RU2839734C1 - Method of disperse polymer electrets producing - Google Patents
Method of disperse polymer electrets producing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2839734C1 RU2839734C1 RU2024134090A RU2024134090A RU2839734C1 RU 2839734 C1 RU2839734 C1 RU 2839734C1 RU 2024134090 A RU2024134090 A RU 2024134090A RU 2024134090 A RU2024134090 A RU 2024134090A RU 2839734 C1 RU2839734 C1 RU 2839734C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- polymer
- chemical
- aqueous solution
- polymer particles
- defects
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техникиField of technology
Предложенное изобретение относится к способу получения дисперсных полимерных электретов для различных областей техники в качестве источников внешнего электрического поля, в частности, дисперсные полимерные электреты могут быть применены в медицине для поляризации веществ и активации регенеративных процессов в тканях.The proposed invention relates to a method for producing dispersed polymer electrets for various fields of technology as sources of an external electric field, in particular, dispersed polymer electrets can be used in medicine for polarizing substances and activating regenerative processes in tissues.
Уровень техникиState of the art
Из уровня техники известно техническое решение (патент на изобретение РФ 2477540, опубл. 10.03.2013), которое относится к способу получения пленочных электретов, и может быть использовано, например, при производстве биполярных электретных микрофонов и нового класса пьезодатчиков на основе ламинированных электретных пленок, обладающих гигантским пьезомодулем (до 1000 нКл/Н). Технический результат - повышение величины и стабильности поверхностной плотности положительного заряда в пленочных фторполимерах. Технический результат достигается тем, что на поверхность фторполимерной пленки наносят дискретный слой, состоящий из изолированных друг от друга наноразмерных агрегатов титансодержащих наноструктур. Нанесение наноразмерных агрегатов титансодержащих наноструктур осуществляется при помощи химической нанотехнологии, основанной на принципах метода молекулярного наслаивания. В реакторе проточного типа производится обработка поверхности полимера парами тетрахлорида титана. В результате к углеродной цепи поверхностных макромолекул, за счет обменных химических реакций, прививаются титансодержащие наноструктуры вида О-Ti(Cl)3. Агрегаты таких наноструктур имеют округлую форму диаметром 80-200 нм в плане и толщину порядка 20-30 нм. Титансодержащие наноструктуры являются глубокими ловушками для положительного заряда и, кроме того, значительно снижают молекулярную подвижность, что приводит к увеличению стабильности поверхностной плотности положительного заряда, сообщаемого фторполимеру при электретировании.A technical solution is known from the prior art (patent for invention of the Russian Federation 2477540, published on 10.03.2013), which relates to a method for producing film electrets, and can be used, for example, in the production of bipolar electret microphones and a new class of piezoelectric sensors based on laminated electret films with a giant piezoelectric modulus (up to 1000 nC/N). The technical result is an increase in the value and stability of the surface density of the positive charge in film fluoropolymers. The technical result is achieved by applying a discrete layer to the surface of the fluoropolymer film, consisting of nanosized aggregates of titanium-containing nanostructures isolated from each other. The application of nanosized aggregates of titanium-containing nanostructures is carried out using chemical nanotechnology based on the principles of the molecular layering method. In a flow-type reactor, the polymer surface is treated with titanium tetrachloride vapors. As a result, titanium-containing nanostructures of the O-Ti(Cl) 3 type are grafted to the carbon chain of surface macromolecules due to exchange chemical reactions. Aggregates of such nanostructures have a rounded shape with a diameter of 80-200 nm in plan and a thickness of about 20-30 nm. Titanium-containing nanostructures are deep traps for the positive charge and, in addition, significantly reduce molecular mobility, which leads to an increase in the stability of the surface density of the positive charge imparted to the fluoropolymer during electretization.
Однако данный способ не позволяет получить дисперсные полимерные электреты, которые обладают большей поверхностной площадью для формирования новых энергетических центров в процессе обработки и, соответственно, известный способ не позволяет получить электреты с большой плотностью заряда.However, this method does not allow obtaining dispersed polymer electrets, which have a larger surface area for the formation of new energy centers during processing and, accordingly, the known method does not allow obtaining electrets with a high charge density.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Прежде всего необходимо отметить, что в рамках настоящей заявки под электретами понимаются электрические аналоги постоянных магнитов, физика работы которых основана на достаточно сложных явлениях, лежащих в основе электретного состояния диэлектриков. Электреты относятся к классу активных диэлектриков и представляют собой материалы, способные после снятия внешнего воздействия сохранять длительное время (месяцы и даже годы) остаточную поляризацию и генерировать сравнительно сильное (до 106 В/м) квазистатическое (медленно меняющееся во времени) электрическое поле. Таким образом, электретный эффект - это способность диэлектриков накапливать и длительное время сохранять электрические заряды.First of all, it should be noted that within the framework of this application, electrets are understood as electrical analogues of permanent magnets, the physics of whose operation is based on fairly complex phenomena underlying the electret state of dielectrics. Electrets belong to the class of active dielectrics and are materials capable of maintaining residual polarization for a long time (months and even years) after removal of external influence and generating a relatively strong (up to 106 V/m) quasi-static (slowly changing over time) electric field. Thus, the electret effect is the ability of dielectrics to accumulate and retain electric charges for a long time.
В данном техническом решении в качестве материла для получения электретов выбраны полимеры.In this technical solution, polymers are chosen as the material for obtaining electrets.
По элементному составу имеющиеся полимерные электреты делятся на две категории: фторсодержащие полимеры и нефторсодержащие. Фторированный этиленпропилен (ФЭП), политетрафторэтилен (ПТФЭ), перфтор (1-бутенилвинилвиниловый эфир) полимер, поливинилиденфторид (ПВДФ) и т. д., классифицируются как фторированные полимерные электреты. К полимерам, не содержащим фтора, относятся, такие как каптон, парилен, эпоксиды или простые полиэфиры и т.д.According to the elemental composition, the existing polymer electrets are divided into two categories: fluorinated polymers and non-fluorinated polymers. Fluorinated ethylene propylene (FEP), polytetrafluoroethylene (PTFE), perfluoro(1-butenyl vinyl ether) polymer, polyvinylidene fluoride (PVDF), etc. are classified as fluorinated polymer electrets. Non-fluorinated polymers include Kapton, Parylene, epoxides or polyethers, etc.
На сегодняшний день встречаются пленочные и волокнистые формы изделий из полимерных электретов. Наивысшую пьезо- и пироэлектрическую активность имеют полимеры на основе винилиденфторида. Так, пьезоэлектрическая пленка из поливинилденфторида (ПВДФ), как преобразователь механической энергии в электрическую, превосходит по чувствительности кварц и значительно керамику. Кроме того, пьезоэлектрической пленке можно придавать практически любую форму, без какой-либо потери ее активности, она обладает хорошей механической прочностью и ударостойкостью. Также известно, что стабильность потенциала волокнитов на основе полиэтилена и полипропилена лучше, чем у пленок из тех же материалов. Это обусловило широкое применение волокнитов при создании фильтров. Предполагается, что высокая стабильность потенциала волокнитов связана с наличием в них нестехиометрических дефектов (карбонильные группы и ненасыщенные звенья).Today, there are film and fibrous forms of products made of polymer electrets. Polymers based on vinylidene fluoride have the highest piezo- and pyroelectric activity. Thus, a piezoelectric film made of polyvinylidene fluoride (PVDF), as a converter of mechanical energy into electrical energy, surpasses quartz and significantly ceramics in sensitivity. In addition, a piezoelectric film can be given almost any shape without any loss of its activity, it has good mechanical strength and impact resistance. It is also known that the stability of the potential of fiber reinforced plastics based on polyethylene and polypropylene is better than that of films made of the same materials. This has led to the widespread use of fiber reinforced plastics in the creation of filters. It is assumed that the high stability of the potential of fiber reinforced plastics is due to the presence of non-stoichiometric defects in them (carbonyl groups and unsaturated links).
Однако, электреты, выполненные из полимерных материалов пленочной и волокнистой форм имеют недостаток - быстро теряют свои захваченные заряды, т.е. такие электреты не обладают стабильным поверхностным зарядом и как следствие имеют низкую плотность заряда, ограничены в значениях плотности поверхностного заряда.However, electrets made from polymeric materials in film and fibrous forms have a disadvantage - they quickly lose their captured charges, i.e. such electrets do not have a stable surface charge and, as a consequence, have a low charge density, limited in the values of surface charge density.
Для решения указанной проблемы, а именно, повышения стабильности поверхностных зарядов полимерных электретов прибегают к различного рода воздействиям на поверхностную структуру полимеров с целью развития микрорельефа (создания поверхностных дефектов структуры полимера). Возникающие дефекты играют роль так называемых «ловушек» или ячеек заряда.To solve the problem, namely, to increase the stability of the surface charges of polymer electrets, various types of effects on the surface structure of polymers are used to develop microrelief (create surface defects in the polymer structure). The resulting defects play the role of so-called "traps" or charge cells.
Ячейки или «ловушки» заряда - это электрически активные дефекты материала, способные захватывать внешние заряды в результате воздействия энергетических факторов: радиации, механических воздействий, постоянного электрического поля, пучка электронов, коронного разряда и др. Наиболее распространенные технологии создания электретов: термполяризация и коронный разряд.Cells or charge "traps" are electrically active defects of the material capable of capturing external charges as a result of the impact of energy factors: radiation, mechanical impacts, constant electric field, electron beam, corona discharge, etc. The most common technologies for creating electrets are thermal polarization and corona discharge.
Природа поверхностных дефектов в случае высокомолекулярных соединений зависит от кинетических особенностей процесса кристаллизации полимерных структур, а также от характера физического и химического воздействия на уже сформированную полимерную цепь. В полимерах возможны следующие типы дефектов: концы макромолекулы, петли, иные супрамолекулярные конструкции и точечные дефекты, сдвиговые дислокации.The nature of surface defects in the case of high-molecular compounds depends on the kinetic features of the crystallization process of polymer structures, as well as on the nature of the physical and chemical effects on the already formed polymer chain. The following types of defects are possible in polymers: ends of a macromolecule, loops, other supramolecular structures and point defects, shear dislocations.
Таким образом, диэлектрик переходит в электретное состояние в результате воздействия энергетических факторов и последующем захвате инжектированных зарядов имеющимися дефектами (ловушками) в полимерной структуре, а также поляризации (в случае полярных веществ).Thus, the dielectric passes into an electret state as a result of the influence of energy factors and the subsequent capture of injected charges by existing defects (traps) in the polymer structure, as well as polarization (in the case of polar substances).
С одной стороны, ловушки не только захватывают и удерживают инжектированные заряды, но и в тоже время являются источниками утечки зарядов.On the one hand, traps not only capture and hold injected charges, but at the same time are sources of charge leakage.
Кроме того, в полимерах могут возникать молекулярные релаксационные процессы различного характера в зависимости от типа обретенных зарядов. Температура применения электретов влияет на движение молекулярных групп и сегментов основной цепи. Чем выше температура, тем интенсивнее и глубже подвижность, которая влияет и побуждает на перестройку основной цепи полимеров, что соответственно влияет на время релаксации: движение молекулярных групп стимулирует релаксацию инжектированных зарядов, перестройка основной цепи - релаксацию пространственных зарядов.In addition, molecular relaxation processes of various natures may occur in polymers depending on the type of acquired charges. The temperature of application of electrets affects the movement of molecular groups and segments of the main chain. The higher the temperature, the more intense and deeper the mobility, which affects and induces the rearrangement of the main chain of polymers, which accordingly affects the relaxation time: the movement of molecular groups stimulates the relaxation of injected charges, the rearrangement of the main chain - the relaxation of spatial charges.
Поэтому важным фактором для повышения стабильности и плотности заряда является глубина ячеек. Именно глубина ячеек оказывает прямое влияние на время релаксации зарядов. Чем глубже дефект, тем больше возможность у заряда проникнуть в более глубокие слои полимера. Таким образом, тем больший путь необходимо преодолеть заряду для его освобождения из ловушки (т.е. время релаксации увеличивается).Therefore, an important factor for increasing the stability and density of the charge is the depth of the cells. It is the depth of the cells that has a direct effect on the relaxation time of the charges. The deeper the defect, the greater the opportunity for the charge to penetrate into the deeper layers of the polymer. Thus, the greater the distance the charge must travel to release it from the trap (i.e., the relaxation time increases).
В связи с вышеизложенным целью изобретения является разработка способа получения химически активированных дисперсных полимерных электретных частиц с высокой плотностью заряда по сравнению с величиной обретаемого заряда пленочными полимерными электретами в электростатическом поле коронного разряда.In connection with the above, the aim of the invention is to develop a method for producing chemically activated dispersed polymer electret particles with a high charge density compared to the magnitude of the charge acquired by film polymer electrets in the electrostatic field of a corona discharge.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение заключается в повышении плотности заряда полимерного электрета.The technical result that the proposed technical solution is aimed at achieving consists of increasing the charge density of the polymer electret.
Данный технический результат достигается благодаря применению предложенного способа получения дисперсных полимерных электретов, включающего этапы обработки полимерных материалов, на которых осуществляют их измельчение до получения полимерных частиц с поверхностными дефектами методом дробления и их направление на промывку водным раствором детергентов, после чего промытые полимерные частицы с поверхностными дефектами подвергают химической активации и направляют на сушку, после которой химически активированные полимерные частицы подвергают электризации в электростатическом поле коронного разряда так, что полученные в процессе дробления и обработки химическим активатором поверхностные дефекты полимерных частиц приобретают роль ячеек (ловушек) и накапливают электрические заряды, причем процесс химической активации заключается в использовании химического активатора, который обеспечивает возможность увеличения глубины уже существующих поверхностных дефектов и формирования новых дефектов на поверхности полимерной частицы без её разрушения.This technical result is achieved by using the proposed method for obtaining dispersed polymer electrets, including stages of processing polymeric materials, in which they are crushed to obtain polymer particles with surface defects by crushing and sent for washing with an aqueous solution of detergents, after which the washed polymer particles with surface defects are subjected to chemical activation and sent for drying, after which the chemically activated polymer particles are subjected to electrification in an electrostatic field of a corona discharge so that the surface defects of the polymer particles obtained in the process of crushing and processing with a chemical activator acquire the role of cells (traps) and accumulate electric charges, and the process of chemical activation consists in using a chemical activator, which provides the possibility of increasing the depth of already existing surface defects and the formation of new defects on the surface of a polymer particle without its destruction.
Химически активированные полимерные частицы, подвергаемые электризации в электростатическом поле коронного разряда, прогреты до 60° С.Chemically activated polymer particles subjected to electrification in the electrostatic field of a corona discharge are heated to 60° C.
Химический активатор представляет собой водный раствор кислоты или водный раствор щелочи или водный раствор ПАВ, которые обеспечивают возможность увеличения глубины уже существующих поверхностных дефектов и формирования новых дефектов на поверхности полимерной частицы без её разрушения.The chemical activator is an aqueous solution of acid or an aqueous solution of alkali or an aqueous solution of surfactants, which provide the ability to increase the depth of existing surface defects and form new defects on the surface of a polymer particle without destroying it.
Химический активатор представляет собой водный раствор серной кислоты или гидроксида натрия или алкилбензолсульфокислоты.The chemical activator is an aqueous solution of sulfuric acid or sodium hydroxide or alkylbenzene sulfonic acid.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Фиг. 1. Микрофотография поверхности дробленого полипропилена до активации химическим реагентом (химическим активатором).Fig. 1. Micrograph of the surface of crushed polypropylene before activation with a chemical reagent (chemical activator).
Фиг. 2. Микрофотография поверхности дробленого полипропилена, активированного раствором H2SO4.Fig. 2. Micrograph of the surface of crushed polypropylene activated by a solution of H 2 SO 4 .
Фиг. 3. Микрофотография поверхности дробленого полипропилена, активированного раствором NaOH.Fig. 3. Micrograph of the surface of crushed polypropylene activated by NaOH solution.
Фиг. 4. Микрофотография поверхности дробленого полипропилена, активированного раствором АБСК.Fig. 4. Micrograph of the surface of crushed polypropylene activated by ABSK solution.
Фиг. 5. Микрофотография поверхности дробленого полиэтилентерефталата до активации химическим реагентом (химическим активатором).Fig. 5. Micrograph of the surface of crushed polyethylene terephthalate before activation with a chemical reagent (chemical activator).
Фиг.6 Микрофотография поверхности дробленого полиэтилентерефталата, активированного раствором АБСК.Fig. 6 Micrograph of the surface of crushed polyethylene terephthalate activated by an ABS solution.
Фиг.7 Микрофотография поверхности дробленого полиэтилентерефталата, активированного раствором NaOH.Fig. 7 Micrograph of the surface of crushed polyethylene terephthalate activated with NaOH solution.
Фиг.8 Технологическая схема реализации способа получения дисперсных полимерных электретов.Fig. 8. Technological scheme for implementing the method for producing dispersed polymer electrets.
Фиг. 9. Конструкция электростатического барабанного активатора.Fig. 9. Design of electrostatic drum activator.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Исходным материалом для получения электретов являются полимеры. Как указывалось выше, в качестве полимеров применяют как фторсодержащие полимеры (например, политетрафторэтилен (ПТФЭ), полиэтилентерефталат (ПЭТФ), фторированный этиленпропилен (ФЭП), полихлортрифторэтилен, полиэтилентетрафторэтилен и др.), так и нефторсодержащие (полипропилен (ПП), полиэтилен, полиэтилентерефталат, полистирол и др.). Выбор того или иного вида полимера определяется областью эксплуатации электретов.The starting material for obtaining electrets are polymers. As indicated above, both fluorine-containing polymers (e.g., polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene terephthalate (PET), fluorinated ethylene propylene (FEP), polychlorotrifluoroethylene, polyethylenetetrafluoroethylene, etc.) and non-fluorine-containing polymers (polypropylene (PP), polyethylene, polyethylene terephthalate, polystyrene, etc.) are used as polymers. The choice of one or another type of polymer is determined by the area of use of the electrets.
Для того, чтобы диэлектрик, а в данном случае полимер, смог перейти в электретное состояние, необходимо воздействие на него энергетическими факторами, такими как электризация в коронном разряде.In order for a dielectric, and in this case a polymer, to be able to transition to an electret state, it must be exposed to energy factors, such as electrification in a corona discharge.
Электризация в коронном разряде является наиболее технологичным способом получения электретов. Сравнительные исследования стабильности полимерных электретов, полученных различными методами, показали, что по такому параметру, как время релаксации поверхностного потенциала, короноэлектреты не уступают, а в большинстве случаев превосходят другие типы электретов.Electrification in a corona discharge is the most technologically advanced method of obtaining electrets. Comparative studies of the stability of polymer electrets obtained by various methods have shown that in terms of such a parameter as the relaxation time of the surface potential, corona electrets are not inferior, and in most cases surpass other types of electrets.
Справедливость этого утверждения особенно четко проявляется при изготовлении электретов из неполярных полимеров, таких как ПТФЭ, сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом, полипропилен, полиэтилен и др.The validity of this statement is especially evident in the production of electrets from non-polar polymers such as PTFE, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polypropylene, polyethylene, etc.
В качестве коронирующих электродов при получении короноэлектретов могут быть использованы тонкие проволоки, иглы или лезвия.Thin wires, needles or blades can be used as corona electrodes to obtain corona electrets.
Согласно предложенному способу для того, чтобы усилить эффект заряда, т.е. повысить возможную плотность заряда, которую может обрести электрет, и время релаксации, необходимо увеличить площадь контакта электретного материала с коронирующим электродом. Для увеличения площади контакта, а также глубины уже существующих ячеек и возникновения новых энергетических центров, равномерно рассредоточенных по всей поверхности, предварительно на структуру полимеров необходимо воздействовать физическим и химическим способами.According to the proposed method, in order to enhance the effect of the charge, i.e. to increase the possible charge density that the electret can acquire and the relaxation time, it is necessary to increase the contact area of the electret material with the corona electrode. In order to increase the contact area, as well as the depth of the existing cells and the emergence of new energy centers uniformly distributed over the entire surface, it is necessary to act on the structure of the polymers in advance by physical and chemical methods.
Ранее в уровне техники не рассматривался способ электризации полимерных частиц в электростатическом поле коронного разряда. Применение данного способа позволило получить дисперсные электретные полимерные частицы различных размеров (например: 0,5 - 5 мм, причем размер в целом зависит от возможностей оборудования, на котором осуществляют производство электретов и, соответственно, размер частиц может иметь и другие значения) за счет простоты и удобства технологического процесса, сравнительно небольшого времени прохождения частиц через электростатическое поле.Previously, the state of the art did not consider the method of electrification of polymer particles in the electrostatic field of a corona discharge. The use of this method made it possible to obtain dispersed electret polymer particles of various sizes (for example: 0.5 - 5 mm, and the size as a whole depends on the capabilities of the equipment on which the production of electrets is carried out and, accordingly, the particle size may have other values) due to the simplicity and convenience of the technological process, the relatively short time of passage of particles through the electrostatic field.
В качестве примера можно привести расчет с частицами, имеющими сферическую или приближенную к сферической форму. Так, если расположить сферичные измельченные частицы полимеров размером 0,1 см на площади 100 см2, то на 10 см придется 100 таких частиц, а соответственно на площадь 100 см2 придется 10 000 измельченных частиц. При площади сферы: S(сферы) =4πR2 = 4⋅3,14⋅0,01=0,1256 см2 площадь контакта сферических дисперсных полимерных частиц Sк 10 000*0,1256 см2 = 1256 см2.As an example, we can give a calculation with particles that have a spherical or nearly spherical shape. Thus, if we arrange spherical crushed polymer particles of 0.1 cm in size on an area of 100 cm 2 , then there will be 100 such particles per 10 cm, and accordingly, there will be 10,000 crushed particles per area of 100 cm 2 . With the area of a sphere: S (sphere) = 4πR 2 = 4⋅3.14⋅0.01 = 0.1256 cm 2 , the contact area of spherical dispersed polymer particles S to 10,000 * 0.1256 cm 2 = 1256 cm 2 .
Однако, расчет был проведен с учетом дефектов на поверхности измельченных частиц, которые возникают при дроблении с последующей химической активацией, что увеличивает площадь поверхности по сравнению со сферой. В этих расчетах принимается во внимание коэффициент Буссройда - отклонение поверхности от сферичной формы. Чем меньше эквивалентный радиус частиц, тем больше значение коэффициента Буссройда, который зависит от объема и площади поверхности частиц. При равных условиях активации у частиц с меньшим радиусом активнее развивается степень несферичности.However, the calculation was carried out taking into account the defects on the surface of the crushed particles that arise during crushing with subsequent chemical activation, which increases the surface area compared to a sphere. In these calculations, the Bussroyd coefficient is taken into account - the deviation of the surface from a spherical shape. The smaller the equivalent radius of the particles, the greater the value of the Bussroyd coefficient, which depends on the volume and surface area of the particles. Under equal activation conditions, particles with a smaller radius develop a degree of non-sphericity more actively.
Соответственно при коронной зарядке дисперсных полимерных частиц в электростатическом барабанном сепараторе площадь контакта с коронирующим электродом увеличивается в более чем 1256 раз, по сравнению с полимерной пленкой, заряженной коронным разрядом. Данные этих расчетов подтверждены результатами анализа микрофотографий поверхности дробленых полимеров, активированных растворами ПАВ, представленными на фигурах 2-7.Accordingly, during corona charging of dispersed polymer particles in an electrostatic drum separator, the contact area with the corona electrode increases by more than 1256 times, compared to a polymer film charged by a corona discharge. The data of these calculations are confirmed by the results of the analysis of microphotographs of the surface of crushed polymers activated by surfactant solutions, presented in Figures 2-7.
В таблице 1 представлены основные электрические свойства полимеров, которые дают общую картину в различии типов полимеров между собой. Данные характеристики являются своего рода точкой опоры для подбора основных параметров процессов активации и электризации поверхностей частиц.Table 1 presents the main electrical properties of polymers, which provide a general picture of the differences between polymer types. These characteristics are a kind of support point for selecting the main parameters of the processes of activation and electrification of particle surfaces.
Таблица 1.Table 1.
сопротивление, Ом⋅смSpecific volumetric electrical
resistance, Ohm⋅cm
(1 мм)50±5
(1 mm)
(плёнка, степень кристалличности 60%)Polyethylene terephthalate (PET)
(film, degree of crystallinity 60%)
(25 мм)300
(25 mm)
(степень кристалличности 26%)Polycarbonate amorphous film
(crystallinity 26%)
1-2⋅1017 1.5-6⋅10 16
1-2⋅10 17
2,932.96
2.93
150-200 (10 мкм)20±1 (2 mm)
150-200 (10 microns)
По электрическому сопротивлению полимерные материалы можно разделить на проводники (<103 Ом⋅см), антистатические материалы (от 103 до 109 Ом⋅см) и изоляторы (>109 Ом⋅см). Удельное объемное сопротивление (pv) - отношение напряженности электрического поля к плотности тока, проходящего через объем образца материала, удельное поверхностное сопротивление (ps) - отношение напряженности электрического поля к току на единицу ширины поверхности образца материала:According to electrical resistance, polymeric materials can be divided into conductors (<10 3 Ohm⋅cm), antistatic materials (from 10 3 to 10 9 Ohm⋅cm) and insulators (>10 9 Ohm⋅cm). Specific volume resistance (p v ) is the ratio of the electric field strength to the current density passing through the volume of the material sample, specific surface resistance (p s ) is the ratio of the electric field strength to the current per unit width of the surface of the material sample:
где Е - напряженность электрического поля (В/м); iv- плотность тока,where E is the electric field strength (V/m); i v is the current density,
где Е - напряженность электрического поля (В/м); is- плотность поверхностного тока.where E is the electric field strength (V/m); i s is the surface current density.
Зная удельные объемные и поверхностные сопротивления материалов, можно оценить плотность тока, который может пропустить через свой объем или поверхность каждый тип полимера при определенной напряженности.Knowing the specific volume and surface resistances of materials, it is possible to estimate the current density that each type of polymer can pass through its volume or surface at a certain voltage.
Диэлектрическая проницаемость характеризует поведение диэлектрика в электрических полях, а именно увеличение емкости конденсатора (С) при внесении в него диэлектрика по сравнению с емкостью того же конденсатора с вакуумом (C0): ε=С/С0.The permittivity characterizes the behavior of a dielectric in electric fields, namely the increase in the capacitance of a capacitor (C) when a dielectric is introduced into it compared to the capacitance of the same capacitor with a vacuum (C 0 ): ε = C/C 0 .
Таким образом, это параметр, отражающий поведение полимерного диэлектрика в переменном электрическом поле, также определяет полярность или неполярность диэлектрика, что дает знание о характере воздействия на полимер электрического поля.Thus, this parameter, reflecting the behavior of the polymer dielectric in an alternating electric field, also determines the polarity or non-polarity of the dielectric, which provides knowledge about the nature of the effect of the electric field on the polymer.
Анализируя диэлектрические характеристики полиолефинов, был сделан вывод, что ПЭВД и ПП - это неполярные полимеры, ПЭНД, ПВХ, ПС, ПЭТФ, ПК относятся к группе малополярных полимеров, ПА - полярный полимер, ПУ - сильнополярный. Данные характеристики определили, что наиболее подходящий способ создания электрета - предварительная физико-химическая обработка поверхности с целью создания дефектов в виде трещин и свободных связей без нарушения объемной структуры во избежание потери основных качеств и свойств.Analyzing the dielectric characteristics of polyolefins, it was concluded that LDPE and PP are non-polar polymers, HDPE, PVC, PS, PETF, PC belong to the group of low-polar polymers, PA is a polar polymer, PU is highly polar. These characteristics determined that the most suitable method for creating an electret is preliminary physicochemical surface treatment in order to create defects in the form of cracks and free bonds without violating the volumetric structure in order to avoid losing the main qualities and properties.
В случае механического воздействия в виде дробления для оценки энергии, которую необходимо приложить для разрыва связи, образования ячеек зарядов проводится сравнение табличных значений энергии молекулярной связи в таблице 2.In the case of mechanical action in the form of crushing, to assess the energy that must be applied to break the bond and form charge cells, a comparison is made of the tabular values of the molecular bond energy in Table 2.
Таблица 2.Table 2.
Значения силы удара (напряжения), которое необходимо для разрушения полимерного материала и получения эффективных размеров трещин ячеек, возможно пересчитать на параметр дробилки - окружную скорость ротора по общеизвестной формуле классической теории удараThe values of the impact force (stress) required to destroy the polymer material and obtain effective cell crack sizes can be recalculated into the crusher parameter - the rotor circumferential speed using the well-known formula of classical impact theory
где ρ - в кг/м3, Dсв- средневзвешенный размер исходного материала, м.where ρ is in kg/ m3 , D св is the average weighted size of the source material, m.
Для оценки энергии, используемой на разрушение (Эдр - Дж), применима формула А.И. Косарева:To estimate the energy used for destruction (E dr - J), the formula of A.I. Kosarev is applicable:
где k1=0,9-0,95 - коэффициент, учитывающий условия процесса, mk-масса частицы, кг.where k 1 = 0.9-0.95 is a coefficient taking into account the process conditions, m k is the mass of the particle, kg.
Итак, первоначально на структуру полимеров воздействуют физическим методом - измельчают полимер до получения полимерных частиц с поверхностными дефектами методом дробления. Для измельчения может быть применено любое устройство, известное специалисту из уровня техники и применяемое для дробления полимерных материалов, например, роторно-ножевая дробилка типа РМ 120М. Дробление является важной стадией предложенного способа, так как инициирует механодеструкцию поверхностных слоев полимера - образование поверхностных дефектов в структуре полимера, которые в последующем будут выполнять роль ячеек для захвата заряда.Thus, initially the structure of polymers is affected by a physical method - the polymer is crushed to obtain polymer particles with surface defects by crushing. Any device known to a specialist from the state of the art and used for crushing polymer materials can be used for crushing, for example, a rotary knife crusher of the RM 120M type. Crushing is an important stage of the proposed method, since it initiates mechanical destruction of the surface layers of the polymer - the formation of surface defects in the polymer structure, which will subsequently act as cells for capturing the charge.
Далее измельченные полимерные частицы направляют на промывку водным раствором детергента. В качестве детергента может быть использовано любое моющее средство, известное специалисту из уровня техники и применяемое для очистки поверхности твёрдых полимерных частиц от загрязнений.Next, the crushed polymer particles are sent for washing with an aqueous solution of detergent. Any detergent known to a specialist from the state of the art and used to clean the surface of solid polymer particles from contamination can be used as a detergent.
Промытые полимерные частицы с уже поверхностными дефектами, образованными после стадии дробления, подвергают химической активации. Химическую активацию осуществляют с применением химического активатора. Химический активатор выбирается так, что он обеспечивает возможность увеличения глубины уже существующих поверхностных дефектов и формирования новых дефектов на поверхности полимерной частицы без её разрушения. Под разрушением в данном случае понимается полное разрушение частицы с потерей объемной структуры, которая могла бы обеспечить удержание электрических зарядов. Для проведения процесса химической активации может применяться любое известное специалисту из уровня техники устройство (например, типа смесителя), обеспечивающее полный контакт поверхности полимерных частиц с химическим активатором. Так, например, чистую полимерную смесь частиц помещают в емкость с магнитной мешалкой, в которую добавляют химический активатор. Процесс перемешивания частиц может длиться, например: 5, 10, 15, 25, 50 минут.Washed polymer particles with already surface defects formed after the crushing stage are subjected to chemical activation. Chemical activation is carried out using a chemical activator. The chemical activator is selected so that it provides the possibility of increasing the depth of already existing surface defects and forming new defects on the surface of the polymer particle without its destruction. In this case, destruction is understood as the complete destruction of the particle with the loss of the volume structure that could ensure the retention of electric charges. To carry out the chemical activation process, any device known to a specialist from the prior art (for example, a mixer type) can be used, ensuring full contact of the surface of the polymer particles with the chemical activator. Thus, for example, a pure polymer mixture of particles is placed in a container with a magnetic stirrer, to which a chemical activator is added. The process of mixing the particles can last, for example: 5, 10, 15, 25, 50 minutes.
Химический активатор представляет собой водный раствор кислоты или водный раствор щелочи или водный раствор ПАВ.The chemical activator is an aqueous solution of acid or an aqueous solution of alkali or an aqueous solution of surfactant.
Так, например в качестве химического активатора может быть выбран кислотный деструктор - водный раствор серной кислоты, щелочной деструктор - водный раствор щелочи (например, едкий натр или едкий калий), а также водные растворы ПАВ (например, алкилбензолсульфокислота, алкилбензолсульфонат натрия). Концентрации указанных растворов могут быть выбраны такими, как 1 моль/л; 1,5 моль/л; 2 моль/л.For example, an acidic destructor - an aqueous solution of sulfuric acid, an alkaline destructor - an aqueous solution of alkali (for example, caustic soda or caustic potassium), as well as aqueous solutions of surfactants (for example, alkylbenzene sulfonic acid, sodium alkylbenzene sulfonate) can be selected as a chemical activator. The concentrations of the specified solutions can be selected as 1 mol/l; 1.5 mol/l; 2 mol/l.
Химический активатор подбирается эмпирическим путем, т.е. сравнивается их эффективность в отношении определенного вида полимера. Активация зависит от типа полимера, а именно его химической структуры, молекулярной массы, диэлектрических свойств, а также от самого типа активатора, температуры и времени обработки полимера. К конкретному полимеру химический активатор выбирается по одному для сравнения эффективности. Эффективность оценивается по возможности увеличения глубины уже существующих поверхностных дефектов и формирования новых дефектов на поверхности полимерной частицы без её разрушения. В исследовании были использованы, как щелочные, так и кислотные деструкторы, которые показали приблизительно равные значения размера ячеек, однако при обработке смеси полимеров растворами гидроксида натрия и калия, а также серной кислоты необходимо учитывать степень деградации полимеров, в особенности полимеров ПЭТФ. Поэтому при разработке технологии выбор деструктора должен зависеть от экологических, экономических факторов, а также от конечных характеристик вторичного сырья.The chemical activator is selected empirically, i.e. their efficiency is compared with respect to a certain type of polymer. Activation depends on the type of polymer, namely its chemical structure, molecular weight, dielectric properties, as well as the type of activator itself, temperature and time of polymer processing. For a specific polymer, a chemical activator is selected one at a time to compare the efficiency. The efficiency is assessed by the possibility of increasing the depth of existing surface defects and forming new defects on the surface of a polymer particle without destroying it. The study used both alkaline and acidic destructors, which showed approximately equal values of the cell size, however, when processing a polymer mixture with sodium and potassium hydroxide solutions, as well as sulfuric acid, it is necessary to take into account the degree of degradation of polymers, especially PET polymers. Therefore, when developing a technology, the choice of a destructor should depend on environmental, economic factors, as well as the final characteristics of secondary raw materials.
В качестве примера можно отметить, что ряд химических активаторов, был определен в процессе экспериментов для каждого из исследованных полимерных электретов. Как было указано выше в качестве таких химических активаторов может выступать водный раствор серной кислоты или водный раствор щелочи или водные растворы ПАВ. В таблице 3 для примера приведены основные показатели некоторых растворов-активаторов (могут быть и иные химические активаторы).As an example, it can be noted that a number of chemical activators were determined in the course of experiments for each of the studied polymer electrets. As was indicated above, such chemical activators can be an aqueous solution of sulfuric acid or an aqueous solution of alkali or aqueous solutions of surfactants. Table 3 provides an example of the main indicators of some activator solutions (there may be other chemical activators).
Таблица 3Table 3
R = С12Н25 - С14Н29 RC 6 H 4 SO 3 H, where
R = C 12 H 25 - C 14 H 29
R = C14H29- С18Н37 RC 6 H 4 NaO 3 S, where
R = C 14 H 29 - C 18 H 37
Глубина дефектов, образованных в результате химического воздействия на поверхности исследованных полимеров, находится в диапазоне от 1,7 мкм до 7 мкм, при воздействии таких реактивов, как водные растворы поверхностно-активных веществ: алкилбензолсульфокислоты и алкилбензолсульфоната натрия, водные растворы гидроокиси натрия и калия, а также водного раствора серной кислоты, в течение 5 - 60 минут при температуре от 21 °С до 65 °С.The depth of defects formed as a result of chemical action on the surfaces of the studied polymers is in the range from 1.7 µm to 7 µm, when exposed to such reagents as aqueous solutions of surfactants: alkylbenzene sulfonic acid and sodium alkylbenzene sulfonate, aqueous solutions of sodium and potassium hydroxide, as well as an aqueous solution of sulfuric acid, for 5 - 60 minutes at a temperature of 21 °C to 65 °C.
Размер фракций активированных полимерных частиц могут регулировать при помощи лабораторных сит с размером ячеек, например: 1, 1,5, 2, 2,5 и 3 мм.The size of the fractions of activated polymer particles can be regulated using laboratory sieves with cell sizes of, for example: 1, 1.5, 2, 2.5 and 3 mm.
Полученные полимерные частицы, физически и химически активированные, направляют на сушку. Для проведения процесса сушки может применяться любое известное специалисту из уровня техники устройство (сушилка). Сушка может варьироваться в различных температурных пределах с учетом времени сушки, например, при температуре 75 °С в сушильном шкафу процесс длится в течение 6 ч.The obtained polymer particles, physically and chemically activated, are sent for drying. Any device (dryer) known to a specialist from the state of the art can be used for the drying process. Drying can vary in different temperature ranges taking into account the drying time, for example, at a temperature of 75 °C in a drying cabinet the process lasts for 6 hours.
Высушенные полимерные частицы подвергают электризации в электростатическом поле коронного разряда. В результате поверхностные дефекты полимерных частиц приобретают роль ячеек или ловушек и накапливают электрические заряды. Получаем дисперсные полимерные электреты (короноэлектреты).The dried polymer particles are subjected to electrification in the electrostatic field of the corona discharge. As a result, the surface defects of the polymer particles acquire the role of cells or traps and accumulate electric charges. We obtain dispersed polymer electrets (corona electrets).
В предложенном способе в качестве исходного материала может использоваться смесь полимерных частиц.In the proposed method, a mixture of polymer particles can be used as the starting material.
С точки зрения технологии сепарации полимерных смесей, дробление является предварительной стадией, ибо размеры поверхностных трещин-ловушек носят стохастический характер, тогда как химическая деструкция является регулируемым процессом, позволяющим направленно изменять величину и площадь поверхностных дефектов полимерных частиц, в зависимости от заданной селективности процесса.From the point of view of polymer mixture separation technology, crushing is a preliminary stage, since the sizes of surface cracks-traps are stochastic in nature, whereas chemical destruction is a controlled process that allows for a targeted change in the size and area of surface defects of polymer particles, depending on the given selectivity of the process.
Дробление инициирует механодеструкцию поверхностных слоев полимера, что в дальнейшем интенсифицирует процесс химической активации полимерных частиц, позволяет молекулам химических активаторов адсорбироваться на поверхности полимеров по физическим и химическим механизмам.Crushing initiates mechanical destruction of the surface layers of the polymer, which subsequently intensifies the process of chemical activation of polymer particles, allowing molecules of chemical activators to adsorb on the surface of polymers by physical and chemical mechanisms.
Данные экспериментов активации полимерных материалов, а именно неполярного полимера ПЭВД, группы малополярных полимеров - ПЭНД, ПП, ПС, полярных полимеров ПВХ, ПЭТФ, показывают, что наиболее рациональная технология создания электрета из смеси полярных и неполярных полимеров также включает стадии: механического растрескивания и последующей химической обработки с целью создания дефектов на поверхности. Полученные дефекты в дальнейшем играют роль «ловушек» для захвата инжектированного заряда из электростатического поля коронного разряда. Для простоты технологического процесса можно стремиться к минимизации используемых реагентов, а именно к выбору универсального активатора, который будет модифицировать поверхность сразу всех типов полимеров в смеси. Такими активаторами могут быть растворы ПАВ с кислой и щелочной средой, а именно исследуемые ПАВ - алкилбензолсульфокислота (АБСК), натриевая соль алкилбензолсульфокислоты (АБС Na) и т.д.The data of the experiments on activation of polymeric materials, namely the non-polar polymer LDPE, the group of low-polar polymers - HDPE, PP, PS, polar polymers PVC, PETF, show that the most rational technology for creating an electret from a mixture of polar and non-polar polymers also includes the stages of mechanical cracking and subsequent chemical treatment in order to create defects on the surface. The resulting defects then play the role of "traps" for capturing the injected charge from the electrostatic field of the corona discharge. For simplicity of the technological process, one can strive to minimize the reagents used, namely, to select a universal activator that will modify the surface of all types of polymers in the mixture at once. Such activators can be solutions of surfactants with an acidic and alkaline environment, namely the surfactants under study - alkylbenzene sulfonic acid (ABS), sodium salt of alkylbenzene sulfonic acid (ABS Na), etc.
Для осуществления этапов предложенного способа используется соответствующая система для получения полимерных дисперсных электретов, которая может быть выполнена следующим образом.To implement the stages of the proposed method, a corresponding system for obtaining polymer dispersed electrets is used, which can be performed as follows.
Система представлена на фигуре 8 и содержит бункер (1) с исходным материалом, по меньшей мере три ленточных конвейера ((2.1, 2.2, 2.3, 2.4), роторная дробилка (3), реактор с мешалкой для получения водного раствора детергентов (4), реактор с мешалкой для получения водного раствора активатора (5), по меньшей мере четыре дозатора, один из которых является дозатором детергентов (6.1), второй дозатором химического активатора (6.2), третий дозатором водного раствора детергентов (6.3), четвертый дозатором водного раствора химического активатора (6.4), по меньшей мере два резервуара для воды (7.1, 7.2), фрикционная шнековая мойка (8), фильтр (9), шнековый механический активатор (10), сушилка барабанного типа (11), электростатический барабанный активатор (12), классификатор отсепарированных материалов (13).The system is shown in Figure 8 and comprises a hopper (1) with a feedstock, at least three belt conveyors ((2.1, 2.2, 2.3, 2.4), a rotary crusher (3), a reactor with a stirrer for producing an aqueous solution of detergents (4), a reactor with a stirrer for producing an aqueous solution of activator (5), at least four dispensers, one of which is a detergent dispenser (6.1), the second a chemical activator dispenser (6.2), the third a detergent aqueous solution dispenser (6.3), the fourth a chemical activator aqueous solution dispenser (6.4), at least two water tanks (7.1, 7.2), a friction screw washer (8), a filter (9), a screw mechanical activator (10), a drum-type dryer (11), an electrostatic drum activator (12), a classifier of separated materials (13).
Процесс получения дисперсных полимерных электретов с помощью приведенной выше системы осуществляется следующим образом.The process of obtaining dispersed polymer electrets using the above system is carried out as follows.
В бункер (1) подают исходный полимерный материал (сырье) в виде полимерных заготовок, полимерных фракций и т.д. Из бункера (1) полимерный материал направляют в роторную дробилку (3) с помощью ленточного конвейера (2.1). В роторной дробилке (3) происходит измельчение и дробление полимерного материала до получения соответствующих частиц. Размер частиц определяется исходя из конечных требований к получаемому продукту и возможностей оборудования технологической линии (например: 0,5 - 5 мм). Далее измельченные частицы с помощью конвейера (2.2) направляются на фрикционную шнековую мойку (8). Мойка частиц осуществляется путем подачи на фрикционную шнековую мойку (8) соответствующего водного раствора детергентов, который формируют в реакторе (4) с мешалкой для получения водного раствора детергентов. Для приготовления водного раствора детергентов в реактор (4) предварительно подают воду из резервуара (7.1) для воды и детергенты из дозатора (6.1). Далее дозатором (6.3) водный раствор детергентов подают на фрикционную шнековую мойку (8), сточные воды с которой направляют в фильтр (9), а измельченные промытые частицы направляют на шнековый механический активатор (10). Шнековый механический активатор (10) выполнен с возможностью обеспечения вывода жидкой фракции на очистку (или утилизацию) и химической активации измельченных частиц путем подачи на шнековый механический активатор (10) химического активатора из дозатора (6.4). В дозатор (6.4) химический активатор поступает из реактора (5), в котором осуществляют подготовку химического активатора путем подачи в упомянутый реактор основного химического компонента активатора из дозатора (6.2) и воды из резервуара (7.2). Далее химически активированные полимерные частицы из шнекового механического активатора (10) направляются в сушилку барабанного типа (11), откуда после осуществления процесса сушки частицы посредством конвейера (2.3) направляются в устройство для электризации частиц в электростатическом поле коронного разряда. В качестве такого устройства может быть применен электростатический барабанный активатор (12).The initial polymer material (raw material) in the form of polymer blanks, polymer fractions, etc. is fed into the hopper (1). From the hopper (1), the polymer material is directed to the rotary crusher (3) using a belt conveyor (2.1). In the rotary crusher (3), the polymer material is crushed and ground until the corresponding particles are obtained. The particle size is determined based on the final requirements for the product obtained and the capabilities of the process line equipment (for example: 0.5 - 5 mm). Then, the crushed particles are directed to the friction screw washer (8) using a conveyor (2.2). The particles are washed by feeding the friction screw washer (8) with the appropriate aqueous solution of detergents, which is formed in the reactor (4) with a mixer to obtain an aqueous solution of detergents. In order to prepare an aqueous solution of detergents, water is first fed into the reactor (4) from the water tank (7.1) and detergents from the dispenser (6.1). Then, the aqueous solution of detergents is fed by the dispenser (6.3) to the friction auger washer (8), the wastewater from which is sent to the filter (9), and the crushed washed particles are sent to the auger mechanical activator (10). The auger mechanical activator (10) is designed to ensure the withdrawal of the liquid fraction for cleaning (or disposal) and chemical activation of the crushed particles by feeding the chemical activator from the dispenser (6.4) to the auger mechanical activator (10). The chemical activator is fed to the dispenser (6.4) from the reactor (5), in which the chemical activator is prepared by feeding the main chemical component of the activator from the dispenser (6.2) and water from the reservoir (7.2) to the said reactor. Then, the chemically activated polymer particles from the screw mechanical activator (10) are sent to a drum-type dryer (11), from where, after the drying process, the particles are sent by means of a conveyor (2.3) to a device for electrifying the particles in an electrostatic field of a corona discharge. An electrostatic drum activator (12) can be used as such a device.
В электростатическом барабанном активаторе (12) частицы подвергают электризации в электростатическом поле коронного разряда. Процесс заряда частиц включает заключительный этап сепарации, на котором осуществляется разделение частиц по размерам классификатором отсепарированных материалов. Данный классификатор относится к классу электрических сепараторов, которые отличаются низкой энергоемкостью, не используют промышленную воду, не загрязняют воздушную среду, поддаются полной автоматизации и управлению. Они состоят из трех основных частей: зарядное устройство (электризатор); сепаратор; высоковольтный агрегат. Принципиальная схема устройства барабанного активатора (12), содержащего в своем составе классификатор представлена на фиг.9.In the electrostatic drum activator (12), the particles are electrified in the electrostatic field of the corona discharge. The process of charging the particles includes the final separation stage, at which the particles are separated by size by a classifier of separated materials. This classifier belongs to the class of electric separators, which are characterized by low energy consumption, do not use industrial water, do not pollute the air, and are fully automated and controllable. They consist of three main parts: a charger (electrifier); a separator; a high-voltage unit. The basic diagram of the drum activator (12), which contains a classifier, is shown in Fig. 9.
В устройствах подобного типа применяют способ разделения по электрической проводимости для смесей, частицы которых различаются по значению и характеру проводимости. В этом процессе играет роль контрастность значений поверхностных зарядов. В данном случае зарядка происходит при соприкосновении с электродом. При большом интервале образующихся зарядов происходит качественное разделение на фракции. При сепарации по электропроводности на процесс в большей степени может влиять контактная электризация и в меньшей степени пондеромоторные силы, возникающие в различии в диэлектрической проницаемости разделяемых частиц и воздушной среды.In devices of this type, the method of separation by electrical conductivity is used for mixtures whose particles differ in the value and nature of conductivity. In this process, the contrast of the values of surface charges plays a role. In this case, charging occurs upon contact with the electrode. With a large range of charges formed, qualitative separation into fractions occurs. When separating by electrical conductivity, the process can be influenced to a greater extent by contact electrification and to a lesser extent by ponderomotive forces arising from the difference in the permittivity of the separated particles and the air environment.
Основными элементами конструкции электростатического барабанного активатора (12) являются: питатель (12.1), металлический барабан (осадительный электрод) (12.2); область зарядки частиц (12.3); коронирующий электрод (12.4); отклоняющий электрод (12.5); скребок (12.6); секционированный приёмный бункер с шиберами (отсекателями) (12.7). Позицией (13) обозначены электреты, получаемые заявленным способом. Основной параметр электростатического сепаратора: dU =20-50 кВ.The main design elements of the electrostatic drum activator (12) are: feeder (12.1), metal drum (precipitation electrode) (12.2); particle charging area (12.3); corona electrode (12.4); deflecting electrode (12.5); scraper (12.6); sectioned receiving bin with dampers (cut-off valves) (12.7). Position (13) designates the electrets obtained by the claimed method. The main parameter of the electrostatic separator: dU = 20-50 kV.
Далее, для более подробного рассмотрения предложенного способа, приведены примеры реализации способа получения дисперсных полимерных материалов.Further, for a more detailed consideration of the proposed method, examples of the implementation of the method for obtaining dispersed polymeric materials are given.
Пример 1Example 1
В качестве полимерного материала выбран полипропилен (ПП). Полипропилен предварительно проходит стадию дробления и мойки детергентом. Так, измельчение может быть осуществлено на роторно-ножевой дробилке типа РМ 120М. На фиг.1 приведена микрофотография поверхности дробленого полипропилена до активации химическим реагентом (химическим активатором). Микрофотографии поверхности активированных полимеров до и после обработки получены методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с использованием микроскопа Jeol JSM-7100F при увеличении в 10 000 и 30 000 раз.Polypropylene (PP) was chosen as the polymer material. Polypropylene first undergoes a stage of crushing and washing with detergent. Thus, crushing can be carried out on a rotary knife crusher of the RM 120M type. Fig. 1 shows a microphotograph of the surface of crushed polypropylene before activation with a chemical reagent (chemical activator). Microphotographs of the surface of activated polymers before and after treatment were obtained by scanning electron microscopy (SEM) using a Jeol JSM-7100F microscope at a magnification of 10,000 and 30,000 times.
Для проведения предварительной стадии мойки полимерных частиц могут быть приготовлены растворы с концентрацией 1,5 мас.%. Для этого, в качестве примера, необходимое количество детергента растворяли в 1 литре дистиллированной воды при перемешивании магнитной мешалкой в вертикальной емкости с частотой вращения 100 об/мин около 2-3 минут. В качестве детергента могут быть применено техническое моющее средство торговой марки Неолас А с содержанием ПАВ до 25 мас.%.To perform the preliminary stage of washing polymer particles, solutions with a concentration of 1.5 wt.% can be prepared. For this purpose, as an example, the required amount of detergent was dissolved in 1 liter of distilled water while stirring with a magnetic stirrer in a vertical container at a rotation speed of 100 rpm for about 2-3 minutes. The detergent can be a technical detergent of the Neolas A brand with a surfactant content of up to 25 wt.%.
Полученные измельченные частицы промывают в растворе детергента, после чего чистую полимерную смесь частиц помещают в емкость, например, с магнитной мешалкой, в которую добавляют химический активатор - водный раствор H2SO4 с концентрацией 1,5 моль/л. Процесс перемешивания частиц длится 15 минут при температуре Т= 60 °С. Глубина дефектов, образованных после химического воздействия водного раствора H2SO4 на поверхности исследованных полимеров на основе полипропилена (ПП), составляет 4 мкм.The obtained crushed particles are washed in a detergent solution, after which the pure polymer mixture of particles is placed in a container, for example, with a magnetic stirrer, to which a chemical activator is added - an aqueous solution of H 2 SO 4 with a concentration of 1.5 mol / l. The process of mixing the particles lasts 15 minutes at a temperature of T = 60 ° C. The depth of the defects formed after the chemical action of an aqueous solution of H 2 SO 4 on the surface of the studied polymers based on polypropylene (PP) is 4 μm.
Состояние поверхности частиц полипропилена после их обработки химическим активатором приведена на фиг. 2. Снимки были сделаны под углом в 15 градусов. Это позволило оценить вклад химической активации в развитие поверхностных дефектов, которые в дальнейшем играют роль «ловушек» для инжектированных зарядов под действием электростатического поля коронного разряда. Так, представленные микрофотографии поверхности полимерных частиц показывают, что рельеф поверхности неоднородный, шероховатый, имеются микротрещины, обусловленные механодеструкцией вследствие измельчения частиц.The state of the surface of polypropylene particles after their treatment with a chemical activator is shown in Fig. 2. The pictures were taken at an angle of 15 degrees. This made it possible to estimate the contribution of chemical activation to the development of surface defects, which subsequently play the role of "traps" for injected charges under the action of the electrostatic field of the corona discharge. Thus, the presented microphotographs of the surface of polymer particles show that the surface relief is non-uniform, rough, there are microcracks caused by mechanical destruction due to particle grinding.
Размер фракций активированных полимерных частиц могут регулировать при помощи лабораторных сит с размером ячеек, например: 1, 1,5, 2, 2,5 и 3 мм.The size of the fractions of activated polymer particles can be regulated using laboratory sieves with cell sizes of, for example: 1, 1.5, 2, 2.5 and 3 mm.
Далее смесь подвергают сушке при температуре, которая может варьироваться в различных пределах с учетом времени сушки, например, при температуре 75 °С в сушильном шкафу процесс длится в течение 6 ч.The mixture is then dried at a temperature that can vary within different limits, taking into account the drying time; for example, at a temperature of 75 °C in a drying cabinet, the process lasts for 6 hours.
Высушенные активированные частицы полипропилена направляют в электростатический барабанный активатор для электризации в электростатическом поле коронного разряда.The dried activated polypropylene particles are fed into an electrostatic drum activator for electrification in an electrostatic corona discharge field.
Пример 2Example 2
В данном примере в качестве полимера используют также полипропилен. Способ получения дисперсных полимерных электретов из полипропилена аналогичен способу, раскрытому в примере 1, за исключением стадии химической активации, а именно, в качестве химического активатора используют водный раствор NaOH с концентрацией 1,5 моль/л, время обработки - 55 минут, температура процесса обработки - 60 °С.In this example, polypropylene is also used as a polymer. The method for producing dispersed polymer electrets from polypropylene is similar to the method disclosed in example 1, except for the chemical activation stage, namely, an aqueous solution of NaOH with a concentration of 1.5 mol/l is used as a chemical activator, the processing time is 55 minutes, and the processing temperature is 60 °C.
Микрофотография поверхности дробленого полипропилена, активированного раствором NaOH, представлены на фигуре 3. Глубина дефектов, образованных после химического воздействия водного раствора NaOH на поверхности исследованных полимеров на основе ПП, составляет 3 мкм.A micrograph of the surface of crushed polypropylene activated by a NaOH solution is shown in Figure 3. The depth of the defects formed after the chemical action of an aqueous NaOH solution on the surface of the studied PP-based polymers is 3 μm.
Пример 3Example 3
В данном примере в качестве полимера используют также полипропилен. Способ получения дисперсных полимерных электретов из полипропилена аналогичен способу, раскрытому в примере 1, за исключением стадии химической активации, а именно, в качестве химического активатора используют водный раствор алкилбензолсульфокислоты (АБСК) с концентрацией 1,5 моль/л, время обработки - 55 минут, температура процесса - 60 °С.In this example, polypropylene is also used as a polymer. The method for producing dispersed polymer electrets from polypropylene is similar to the method disclosed in example 1, except for the chemical activation stage, namely, an aqueous solution of alkylbenzene sulfonic acid (ABSA) with a concentration of 1.5 mol/l is used as a chemical activator, the processing time is 55 minutes, and the process temperature is 60 °C.
Микрофотография поверхности дробленого полипропилена, активированного водным раствором АБСК, представлены на фигуре 4. Средняя величина глубины дефектов, образованных после химического воздействия водным раствором АБСК на поверхности исследованных полимеров на основе ПП, составляет 3 мкм.A micrograph of the surface of crushed polypropylene activated by an aqueous solution of ABSK is shown in Figure 4. The average depth of defects formed after chemical action of an aqueous solution of ABSK on the surface of the studied PP-based polymers is 3 μm.
Пример 4Example 4
В данном примере в качестве полимера используют также полипропилен. Способ получения дисперсных полимерных электретов из полипропилена аналогичен способу, раскрытому в примере 1, за исключением стадии химической активации, а именно, в качестве химического активатора используют водный раствор алкилбензолсульфокислоты (АБСК) с концентрацией 2 моль/л, время обработки - 55 минут, температура процесса - 60 °С.In this example, polypropylene is also used as a polymer. The method for producing dispersed polymer electrets from polypropylene is similar to the method disclosed in Example 1, except for the chemical activation stage, namely, an aqueous solution of alkylbenzene sulfonic acid (ABSA) with a concentration of 2 mol/l is used as a chemical activator, the processing time is 55 minutes, and the process temperature is 60 °C.
Микрофотография поверхности дробленого полипропилена, активированного водным раствором АБСК, представлены на фигуре 4. Средняя величина глубины дефектов, образованных после химического воздействия водным раствором АБСК на поверхности исследованных полимеров на основе ПП, составляет 5 мкм.A micrograph of the surface of crushed polypropylene activated by an aqueous solution of ABSK is shown in Figure 4. The average depth of defects formed after chemical action of an aqueous solution of ABSK on the surface of the studied PP-based polymers is 5 μm.
Пример 5Example 5
В данном примере в качестве полимера используют полиэтилентерефталат (ПЭТФ). На фиг.5 приведена микрофотография поверхности дробленого ПЭТФ до активации химическим реагентом (химическим активатором). Способ получения дисперсных полимерных электретов из ПЭТФ аналогичен способу, раскрытому в примере 1, за исключением стадии химической активации, а именно, в качестве химического активатора используют водный раствор алкилбензолсульфокислоты (АБСК) с концентрацией 1,5 моль/л, время обработки - 60 минут, температура процесса - 60 °С.In this example, polyethylene terephthalate (PET) is used as the polymer. Fig. 5 shows a micrograph of the surface of crushed PET before activation with a chemical reagent (chemical activator). The method for producing dispersed polymer electrets from PET is similar to the method disclosed in Example 1, except for the chemical activation stage, namely, an aqueous solution of alkylbenzene sulfonic acid (ABSA) with a concentration of 1.5 mol/l is used as the chemical activator, the processing time is 60 minutes, and the process temperature is 60 °C.
Микрофотография поверхности дробленого ПЭТФ, активированного водным раствором АБСК, представлены на фигуре 6. Средняя величина глубины дефектов, образованных после химического воздействия водным раствором АБСК на поверхности исследованных полимеров на основе ПЭТФ, составляет 4,2 мкм.A micrograph of the surface of crushed PET activated by an aqueous solution of ABSK is shown in Figure 6. The average depth of defects formed after chemical action by an aqueous solution of ABSK on the surface of the studied PET-based polymers is 4.2 μm.
Пример 6Example 6
В данном примере в качестве полимера используют полиэтилентерефталат (ПЭТФ). Способ получения дисперсных полимерных электретов из ПЭТФ аналогичен способу, раскрытому в примере 1, за исключением стадии химической активации, а именно, в качестве химического активатора используют водный раствор NaOH с концентрацией 1,5 моль/л, время обработки - 35 минут, температура процесса - 60 °С.In this example, polyethylene terephthalate (PET) is used as the polymer. The method for producing dispersed polymer electrets from PET is similar to the method disclosed in Example 1, except for the chemical activation stage, namely, an aqueous solution of NaOH with a concentration of 1.5 mol/l is used as the chemical activator, the processing time is 35 minutes, and the process temperature is 60 °C.
Микрофотография поверхности дробленого ПЭТФ, активированного водным раствором NaOH, представлены на фигуре 7. Средняя величина глубины дефектов, образованных после химического воздействия водным раствором NaOH на поверхности исследованных полимеров на основе ПЭТФ, составляет 1,7 мкм.A micrograph of the surface of crushed PET activated by an aqueous solution of NaOH is shown in Figure 7. The average depth of defects formed after chemical action of an aqueous solution of NaOH on the surface of the studied PET-based polymers is 1.7 μm.
В результате исследований активированных образцов полимеров типов ПЭТФ, ПП, ПЭНД, ПЭВД, ПВХ, ПС методом СЭМ (сканирующий электронный микроскоп), были определены характерные размеры образующихся ловушек поверхности. В таблице 4 представлены полученные значения размеров образующихся ловушек в зависимости от времени и температуры обработки полимеров ПЭТФ и ПП, обработанных раствором ПАВ - алкилбензолсульфокислоты (размеры ловушек для полимерных частиц размером 3-5 мм, обработанных раствором ПАВ - алкилбензолсульфокислоты (1,5 моль/л) при разном времени обработки.).As a result of the studies of activated samples of polymers of the following types: PET, PP, HDPE, LDPE, PVC, PS by the SEM (scanning electron microscope) method, the characteristic sizes of the formed surface traps were determined. Table 4 presents the obtained values of the sizes of the formed traps depending on the time and temperature of processing of PET and PP polymers treated with a solution of surfactant - alkylbenzene sulfonic acid (the sizes of traps for polymer particles of 3-5 mm in size, treated with a solution of surfactant - alkylbenzene sulfonic acid (1.5 mol / l) at different processing times.).
Таблица 4.Table 4.
Как видно из таблицы 4, с увеличением времени обработки раствором активатора растет степень активации полимерных частиц, следовательно, и возможность обрести наиболее высокий заряд. Установлено, что на активацию оказывает влияние химическое строение активатора, в особенности его функциональные группы. Применение, например, растворов H2SO4 и NaOH имеет ограничение в виде развивающихся эффектов деструкции, сопровождающихся потерей массы, в особенности у полимера ПЭТФ, что влияет на качество исходного сырья.As can be seen from Table 4, with increasing time of treatment with the activator solution, the degree of activation of polymer particles increases, and, consequently, the possibility of acquiring the highest charge. It has been established that the activation is affected by the chemical structure of the activator, especially its functional groups. The use of, for example, H 2 SO 4 and NaOH solutions has a limitation in the form of developing destruction effects, accompanied by weight loss, especially in the PET polymer, which affects the quality of the raw material.
Полимерные дискретные электреты, полученные предложенным способом, за счет своей высокой плотности заряда, стабильности заряда, могут быть применены для различных областей техники в качестве источников внешнего электрического поля, в частности, в медицине, например, для имплантации, физиотерапии, эндопротезировании и др.Polymer discrete electrets obtained by the proposed method, due to their high charge density and charge stability, can be used for various fields of technology as sources of external electric field, in particular, in medicine, for example, for implantation, physiotherapy, endoprosthetics, etc.
Claims (4)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2839734C1 true RU2839734C1 (en) | 2025-05-12 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0517595A (en) * | 1991-07-15 | 1993-01-26 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Polymer ultra-thin film electret and method for producing the same |
| RU2477540C2 (en) * | 2011-04-11 | 2013-03-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена" | Method of film electret production |
| CN109950045B (en) * | 2019-03-19 | 2020-08-14 | 西安交通大学 | A flexoelectric electret with adjustable flexoelectric effect and preparation method thereof |
| CN115678360B (en) * | 2022-12-29 | 2023-05-09 | 杭州兆华电子股份有限公司 | Preparation method of composite electret and composite electret obtained by preparation method |
| CN118843379A (en) * | 2024-09-20 | 2024-10-25 | 湖北祥源高新科技有限公司 | Multilayer piezoelectric electret film element |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0517595A (en) * | 1991-07-15 | 1993-01-26 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Polymer ultra-thin film electret and method for producing the same |
| RU2477540C2 (en) * | 2011-04-11 | 2013-03-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена" | Method of film electret production |
| CN109950045B (en) * | 2019-03-19 | 2020-08-14 | 西安交通大学 | A flexoelectric electret with adjustable flexoelectric effect and preparation method thereof |
| CN115678360B (en) * | 2022-12-29 | 2023-05-09 | 杭州兆华电子股份有限公司 | Preparation method of composite electret and composite electret obtained by preparation method |
| CN118843379A (en) * | 2024-09-20 | 2024-10-25 | 湖北祥源高新科技有限公司 | Multilayer piezoelectric electret film element |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Andritsch | Epoxy based nanodielectrics for high voltage DC-applications: synthesis, dielectric properties and space charge dynamics | |
| Xu et al. | High-strength, transparent and superhydrophobic nanocellulose/nanochitin membranes fabricated via crosslinking of nanofibers and coating F-SiO2 suspensions | |
| Fan et al. | Core–shell structured biopolymer@ BaTiO3 nanoparticles for biopolymer nanocomposites with significantly enhanced dielectric properties and energy storage capability | |
| Correia et al. | Cellulose nanocrystals and jute fiber-reinforced natural rubber composites: cure characteristics and mechanical properties | |
| Lalia et al. | Nanocrystalline‐cellulose‐reinforced poly (vinylidenefluoride‐co‐hexafluoropropylene) nanocomposite films as a separator for lithium ion batteries | |
| JP5843463B2 (en) | Fibrous material | |
| Gonzalez et al. | Dielectric response of vulcanized natural rubber containing BaTiO3 filler: The role of particle functionalization | |
| KR102063545B1 (en) | Extraction method of cellulose nanocrystals using electron beam irradiation and cellulose nanocrystals powder | |
| CN103707436A (en) | Method for recycling waste hard plastics based on charged attenuation sorting | |
| RU2839734C1 (en) | Method of disperse polymer electrets producing | |
| Nemoto et al. | Crystallinity and surface state of cellulose in wet ball‐milling process | |
| CA2917000C (en) | Chitin nanowhisker composites and methods | |
| WO2019045076A1 (en) | Cellulose nanofiber liquid dispersion, cellulose nanofiber composite resin, and methods for producing dispersion and resin | |
| CN111683999A (en) | Method for producing low molecular weight polytetrafluoroethylene-containing composition | |
| Wu et al. | Green, chemical-free, and high-yielding extraction of nanocellulose from waste cotton fabric enabled by electron beam irradiation | |
| Perepelkina et al. | Effect of unipolar corona discharges on properties of pulp-and-paper materials | |
| Jalal et al. | Effect of electro-spinning applied voltage on electro-spun EPS membranes thickness and fibers diameters | |
| KR20200101372A (en) | Methods of separating substances from objects | |
| Hammami et al. | Dielectric response and molecular dynamics of nanocomposites based on TEMPO-oxidized cellulose nanofibrils and polyvinyl acetate | |
| KR100989024B1 (en) | Friction-Charged Electrostatic Separator for Separation of Mixed Plastic Mixed with Polyester and Nylon | |
| KR20190016073A (en) | A nanofiber structure containing a polyhydroxyalkanoic acid, and a nonwoven fabric | |
| Ichiura et al. | Separation of pulp and inorganic materials from paper sludge using ionic liquid and centrifugation | |
| Haafiz et al. | Exploring the potentials of nanocellulose whiskers derived from oil palm empty fruit bunch on the development of polylactid acid based green nanocomposites | |
| Landi et al. | Gelatin/graphene systems for low cost energy storage | |
| Загидуллина et al. | Studying properties of corona electret based on compositions of polylactic acid and bentonite |