.п. ф-лы, 3 табл., 3 пр.

1. Синтетические нити с высокой хемостойкостью и низким коэффициентом трения, содержащие полимерную матрицу, на поверхности которой расположен слой политетрафторэтилена толщиной 0,5-6 мкм.

2. Синтетические нити по п.1, в которых матрица представляет собой или полипропилен, или полиэтилентерефталат, или поликапроамид.