асп. Рылкова М.В., к.т.н. Коваленко Г.М., д.т.н. Бокова Е.С.

Московский государственный университет дизайна и технологии, Москва, Россия

Ультратонкие волокна и материалы на их основе, полученные методом электроформования

Электроформование – процесс получения волокон малого диаметра из растворов или расплавов полимеров под действием высокого напряжения электрического поля. Наноматериалы, полученные этим методом, обладают высокой пористостью, превосходными механическими свойствами и широко используются в качестве фильтрационных материалов, датчиков и анализаторов. Одной из главных задач в рамках совершенствования технологии является разработка экологически чистых прядильных составов. Наибольшей практической ценностью для этих целей обладают смесевые композиции водорастворимых полимеров, а также интерполимерные комплексы (ИПК), стабилизированные кооперативной системой водородных связей, на основе полиакриловой кислоты (ПАК) и неионогенных полимеров (поливиниловый спирт (ПВС), полиэтиленоксид (ПЭО), производные целлюлозы и др.). Формование волокон из водных полимерных композиций позволяет исключить употребление органических растворителей, существенно уменьшить загрязнение атмосферы, снизить издержки производства и пожароопасность помещений.

Целью работы являлось получение нетканых материалов на основе комплексообразующих водорастворимых полимеров методом электроформования для создания изделий медицинского назначения.

В качестве объектов исследования использованы ПВС (марки BF-17, ММ=78 000, степень гидролиза 99%, фирмы «Chang Chun Petrochemical CO., LTD», Тайвань), ПАК (ТУ 6-02-137-91, ММ=250 000, ФГУП «НИИ химии и технологии полимеров им. ак. В. А. Каргина с опытным заводом» г. Дзержинск),ПЭО (ММ=1 000 000), а также их смесевые водные композиции и ИПК.

Методом электроформования на установке Nanospider™ (Elmarco, Чехия) в лаборатории фильтрующих материалов Научно-исследовательского физико-химического института имени Л. Я. Карпова получены образцы нетканых материалов.

Изучение процесса волокнообразования из индивидуальных растворов полимеров и их смесевых композиций, а также результаты электронной сканирующей микроскопии позволили выявить ряд закономерностей. Для каждой конкретной системы формирование волокнистой структуры происходит в определенном интервале значений вязкости и электропроводности. Растворы ПВС перерабатываются методом электроформования в диапазоне вязкости от 0,5 до 0,9 Па∙с, электропроводности 2500 – 3700 мкСм/см и поверхностного натяжения 51,13 – 58,3∙10^-3 Н/м, растворы ПАК – в диапазоне вязкости от 0,4 до 4,9 Па∙с, электропроводности 3100 – 3900 мкСм/см и поверхностного натяжения 67,4 – 73∙10^-3 Н/м , растворы ПЭО – в диапазоне от 0,3 до 6,2Па∙с, электропроводности 1100 – 2100 мкСм/см и поверхностного натяжения 65,2 – 68,4∙10^-3 Н/м. Смесевые композиции ПВС:ПАК формуются при значениях вязкости от 3,1 до 5,4 Па∙с, смесевые композиции ПЭО:ПАК показали хорошую волокнообразующую способность в области вязкости 0,6 до 1,3 Па∙с. Установлено, что диаметр волокон из растворов ПВС составляет 300 – 400 нм, на основе ПАК – 150 – 200 нм, на основе ПЭО – 1 – 2 мкн, на основе смесевых композиций ПВС:ПАК – 100 – 400 нм, на основе смесевых композиций ПЭО:ПАК – 250 – 300 нм в зависимости от соотношения компонентов.

Интерполимерные комплексы готовили методом смешения водных растворов исходных компонентов с доведением рН реакционной среды до необходимых значений. В работе был получен ИПК из 1% раствора ПАК и 10% раствора ПВС, 1% раствора ПАК и 6% раствора ПЭО. Глубину реакции комплексообразования регулировали введением в систему раствора 2N соляной кислоты до достижения рН ≈ 2 – 3. Поскольку полученные комплексы характеризовались низким значением вязкости, было принято решение о загущениисоставов растворами ПВС и ПЭО соответственно до достижения вязкости в системах до 0,5 – 0,8 Па∙с. Диаметр полученных волокон составил 100 – 300 нм.

Подтверждением формирования нетканого материала на основе ИПК, а не механической смеси исходных полимеров, явились данные спектроскопии методом нарушенного полного внутреннего отражения, а также результаты термогравиметрического анализа.

Достоинствами нетканых полотен, полученных из растворов ИПК, являются высокая сорбционная емкость, воздухо- и паропроницаемость. Одним из перспективных направлений использования нановолокнистых материалов, полученных из растворов ИПК, является применение их в качестве составляющего элемента многослойных материалов санитарно-гигиенического назначения (распределительный слой подгузников), различных перевязочных повязок.