Кулешов В.Н., Курочкин С.В., Довбыш С.А.

Национальный исследовательский университет «МЭИ», Россия

ВЛИЯНИЕ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОПРЯДЕНИЯ НА ДИАМЕТР ПОЛУЧАЕМЫХ ВОЛОКОН

При создании современной высокотехнологичной элементной базы для эффективных щелочных электролизеров воды с низким энергопотреблением большое внимание уделяется разработке новых диафрагменных материалов [1].

Среди всех известных способов создания нетканых материалов на основе волокнистых структур особое место занимает процесс электропрядения (электроспининг) [2]. На кафедре Химии и электрохимической энергетики НИУ «МЭИ» собрана и испытана установка формирования волокон и нетканых материалов методом электропрядения. С целью получения нановолокон с контролируемой морфологией была проведена серия опытов по определению влияния варьируемых параметров (напряжение и скорость подачи раствора) на диаметр получаемых волокон. Процесс синтеза волокон проводился в среде аргона, чтобы исключить влияние влажности атмосферы внутри герметичного бокса. Для удаления паров растворителя, образующихся при высыхании волокна, задействовалась система осушки и очистки газа. Температурный режим внутри бокса поддерживался на уровне 40-50

Из литературных источников известно множество попыток математически описать зависимость диаметра волокон от параметров процесса электропрядения, при этом все они дают лишь качественное представление, поэтому выбор условий синтеза производится экспериментально.

Для оценочного расчёта была выбрана следующая формула [3]:

(1)

где конечный радиус струи (м), вязкость (Па·с), электропроводность (См/м), диэлектрическая проницаемость, объёмный расход раствора (м³/с), электрические потенциалы сопла (В), электрические потенциалы объёмного электрического заряда облака, образуемого дрейфующим волокном (В).

Одним из важнейших параметров для прядильного раствора являются его вязкость и электропроводность. Известно, что электропроводность можно контролировать, добавляя к раствору тетра-н-бутиламмониййодид. Однако, такие добавки могут оказать негативное влияние на характеристики ячейки щелочного электролиза. Поэтому в экспериментах использовались растворы, электропроводность которых была обусловлена только полимером и растворителем. Ввиду отсутствия в экспериментах электропроводящей добавки в растворе, а также гидрофобности получаемых полимерных волокон, в формулу (1) был введён поправочный коэффициент 0,4:

(2)

Дальнейшие расчёты производились по формуле (2), умножая полученный результат на два для определения диаметра. Были проведены эксперименты для определения влияния напряжённости электрического поля на размер получаемых волокон.

График 1. Зависимость диаметра волокон от напряжения

На графике 1 видно, что с ростом напряженности поля, диаметр волокон становится меньше, но до определенного предела. Надо отметить, что с увеличением напряженности, влияние этого фактора уменьшается.

Особый интерес вызывает зависимость влияния скорости подачи раствора полимера дозатором. Изменение режима работы дозатора позволяет напрямую влиять на размер получаемых волокон.

График 2. Зависимость диаметра волокон от скорости подачи раствора

Для сохранения стабильности процесса, скорость подачи раствора полимера в область формирования конуса Тэйлора должна быть равна скорости истечения струи полимера. При низкой скорости подачи, струя становится прерывистой, а при слишком высокой скорости возможно образование локальных утолщений (биссерный эффект).

Варьирование таких параметров как рабочее напряжение и скорость подачи раствора с определенной вязкостью позволяет менять размер получаемых нановолокон, что можно контролировать с помощью формулы (2).

Литература.

1. N. V. Kuleshov, V. N. Kuleshov, S. A. Dovbysh, et al. “Polymeric Composite Diaphragms for Water Electrolysis with Alkaline Electrolyte” // Russian Journal of Applied Chemistry, -2016, -Vol. 89, -No. 4, -pp. 505-509.

2. А. И. Гуляев. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук: “Технология электроформирования волокнистых материалов на основе полисульфона и полидифениленфталида”. Москва 2009.

3. С.И.Попов, В.А.Губенский. Лакокрасочные материалы и их применение.

(1967), N1, с.27-30.