Плавучий линейный работающий на растяжение элемент, содержащий множество волокон
Изобретение относится к линейному работающему на растяжение элементу, содержащему множество волокон. Описан линейный работающий на растяжение элемент, содержащий множество волокон и по меньшей мере 0,1 мас.% сплошных гидрофобных органических наночастиц со средним диаметром от 10 до 300 нм и среднеквадратическим отклонением σ, составляющим по меньшей мере 10% от среднего диаметра, где линейный работающий на растяжение элемент обладает линейной плотностью, составляющей по меньшей мере 10000 дтекс, и содержит по меньшей мере 80 мас.% волокон, обладающих удельной плотностью, большей 1 г/см3. Также описаны использование сплошных гидрофобных органических наночастиц для изготовления линейного работающего на растяжение элемента и способ его изготовления. Технический результат: предложен линейный работающий на растяжение элемент, обладающий большой удельной плотностью. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 пр.
Данное изобретение относится к линейному работающему на растяжение элементу, содержащему множество волокон, где это линейный работающий на растяжение элемент, плавает в жидкостях на основе воды.
Линейные работающие на растяжение элементы применяют для многих различных целeй. В некоторых обстоятельствах является благоприятным, если линейный работающий на растяжение элемент может плавать в воде. Например, канаты, которые используют в морской окружающей среде, и которые случайно упали в воду, могут быть легко обнаружены, могут быть легко найдены, если они плавают, и может быть предотвращен их контакт с подводными элементами, например, вращающимися частями.
Линейные работающие на растяжение элементы, изготовленные из материалов с большей удельной плотностью, чем у воды, не плавают, а вместо этого тонут в воде. Некоторые волокна, обычно используемые для изготовления одномерных изделий, предназначенных для передачи тягового усилия, обладают большей удельной плотностью, чем вода, например, арамидные волокна обладают удельной плотностью, приблизительно составляющей 1,4 г/см3, волокна из сложного полиэфира - 1,4 г/см3, полиамидные волокна - 1,15 г/см3.
Линейные работающие на растяжение элементы, изготовленные из этих волокон, не обладают плавучестью в воде.
В документе KR20120058837 описано, например, арамидное волокно, которое может плавать в дистиллированной воде. Волокно обработано отделочным препаратом из силиконового масла, которое предпочтительно содержит по меньшей мере 99% силиконового масла.
Однако силиконовое масло обладает некоторыми недостатками при его использовании. Силикон обладает негативным воздействием на сцепление или соединение с другими материалами. Коэффициент трения силикона является низким, что затрудняет взаимное соединение волокон во время изготовления, использования и транспортировки. Линейный работающий на растяжение элемент, покрытый силиконом, может быть, таким образом, только с трудом покрыт другим материалом. Силиконовое масло также слабо подвергается биологическому разложению и, таким образом, мало пригодно для применения в морской окружающей среде. Другим недостатком силикона является его высокая стоимость.
Патент US 3578763 относится к плавучим шнурам для их использования в рыболовных сетях и т.п., содержащим сердцевину из бесконечных элементарных нитей, плетеный рукав и частицы из вспененного пластикового материала, расположенные между рукавом и сердцевиной, например, частицы из полистирола. Недостатком этих шнуров является то, что диаметр шнура значительно увеличен из-за вспененных частиц, и конструкция шнура всегда требует использования рукава для удерживания вспененных частиц на месте. Процесс изготовления таких шнуров также является относительно сложным и требует множества этапов.
Настоящим изобретением предложен способ изготовления линейного работающего на растяжение элемента, посредством которого преодолевают указанные недостатки известного уровня техники.
Авторами настоящего изобретения было установлено, что линейный работающий на растяжение элемент, содержащий множество волокон и по меньшей мере 0,1 мас.% сплошных, гидрофобных, органических наночастиц со средним диаметром от 10 нм до 300 нм и среднеквадратическим отклонением σ, составляющим по меньшей мере 10% от среднего диаметра, где указанный линейный работающий на растяжение элемент обладает линейной плотностью, составляющей по меньшей мере 10.000 дтекс и содержит по меньшей мере 80 мас.% волокон, обладающих удельной плотностью, большей 1 г/см3, плавает в воде и обладает очень хорошими свойствами. Наночастицы предпочтительно присутствуют в линейном работающем на растяжение элементе в количестве от 0,1 мас.% до 20,0 мас.%, предпочтительно – от 0,5 мас.% до 10,0 мас.%, более предпочтительно – от 1 мас.% до 9 мас.%, даже более предпочтительно – от 2 мас.% до 8 мас.%, от массы волокна.
Для целей данного изобретения линейные работающие на растяжение элементы определяются как продолговатые объекты, один размер которых на много больше двух других размеров, которые обладают линейной плотностью, составляющей по меньшей мере 10.000 дтекс. Линейный работающий на растяжение элемент согласно настоящему изобретению, содержит множество волокон, находящихся в плотном контакте друг с другом посредством кручения, скрутки, плетения, перепутывания, вязания или любого сочетания этих способов.
Например, скрученные и параллельно уложенные волокна могут быть объединены в одном одномерном изделии, предназначенном для передачи тягового усилия. Линейный работающий на растяжение элемент, согласно изобретению, с туго соединенными волокнами обычно обладает большей удельной плотностью, чем рыхло соединенный пучок волокон. Линейная плотность линейного работающего на растяжение элемента может быть определена согласно стандарту ASTM-D 1907 (ASTM – Американское общество по испытанию материалов). Линейный работающий на растяжение элемент, особенно подходит для подвергания его воздействию осевым силам растяжения и, таким образом, функционирует как объект, несущий нагрузку.
Примерами одномерных линейных работающих на растяжение элементов, не ограничивающими их перечень, могут служить канаты, веревки, фалы, швартовы, буксирные канаты и тросы.
Неожиданно было установлено, что линейный работающий на растяжение элемент согласно данному изобретению, даже если он содержит волокна, которые уплотнены (что желательно для многих линейных работающих на растяжение элементов), остается на плаву, как линейный работающий на растяжение элемент, который является пучком тех же рыхло соединенных волокон, которые были также обработаны тем же отделочным препаратом и которые обладают меньшей удельной плотностью, чем линейный работающий на растяжение элемент согласно изобретению. Ожидалось, что применение сплошных, гидрофобных, органических наночастиц будет менее эффективным в уплотненном линейном работающем на растяжение элементе с большей удельной плотностью, и что, таким образом, он будет обладать меньшей плавучестью или будет плавать в течение менее продолжительного периода времени.
Кроме того, преимущество настоящего изобретения заключается в малом размере сплошных, гидрофобных, органических наночастиц, применение которых не вызывает увеличения диаметра волокон и, следовательно, диаметра линейного работающего на растяжение элемента. Линейный работающий на растяжение элемент согласно настоящему изобретению также может быть изготовлен просто посредством соединения волокон, обработанных сплошными, гидрофобными, органическими наночастицами, как это описано в данном документе. Никакие отдельные слои не должны быть добавлены в линейный работающий на растяжение элемент, для достижения эффекта плавучести.
Линейный работающий на растяжение элемент согласно изобретению обычно имеет диаметр, составляющий от 3 мм до 300 мм, предпочтительно - от 10 мм до 250 мм, более предпочтительно - от 20 мм до 100 мм и еще более предпочтительно - от 40 мм до 80 мм.
Линейный работающий на растяжение элемент может иметь ряд различных форм поперечного сечения, например: круговую, круглую и эллипсную/продолговатую форму. Так как линейный работающий на растяжение элемент содержит множество продолговатых элементов, то он никогда не имеет совершенно круглую форму, а скорее имеет многогранное поперечное сечение, при внимательном рассмотрении. Однако такие формы включены в состав терминов: круглый, эллипсный или продолговатый.
Поперечное сечение линейного работающего на растяжение элемента может изменяться во время использования, т.е. поперечное сечение натянутого линейного работающего на растяжение элемента имеет сплющенную, овальную или даже почти прямоугольную форму. В случае использования линейного работающего на растяжение элемента с продолговатым поперечным сечением, под диаметром понимают эффективный диаметр. Под эффективным диаметром линейного работающего на растяжение элемента с некруглым поперечным сечением понимают диаметр круглого линейного работающего на растяжение элемента, с такой же массой единицы длины, как у некруглого линейного работающего на растяжение элемента.
Линейный работающий на растяжение элемент имеет линейную плотность, составляющую по меньшей мере 10.000 дтекс и даже более предпочтительно - по меньшей мере 25.000 дтекс. В общем, может быть установлена максимальная линейная плотность, составляющая 1000 Мтекс. В зависимости от использования линейных работающих на растяжение элементов, обычно выбирают изделия с различной линейной плотностью. Линейные работающие на растяжение элементы могут, например, иметь линейную плотность, большую 0,3 Мтекс, предпочтительно - большую 0,5 Мтекс и до 10 Мтекс, предпочтительно - 5 Мтекс. Изделия с такими линейными плотностями могут быть использованы при прокладке подводных трубопроводов. Однако данное изобретение также охватывает линейные работающие на растяжение элементы с линейной плотностью, большей 1 Мтекс и до 50, 100, 250, 500 или даже 1000 Мтекс. Изделия с такой высокой линейной плотностью используют, например, в качестве швартовы.
Линейный работающий на растяжение элемент может быть получен посредством использования любого способа, известного специалисту в данной области, включая (но ряд способов не ограничен данным перечнем): кручение и плетение, и любое их сочетание. Например, 2000 нитей с линейной плотностью каждой 1680 дтекс может быть соединено для получения линейного работающего на растяжение элемента с линейной плотностью 33 Мтекс и диаметром 20 мм.
В другом канате приблизительно 12000 нитей с линейной плотностью 1680 дтекс может быть соединено для получения каната с общей линейной плотностью 200 Мтекс и диаметром 50 мм. В предпочтительном варианте осуществления линейный работающий на растяжение элемент содержит волокна с низкой линейной плотностью, т.е. элементарные нити с низкой линейной плотностью. Например, пригодны элементарные нити с линейной плотностью 0,5-5,0 денье (1 денье=0,111 текс), предпочтительно выбирают элементарные нити с линейной плотностью менее 4 денье, более предпочтительно - с линейной плотностью менее 3 денье или менее 2 денье.
Линейный работающий на растяжение элемент содержит множество волокон.
Множество волокон может быть соединено в нить, например, в бесконечную нить, длинный бесконечный пучок волокон. В контексте настоящего описания термин «волокно» охватывает комплексные нити, состоящие из множества элементарных нитей, а также ленты, изготовленные из множества элементарных нитей.
Линейный работающий на растяжение элемент представляет собой сочетание волокон или нитей, изготовленных из волокон.
Нити могут быть соединены посредством использования большого ряда различных способов для получения большого ряда различных линейных работающих на растяжение элементом, отличающихся линейной плотностью, диаметром и степенью интеграции нитей. Например, по меньшей мере 2 нити могут быть скручены вместе для получения стренги. Такая стренга может являться линейным работающим на растяжение элементом.
Однако также может быть взят ряд стренг и соединен для получения более прочного линейного работающего на растяжение элемента. Нити и стренги из нитей могут быть соединены посредством плетения, кручения, нанизывания, свивания, или они могут быть уложены параллельно или в любом их сочетании.
В линейном работающем на растяжение элементе, волокна, нити и/или стренги из них обычно расположены в направлении длины.
В одном варианте осуществления расстояние по меньшей мере от некоторых волокон или нитей до центральной продольной оси линейных работающих на растяжение элементов колеблется вдоль длины линейного работающего на растяжение элемента. Это означает, что по меньшей мере некоторые волокна или нити расположены с повторяющимся рисунком колебаний. Обычно волокно или нить в таком линейном работающем на растяжение элементе имеет угол спирали, составляющий более 2°.
В другом варианте осуществления волокна, нити и/или стренги линейного работающего на растяжение элемента соединяют посредством параллельной укладки по меньшей мере двух нитей или стренг и окружения их рукавом, оберткой или полимерным покрытием для удерживания отдельных нитей или стренг плотно прижатыми друг к другу и для защиты линейного работающего на растяжение элемента. Обычно, если нити или стренги расположены параллельно, их угол спирали составляет 2° или менее. Благодаря такому расположению, получают однонаправленное (ОН) линейный работающий на растяжение элемент.
Независимо от способа соединения волокон в линейном работающем на растяжение элементе можно использовать рубашку для защиты линейного работающего на растяжение элемента от проникновения частиц, например, от частиц песка. Рубашкой, возможно, в виде рукава, обертки или покрытия, может быть покрыта вся длина линейного работающего на растяжение элемента, только его части или, например, только место сращивания. В местах сращивания концы двух линейных работающих на растяжение элементов соединяют для получения одного, более длинного линейного работающего на растяжение элемента.
Рубашки (частичные) могут быть надеты на все линейные работающие на растяжение элементы согласно данному изобретению.
Можно также присоединять параллельно уложенные нити или стренги и стренги, содержащие волокна и/или нити с углом спирали, большим 2°, к линейному работающему на растяжение элементу.
Диаметр готового линейного работающего на растяжение элемента может изменяться. В одном варианте осуществления линейный работающий на растяжение элемент имеет диаметр, составляющий по меньшей мере 5 мм, предпочтительно - по меньшей мере 8 мм, более предпочтительно - по меньшей мере 10 мм, и еще более предпочтительно - по меньшей мере 20 мм. Выбираемый диаметр зависит от использования линейного работающего на растяжение элемента. В общем, линейные работающие на растяжение элементы могут иметь диаметр, составляющий до 500 мм, например, при использовании в качестве швартовы.
Волокна могут быть изготовлены из различных материалов. Данное изобретение направлено на использование волокон с удельной плотностью, составляющей более 1 г/см3. Удельную плотность волокон можно определять, используя стандарт ASTM-D3800 (определение при температуре 20°C согласно стандарту ISO139) (ISO – Международная организация по стандартизации). Удельная плотность волокна может отличаться от удельной плотности материала или полимера, из которого волокно изготовлено.
Примерами пригодных материалов для изготовления этих волокон являются различные натуральные и синтетические материалы, например, минеральные материалы и материалы, содержащие арамидные вещества, сложные полиэфиры, жидкокристаллический сложный сополиэфир, полибензазол, полиамид, поливиниловый спирт, полиакрилонитрил, графит, углерод, волокна из полимеров в виде жестких палочек, стекло и их смеси. Линейные работающие на растяжение элементы согласно изобретению могут содержать волокна, изготовленные из материала одного типа, но могут содержать также волокна, изготовленные из различных материалов.
Под объем действия данного изобретения также подпадает соединение волокон, изготовленных из материала с удельной плотностью, меньшей 1 г/см3, с волокнами, изготовленными из материала с большей удельной плотностью. Однако в таком варианте осуществления средняя удельная плотность волокон линейного работающего на растяжение элемента выше 1 г/см3. Например, полиэтиленовые волокна могут быть соединены с арамидными волокнами.
В контексте настоящего описания под арамидным веществом понимают ароматический полиамид, являющийся поликонденсатом ароматического диамина и галида ароматической дикарбоновой кислоты. Арамидные волокна могут существовать в мета- и пара-формах, обе из которых можно использовать согласно настоящему изобретению. Использование арамидного вещества, в котором по меньшей мере 85% связей между ароматическими фрагментами являются параарамидными связями, считается предпочтительным. В качестве типичных изделий данной группы являются упомянутые: полипарафенилентерефталамид, поли-4,4'-бензанилидтерефталамид, амид полипарафенилен-4,4'-бифенилендикарбоновой кислоты и амид полипарафенилен-2,6-нафталиндикарбоновой кислоты или сополипарафенилен/3,4'-диоксифенилентерефталамид. Использование арамидного вещества, в котором по меньшей мере 90%, в частности, более чем по меньшей мере 95% связей между ароматическими фрагментами, являются параарамидными связями, считается предпочтительным. Использование полипарафенилентерефталамида (ППТА) является особенно предпочтительным.
Сложные полиэфиры представляют собой полимеры, синтезированные из дикарбоновой кислоты или ее производной, образующей сложный эфир, и диола или его производной, образующей сложный эфир.
Примеры сложных полиэфиров включают: полиэтилентерефталат, полибутилентерефталат, полициклогександиметилтерефталат, поли-триметилтерефталат (также называемый полипропилентерефталатом), полиэтиленнафталин и полиэтилен-1,2-бис-2-хлорофеноксиэтан-4,4'-дикарбоксилат.
Жидкокристаллический полиэфир (ЖКПЭ) предпочтительно является сложным полиэфиром, проявляющим мезоморфизм в расплавленном состоянии, и плавится при температуре 450°C или ниже. Жидкокристаллический сложный полиэфир является жидкокристаллическим полиамидоэфиром, жидкокристаллическим сложным полиэфиром алкоксикислоты, жидкокристаллическим полиэфиркарбонатом или жидкокристаллическим полиэфиримидом. Жидкокристаллический сложный полиэфир предпочтительно является полностью ароматическим жидкокристаллическим сложным полиэфиром, в котором только ароматическое соединение используют в качестве сырьевого мономера. Типичные примеры жидкокристаллического сложного полиэфира включают: (I) жидкокристаллический сложный полиэфир, получаемый посредством полимеризации (поликонденсации) ароматической гидрокарбоновой кислоты с ароматической дикарбоновой кислотой, и по меньшей мере одного вида соединения, выбранного из группы, состоящей из: ароматического диола, ароматического гидроксиамина и ароматического диамина; (II) жидкокристаллический сложный полиэфир, получаемый посредством полимеризации множества видов ароматических гидрокарбоновых кислот; (III) жидкокристаллический сложный полиэфир, получаемый посредством полимеризации ароматической дикарбоновой кислоты, по меньшей мере, с одним видом соединения, выбранного из группы, состоящей из: ароматического диола, ароматического гидроксиамина и ароматического диамина; и (IV) жидкокристаллический сложный полиэфир, получаемый посредством полимеризации сложного полиэфира, например, полиэтилентерефталата с ароматической гидрокарбоновой кислотой. В этом случае часть или вся ароматическая гидрокарбоновая кислота, ароматическая дикарбоновая кислота, ароматический диол, ароматический гидроксиамин и ароматический диамин могут быть заменены, соответственно независимо их производными, пригодными к полимеризации.
В соответствии с целями данной заявки термин полибензазол включает: гомополимеры полибензоксазола (ПБО), гомополимеры полибензотиазола (ПБТ) и статистические, последовательные и блок- сополимеры ПБО и/или ПБТ. Под полиамидом, при использовании в данной заявке, понимают любые из различных обычно линейных, алифатических поликарбонамидных гомополимеров и сополимеров, которые обычно используют для формования волокон из расплава и, при вытяжке, из них получают волокна, обладающие свойствами, пригодными для промышленного применения. Например, полигексаметиленадипамид (нейлон-6,6), поли-ε-капроамид (нейлон-6), политетраметиленадипамид (нейлон-4,6) являются обычно используемыми полиамидами для промышленного производства волокон. Изобретение также применимо к сополимерам и смесям полиамидов.
Линейные работающие на растяжение элементы согласно данному изобретению плавают в воде и в водных растворах. Линейные работающие на растяжение элементы согласно данному изобретению, плавают в чистой воде, а также в воде с содержанием соли до 10 мас.% (что может иметь место в поверхностных водах) и в воде или в соленой воде, содержащей следы загрязнений, например, масла.
Под плавучестью согласно целям данного изобретения, понимают состояние, при котором выталкивающая сила, обеспечивающая плавучесть линейного работающего на растяжение элемента согласно данному изобретению по меньшей мере равна силе тяжести, направленной вниз, даже если удельная плотность волокна больше удельной плотности воды.
Линейный работающий на растяжение элемент, изготовленный из таких же волокон, имеющий такую же конструкцию, но не содержащий наночастиц, тонет. Предпочтительно, линейный работающий на растяжение элемент согласно данному изобретению (с туго соединенными волокнами) остается на плаву так же долго, как и пучок рыхло соединенных волокон, даже если линейный работающий на растяжение элемент согласно изобретению обладает большей удельной плотностью, чем рыхло соединенные волокна.
Линейный работающий на растяжение элемент содержит сплошные, гидрофобные, органические наночастицы со средним диаметром от 10 нм до 300 нм и среднеквадратическим отклонением σ, составляющим по меньшей мере 10% от среднего диаметра. Сплошные, гидрофобные, органические наночастицы не являются пустотелыми, т.е. являются сплошными.
Частицы, используемые согласно изобретению, имеют средний диаметр от 10 нм до 300 нм, предпочтительно – от 20 нм до 200 нм, и более предпочтительно – от 25 нм до 100 нм. Узкий диапазон распределения размеров наночастиц не является благоприятным фактором в данном случае. Было установлено, что использование смесей частиц с различными диаметрами вносит значительный вклад в гидрофобность и плавучесть. Если частицы имеют различные диаметры, то молекулам воды сложнее прикрепляться к частице, что ведет к увеличению гидрофобности. По этой причине благоприятно использовать наночастицы, диаметры которых отличаются со среднеквадратическим отклонением σ, составляющим по меньшей мере 10% от среднего диаметра, предпочтительно - по меньшей мере 20%, и более предпочтительно - по меньшей мере 30%. Таким образом, так как в смеси содержатся наночастицы, имеющие меньшие диаметры, и наночастицы, имеющие большие диаметры, чем средний диаметр всех наночастиц, то это условие является предпочтительным.
Этот эффект может быть определен как угол контакта, который больше 90°, и это явление называют сверхгидрофобностью. Угол контакта - это угол, под которым поверхность раздела жидкости (например, воды) встречается с твердой поверхностью наночастицы. Углы контакта предпочтительно должны быть как можно больше; и могут быть достигнуты углы контакта, большие 100°, большие 115°, или даже большие 135°. Благодаря большому диапазону распределения диаметров наночастиц обеспечивается возможность получения больших углов контакта.
Наночастицы могут, в принципе, иметь любую форму, но частицы сферической, эллипсной формы и в форме палочки являются предпочтительными для обеспечения наименьшей площади контакта с молекулами воды. Частицы должны сохранять их форму в условиях, в которых используют линейный работающий на растяжение элемент. Они не должны растворяться, расплавляться и их форма не должна изменяться.
В одном варианте осуществления наночастицы содержат coполимер винилового ароматического мономера и малеимидного мономера с температурой стеклования Tg от 120°C до 220°C.
В предпочтительном варианте осуществления гидрофобные частицы представляют собой частицы со структурой сердцевина-оболочка, где сердцевина и оболочка частицы сформированы из различных материалов. Сердцевина частицы со структурой сердцевина-оболочка может содержать воск, парафин или масло.
Предпочтительно использовать частицы со структурой сердцевина-оболочка, где оболочка содержит coполимер винилового ароматического мономера и малеимидного мономера с температурой стеклования от 120°C до 220°C, в линейном работающем на растяжение элементе, особенно, где оболочка содержит статистический сополимер полистирола и малеимида.
Частицы со структурой сердцевина-оболочка известны. В документе WO2008/014903 раскрыта частица в виде капли, заключенной в капсулу, содержащая материал сердцевины и материал оболочки, которой окружен материал сердцевины, где материал оболочки содержит coполимер стирола и производных малеинового ангидрида. Статистический сополимер полистирола и малеимида является полимером, который использовали для придания гидрофобных свойств и сопротивления смачиванию. В документах US 6,407,197 и EP 1405865 описана водная дисперсия полимера из звеньев винилового ароматического мономера и малеимидного мономера, полученного посредством имидирования исходного полимера, содержащего звенья винилового ароматического мономера и мономера малеинового ангидрида. Обычно статистический сополимер полистирола и малеинового ангидрида (СМА) является пригодным исходным полимером для получения статистического сополимера полистирола и малеинимида (СМИ) посредством имидирования. СМА может быть преобразован в СМИ, например, посредством использования аммиака. Имидирование СМА, а более обычно - coполимеров винилового ароматического мономера и мономера малеинового ангидрида, является известным процессом, и его применения в производстве бумаги и картона были описаны в различных заявках на патенты, например, в документах: US 6,407,197, US 6,830,657, WO2004/031249 и US2009/0253828. В документе WO 2007/014635 частицы пигмента со СМИ на его поверхности были описаны в качестве покрывной композиции для бумаги. Пригодные СМИ-полимеры обладают температурой стеклования Tg от 120°C до 220°C, более предпочтительно - от 150°C до 210°C.
Температуру стеклования Tg определяют посредством использования дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), например, используя калориметр модели Q2000 компании TA (усовершенствованные методы сжигания с нулевыми выбросами) и образец массой 5 мг. При этом осуществляют два цикла нагревания и охлаждения в диапазоне от -30°C до 250°C со скоростью нагревания и охлаждения 10°C/мин. Измерения второго цикла нагревания используют для определения температуры стеклования Tg. Для интерпретации результатов используют программное обеспечение ДСК «Универсальный анализ 2000 компании TA».
В документе WO2011/069941 описано использование подобных частиц со структурой сердцевина-оболочка для покрывания нити или ткани для подавления впитывания жидкости нитью или тканью.
Частицы со структурой сердцевина-оболочка со СМИ-оболочкой известны и доступны для приобретения в виде частиц NanoTope® 26 PO30, состоящих из частиц со структурой сердцевина-оболочка и содержащих 70 частей пальмового масла в качестве сердцевины и 30 частей СМИ в качестве оболочки. Другим доступным для приобретения продуктом является NanoTope® 26 WA30, состоящий из частиц со структурой сердцевина-оболочка со СМИ, содержащих 70 частей парафина в качестве сердцевины и 30 частей СМИ в качестве оболочки. Слой СМИ очень тонкий (в диапазоне нанометров), а алифатические цепочки парафина способны проникать в наружный слой СМИ, таким образом, внося вклад в гидрофобность частиц. Сердцевина является гидрофобной и может быть, в принципе, любым из веществ: маслом, парафином или воском, или их смесью. Парафин включает алканы, полиолефины и терпены. Масла включают растительные масла, вазелиновые масла и парафины.
Пригодные наночастицы, используемые согласно изобретению, гидрофобны, и дополнительный наноаспект (т.е. различные размеры частиц) придает волокнам сверхгидрофобные свойства, обеспечиваемые доставляемыми наночастицами.
Это, в частности, было показано в отношении частиц со структурой сердцевина-оболочка на основе СМИ. Дополнительным преимуществом частиц, в которых сердцевина состоит из материала, например, пальмового масла или касторового масла, является то, что эти масла является возобновляемыми и биоразлагаемыми, и эти факторы являются благоприятными с точки зрения сохранения окружающей среды.
Ни в одном из процитированных документов, в которых описаны частицы со структурой сердцевина-оболочка, не сказано, что волокна или нити, покрытые частицами, можно использовать для изготовления линейных работающих на растяжение элементов, которые бы плавали в жидкостях на основе воды. Как подчеркнуто выше, ожидалось, что эффект плавучести будет повышен с увеличением линейной плотности линейного работающего на растяжение элемента.
Не желая быть связанными какой-либо теорией, авторы предполагают, что вероятно благодаря присутствию частиц со структурой сердцевина-оболочка, описанных в данном изобретении, происходит захват воздуха в линейных работающих на растяжение элементах, который находится в волокнах и между волокнами линейного работающего на растяжение элемента. Это означает, что воздух находится между элементарными нитями, между волокнами нитей и между нитями и стренгами. Благодаря этому, эффективная удельная плотность линейного работающего на растяжение элемента, согласно данному изобретению, в воде равна или меньше удельной плотности жидкости, хотя волокна, используемые согласно настоящему изобретению, обладают большей удельной плотностью.
Предпочтительно, изобретение относится к линейному работающему на растяжение элементу, в котором сплошные, гидрофобные, органические наночастицы присутствуют на поверхности по меньшей мере некоторых волокон или нитей линейного работающего на растяжение элемента.
В одном варианте осуществления сплошные, гидрофобные, органические наночастицы присутствуют на поверхности всех волокон или нитей линейного работающего на растяжение элемента. Сплошные, гидрофобные, органические наночастицы могут быть введены различными способами, известными специалисту в данной области. Например, наночастицы могут быть введены в виде покрытия или отделочного препарата. Наночастицы могут быть нанесены на волокна, нити, стренги и/или готовый линейный работающий на растяжение элемент. Предпочтительно, покрытие наносят на каждую из нитей или стренг линейного работающего на растяжение элемента.
Различные варианты осуществления, описанные выше, могут быть объединены в одном линейном работающем на растяжение элементе, в зависимости от того, какой из способов специалист в данной области посчитает целесообразным.
Изобретение также относится к использованию по меньшей мере 0,1 мас.% сплошных, гидрофобных, органических наночастиц со средним диаметром от 10 нм до 300 нм и среднеквадратическим отклонением σ, составляющим по меньшей мере 10% от среднего диаметра, для изготовления линейного работающего на растяжение элемента с линейной плотностью, составляющей по меньшей мере 10.000 дтекс, обладающего плавучестью в жидкостях на основе воды. Жидкости на основе воды включают чистую воду, а также воду с содержанием соли до 10 мас.%, что может иметь место в поверхностной воде, и в воде или соленой воде, содержащей следы загрязнений, например, в виде масла.
Различные варианты осуществления, касающиеся линейного работающего на растяжение элемента согласно изобретению, и любые их сочетания, применимы также к использованию сплошных, гидрофобных, органических наночастиц для изготовления линейного работающего на растяжение элемента, обладающего плавучестью.
Согласно изобретению предпочтительно использовать частицы со структурой сердцевина-оболочка со средним диаметром от 10 нм до 300 нм и среднеквадратическим отклонением σ, составляющим по меньшей мере 10% от средней величины, в которых оболочка частицы со структурой сердцевина-оболочка содержит coполимер винилового ароматического мономера и малеимидного мономера с температурой стеклования от 120°C до 220°C, в частности, статистический сополимер полистирола и малеимида, для изготовления линейного работающего на растяжение элемента, обладающего плавучестью в жидкостях на основе воды.
Кроме того, изобретение также относится к способу изготовления обладающего плавучестью линейного работающего на растяжение элемента, посредством соединения множества волокон, в котором по меньшей мере одно волокно покрыто сплошными, гидрофобными, органическими наночастицами со средним диаметром от 10 нм до 300 нм и среднеквадратическим отклонением σ, составляющим по меньшей мере 10% от средней величины, где количество упомянутых сплошных, гидрофобных, органических наночастиц составляет по меньшей мере 0,1 мас.% от массы линейного работающего на растяжение элемента.
Различные варианты осуществления, касающиеся линейного работающего на растяжение элемента, и любые их сочетания, применимы также к способу изготовления обладающего плавучестью линейного работающего на растяжение элемента.
Предпочтительно, согласно способу, используют частицы со структурой сердцевина-оболочка, в которых оболочка содержит статистический coполимер винилового ароматического мономера и малеимидного мономера с температурой стеклования Tg от 120°C до 220°C, в частности, статистический сополимер полистирола и малеимида.
Во время осуществления процесса наночастицы вводят в контакт с волокнами, нитями, стренгами или одномерным изделием, предназначенным для передачи тягового усилия, посредством любых, обычно используемых способов нанесения, например, в ванне или посредством валов для нанесения покрытия или щелевых аппликаторов. Частицы могут быть, например, в виде раствора или дисперсии. Обычная скорость процесса составляет от 10 м/мин до 700 м/мин, более предпочтительно – от 25 м/мин до 500 м/мин.
Типичное количество частиц на нити или изделии составляет от 0,1 мас.% до 20,0 мас.%, предпочтительно - от 0,5 мас.% до 10,0 мас.%, еще более предпочтительно – от 1 мас.% до 5 мас.%, от массы волокна линейного работающего на растяжение элемента. Наночастицы можно наносить в виде дисперсии, например, в виде покрытия на поверхность волокон, нитей, стренг и/или линейного работающего на растяжение элемента.
Если гидрофильный отделочный препарат присутствует на волокнах или нитях, то его предпочтительно в первую очередь удалить (например, посредством выпаривания или промывки) до нанесения наночастиц. Предпочтительно, чтобы гидрофобный отделочный препарат находился на волокнах до нанесения наночастиц. Предпочтительным гидрофобным отделочным препаратом является отделочный препарат, содержащий диглицерид или триглицерид. Такой отделочный препарат получают посредством этерифицирования глицерина насыщенными или ненасыщенными жирными кислотами с 6-20 углеродными атомами. Волокна, обработанные таким отделочным препаратом, могут быть затем покрыты наночастицами.
В соответствии с этим, в одном варианте осуществления линейный работающий на растяжение элемент содержит множество волокон, по меньшей мере 0,1 мас.% сплошных гидрофобных органических наночастиц и гидрофобный отделочный препарат.
В одном варианте осуществления линейный работающий на растяжение элемент состоит из множества волокон, по меньшей мере 0,1 мас.% сплошных гидрофобных органических наночастиц и гидрофобного отделочного препарата.
В одном варианте осуществления линейный работающий на растяжение элемент состоит из множества волокон по меньшей мере 0,1 мас.% сплошных гидрофобных органических наночастиц.
В следующих примерах и на чертежах изобретение пояснено более подробно, но объем изобретения ни в коей мере не ограничен этими примерами и чертежами.
На фиг.1 показан канат из арамидного волокна согласно изобретению, плавающий на поверхности воды, тогда как такой же канат из арамидного волокна, не содержащий гидрофобных наночастиц, опускается на дно.
Пример 1. Плавучесть каната из арамидного волокна
Изготавливали плетеные канаты диаметром 5 мм с длиной витка 40 мм (регулярно повторяемый шаг плетения) из 12 стренг из нитей Twaron 2200. Каждая стренга содержала 8 нитей (титр – 1580, количество элементарных нитей – 1000) (крутка составляла 25 1/м; крутку осуществляли на машине Roblon Tornado 400, выполняли левую крутку S25 или правую крутку Z25 в зависимости от направления вращения рабочего органа машины). После кручения стренги сплетали в канат на плетельной машине Herzog SE 1-12-266 (плетение в вертикальном направлении). 6 катушечных кареток, вращаемых по часовой стрелке, несли катушки со стренгами с левой круткой S25 внутри катушечной каретки, и 6 катушечных кареток, вращаемых против часовой стрелки, несли катушки со стренгами с правой круткой Z25. Линейные работающие на растяжение элементы имели линейную плотность, приблизительно составлявшую 155000 дтекс, элементарные нити имели линейную плотность, составлявшую 1,6 денье. Канаты изготавливали из неотделанных нитей Twaron 2200 (контрольные образцы) или из неотделанных нитей Twaron 2200, обработанных эмульсией, содержавшей частицы NanoTope 26WA30 (60 мас.% твердого вещества, поставщик - компания TopChim) и Hymo90 (аполярное отделочное масло, поставляемое компанией Goulston) с массовым соотношением 4,0:0,3. 3 масс. эмульсии (твердого вещества от массы эмульсии) наносили на нити посредством щелевого аппликатора, в результате чего количество нанесенного твердого вещества составляло приблизительно 3,9 мас.% (что соответствовало 3,5 мас.% наночастиц) от массы нитей. Затем нити сушили в термокамере горячим воздухом и наматывали на катушки.
Изготавливали канаты и помещали в дистиллированную воду и морскую воду.
Канат, изготовленный из необработанных арамидных нитей, сразу же тонул, тогда как канат, изготовленный из обработанных нитей, т.е. канат, изготовленный согласно изобретению, оставался на плаву в течение более 30 дней, как в дистиллированной, так и в морской воде. На фиг.1 представлена фотография, на которой показан плавающий линейный работающий на растяжение элемент согласно изобретению.
Пример 2. Плавучесть каната из сложного полиэфира
Изготавливали пучки нитей, содержавшие приблизительно 20 м нитей из сложного полиэфира, более конкретно – из полиэтилентерефталата (ПЭТ), P900M (титр 1100, количество элементарных нитей 250), изготовлены компанией Teijin Fibers Ltd.
Один пучок был изготовлен из необработанных нитей из ПЭТ (контрольный образец).
Другие пучки были изготовлены из таких же нитей из ПЭТ, но обработаны эмульсией, содержавшей частицы NanoTope 26WA30 (60 мас.% твердого вещества, поставщик - компания TopChim) и Hymo90 (аполярное отделочное масло, поставляемое компанией Goulston) с массовым соотношением 4,0:0,3. Эмульсию разбавляли водой до содержания твердого вещества от 4,5 мас.% до 15,0 мас.% (от массы эмульсии) и хаотически наносили на нить, в результате чего получали концентрацию твердого вещества на нити от 3 мас.% до 10 мас.% (от массы нити). Эмульсию наносили с использованием щелевого аппликатора при скорости перемещения нити 25 м/мин. Затем нити сушили в течение приблизительно 72 секунд при температуре 150°C или 240°C (см. Таблицу 1).
Все пучки нитей из ПЭТ бросали в воду. Поведение в воде (плавучесть) показано в Таблице 1.
Таблица 1. Образцы нитей из ПЭТ и их поведение в воде (плавучесть)
| Образец | Содержание твердого вещества в эмульсии (мас.%) | Температура сушки (°C) | Кол-во твердого вещества на нити (мас.%) |
Кол-во наночастиц на нити (мас.%) | Время плавания |
| 1 | 4,5 | 150 | 3 | 2,7 | 6-7 ч |
| 2 | 7,5 | 150 | 5 | 4,45 | 7-24 ч |
| 3 | 15,0 | 150 | 10 | 8,9 | 7-24 ч |
| 4 | 15,0 | 240 | 10 | 8,9 | > 40 дней |
| 5 | 7,5 | 240 | 5 | 4,45 | 29-30 дней |
| 6 | 4,5 | 240 | 3 | 2,7 | 1-2 ч |
| Контрольный образец | 0 | 240 | 0 | 0 | 2 мин |
Контрольный образец, представлявший собой пучок необработанных нитей из ПЭТ тонул очень быстро. В противоположность этому, нити, покрытые наночастицами, оставались на плаву в течение часов или даже более одного месяца (поведение в воде (плавучесть) далее не определяли), в зависимости от количества эмульсии на нити.
Пример 3. Плавучесть уплотненного линейного работающего на растяжение элемента и пучка волокон
Изготавливали канат из арамидного волокна, как в Примере 1, из нитей Twaron 2200, обработанных такой же отделочной композицией, как в Примере 1 (образец). В качестве сравнительного образца использовали такое же количество отделанных нитей, как в образце, их рыхло соединяли в пучок посредством фиксации только концов нитей связыванием их вместе (контрольный образец).
Удельную плотность образца и контрольного образца определяли согласно Методическим инструкциям по использованию комплекта высокоточных весов марки Excellence XP/XS, от компании Mettler Toledo для определения удельной плотности, соответствующим способу определения удельной плотности твердых веществ с использованием воды в качестве вспомогательной жидкости.
Канат-образец обладал удельной плотностью, составлявшей 0,29 г/мл, тогда как контрольный образец обладал удельной плотностью, составлявшей 0,22 г/мл (канат-образец и контрольный образец содержали нити, обработанные композицией NanoTope).
В течение по меньшей мере 14 дней поведение в воде (плавучесть) образца и контрольного образца было одинаковым.
Этот эксперимент показывает, что нанесение сплошных гидрофобных органических наночастиц ведет к значительному снижению эффективной удельной плотности, что неожиданно даже в отношении линейного работающего на растяжение элемента с уплотненными волоками.
1. Линейный работающий на растяжение элемент, содержащий множество волокон и по меньшей мере 0,1 мас.% сплошных гидрофобных органических наночастиц со средним диаметром от 10 до 300 нм и среднеквадратическим отклонением σ, составляющим по меньшей мере 10% от среднего диаметра, где линейный работающий на растяжение элемент обладает линейной плотностью, составляющей по меньшей мере 10000 дтекс, и содержит по меньшей мере 80 мас.% волокон, обладающих удельной плотностью, большей 1 г/см3.
2. Линейный работающий на растяжение элемент по п.1, в котором волокна выбраны из арамидных волокон, волокон из сложного полиэфира, жидкокристаллических волокон из сложного полиэфира, полибензазола, полиамидных волокон, волокон из поливинилового спирта, полиакрилонитрила, графита, углерода, стекла и из минеральных волокон и их сочетаний.
3. Линейный работающий на растяжение элемент по п.1 или 2, где линейный работающий на растяжение элемент имеет диаметр, составляющий по меньшей мере 5 мм, предпочтительно - по меньшей мере 8 мм, более предпочтительно - по меньшей мере 10 мм и еще более предпочтительно - по меньшей мере 20 мм.
4. Линейный работающий на растяжение элемент по п.1 или 2, в котором сплошные гидрофобные органические наночастицы присутствуют на поверхности волокон.
5. Линейный работающий на растяжение элемент по п.1 или 2, в котором сплошные гидрофобные органические наночастицы имеют средний диаметр, составляющий от 20 до 200 нм, предпочтительно - от 25 до 100 нм.
6. Линейный работающий на растяжение элемент по п.1 или 2, в котором среднеквадратическое отклонение σ диаметра наночастиц составляет по меньшей мере 20%, предпочтительно - по меньшей мере 30% от среднего диаметра.
7. Линейный работающий на растяжение элемент по п.1 или 2, в котором сплошные гидрофобные органические наночастицы имеют средний диаметр, составляющий от 20 до 200 нм, предпочтительно - от 25 до 100 нм, и в котором среднеквадратическое отклонение σ диаметра наночастиц составляет по меньшей мере 20%, предпочтительно - по меньшей мере 30% от среднего диаметра.
8. Линейный работающий на растяжение элемент по п.1 или 2, в котором сплошные гидрофобные органические наночастицы содержат статистический coполимер винилового ароматического мономера и малеимидного мономера с температурой стеклования Tg от 120 до 220°C.
9. Линейный работающий на растяжение элемент по п.1 или 2, в котором сплошные гидрофобные органические наночастицы имеют средний диаметр, составляющий от 20 до 200 нм, предпочтительно - от 25 до 100 нм, и в котором сплошные гидрофобные органические наночастицы содержат статистический coполимер винилового ароматического мономера и малеимидного мономера с температурой стеклования Tg от 120 до 220°C.
10. Линейный работающий на растяжение элемент по п.1 или 2, в котором среднеквадратическое отклонение σ диаметра наночастиц составляет по меньшей мере 20%, предпочтительно - по меньшей мере 30% от среднего диаметра, и в котором сплошные гидрофобные органические наночастицы содержат статистический coполимер винилового ароматического мономера и малеимидного мономера с температурой стеклования Tg от 120 до 220°C.
11. Линейный работающий на растяжение элемент по п.1, в котором сплошные гидрофобные органические наночастицы имеют структуру сердцевина-оболочка.
12. Линейный работающий на растяжение элемент по п.11, в котором сердцевина частиц со структурой сердцевина-оболочка является гидрофобным материалом, содержащим воск, парафин или масло.
13. Линейный работающий на растяжение элемент по п.11, в котором оболочка частиц со структурой сердцевина-оболочка содержит статистический coполимер винилового ароматического мономера и малеимидного мономера, в частности статистический сополимер полистирола и малеимида.
14. Использование по меньшей мере 0,1 мас.% сплошных гидрофобных органических наночастиц со средним диаметром от 10 до 300 нм и среднеквадратическим отклонением σ, составляющим по меньшей мере 10% от среднего диаметра, для изготовления линейного работающего на растяжение элемента с линейной плотностью, составляющей по меньшей мере 10000 дтекс, обладающего плавучестью в воде и водных растворах.
15. Способ изготовления плавучего линейного работающего на растяжение элемента, обладающего линейной плотностью, составляющей по меньшей мере 10000 дтекс, в котором соединено множество волокон или нитей, из которых по меньшей мере одно волокно или одна нить снабжены сплошными гидрофобными органическими наночастицами со средним диаметром от 10 до 300 нм и среднеквадратическим отклонением σ, составляющим по меньшей мере 10% от средней величины, и в котором количество сплошных гидрофобных органических наночастиц составляет по меньшей мере 0,1 мас.% от массы линейного работающего на растяжение элемента.
