ФИЛЬТРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК B01D39/16 

Изобретение относится к очистке воздуха и газов от взвешенных жидких и твердых частиц, в частности к производству фильтрующих материалов для этих целей из растворов или расплавов полимеров.

Однако указанные материалы имеют или недостаточные механические свойства или низкую эффективность фильтрации.

Известен фильтрующий материал, состоящий из смеси ультратонких полимерных волокон со средним диаметром 2,5-10 мкм [1].

Однако, этот материал имеет недостаточную эффективность фильтрации и низкие механические свойства. Очевидно воздушный поток, направляемый к плоскости действия центробежных сил, срывает с кромки волокнообразователя невытянувшиеся волокна с большим диаметром, что ухудшает фильтрующие свойства материала.

Предлагаемое изобретение позволяет создать материал с улучшенными фильтрующими свойствами, прочный и без какой-либо подложки.

Указанные свойства фильтрующего материала достигаются тем, что он в первом слое содержит ультратонкие полимерные волокна со средним диаметром 4-9 мкм и плотностью упаковки 6-8%, а во втором слое - ультратонкие полимерные волокна со средним диаметром 1-3 мм и плотностью упаковки 3-5% при следующем их соотношении в материале, мас.%:
Ультратонкие полимерные
волокна со средним диамет- ром 4-9 мкм 55-70
Ультратонкие полимерные
волокна со средним диамет- pом 1-3 мкм 30-45
Заявляемый фильтрующий материал состоит из двух слоев. Первый, полученный с первого волокнообразователя с расходом 40-50 см³/мин и плотностью упаковки 6-8%, является как бы основой, выполняющей роль подложки и одновременно фильтрующим слоем. Диаметр волокон здесь 4-9 мкм. Второй слой, полученный со второго волокнообразователя с расходом раствора 25-35 см³/мин и плотностью упаковки волокон 3-5%, имеет исключительно высокие фильтрующие свойства. Диаметр волокон здесь получается от 1 до 3 мкм.

В табл.1 представлены состав и свойства предлагаемого фильтрующего материала.

Из приведенных данных следует, что предлагаемый фильтрующий материал обладает более высокими качественными показателями по сравнению с материалом-прототипом.

Положительный эффект достигается за счет послойного содержания волокон определенного диаметра и плотности упаковки волокон в соотношении, обеспечивающем наилучшие качественные показатели материала. Такая структура материала позволяет получать материал без подложки, прочный и с улучшенными фильтрующими свойствами по сравнению с материалом-прототипом.

Изменение соотношения содержания ультратонких полимерных волокон диаметром 4-9 мкм и диаметром 1-3 мкм ведет к изменению качества фильтрующего материала. Так увеличение содержания волокон диаметром 1-3 мкм менее 30% ведет к уменьшению в 1,5-2 раза относительно удлинения и значительно (до 90%) падают фильтрующие свойства.

А уменьшение содержания волокон диаметром 4-9 мкм менее 55 мас.% и увеличение содержания волокон диаметром 1-3 мкм более 45% ведет к резкому падению значений разрывной нагрузки материала на 45-49% и ухудшению эксплуатационных свойств за счет уменьшения плотности упаковки волокон.

Описанный фильтрующий материал на дату подачи заявки получают новым предлагаемым способом.

Известен способ получения нетканого волокнистого материала, в котором для его упрочнения используют связующую добавку в виде полиакрилнитрильного латекса (2). Основным недостатком этого способа является то, что материал приобретает механическую прочность, резко теряя фильтрующую способность за счет перекрытия связующим веществом свободных каналов в волокнистом материале и снижения общей пористости.

Наиболее близким изобретению является способ получения фильтрующего материала, включающий центробежное распыление раствора или расплава полимера в электростатическом поле с использованием аэродинамического потока воздуха с последующим осаждением на приемной поверхности, при этом вокруг зоны волокнообразования создают воздушную завесу, направляя поток воздуха под углом 30-35^о к плоскости действия центробежных сил (1).

Получаемый этим способом материал при удовлетворительных механических свойствах обладает недостаточными фильтрующими свойствами.

Предложен способ получения фильтрующего материала со значительно улучшенными фильтрующими свойствами, прочного и без какой-либо подложки, включающий центробежное распыления раствора полимера в электростатическом поле с расходом 40-50 см³/мин через первый волокнообразователь и с расходом 25-35 см³/мин через второй, при этом время вытяжки волокон на втором волокнообразователе на 15-20% больше, чем на первом.

Предлагаемый фильтрующий материал получают следующим образом.

На волокнообразующие чаши, расположенные последовательно одна - за другой, подают раствор полимера (на первую - со скоростью 40-50 см³/мин, на вторую - 25-35 см³/мин). Под действием центробежных сил вращающихся чаш и сил электростатического поля из раствора образуются волокна, а затем они вытягиваются и укладываются на приемную поверхность, находящуюся на определенном расстоянии от волокнообразующихся чаш.

В табл. 2 показана зависимость качества фильтрующего материала от технологических параметров его получения.

Из приведенных в табл.2 данных следует, что предлагаемый способ изготовления фильтрующего материала позволяет получать материал с более высоким качественными показателями, чем способ изготовления материала-прототипа.

Более высокие качественные показатели фильтрующего материала достигаются за счет новых возможностей, открывшихся с использованием нового способа, а именно применение двух последовательно расположенных по ходу движения транспоpтера волокнообразователей дает возможность получать материал, состоящий из двух слоев, каждый из которых вносит свои качества в общий состав фильтрующего материала; исключение воздушного обдува позволяет волокнам максимально вытянуться, что уменьшает диаметр волокон и следовательно улучшает фильтрующие свойства материала и увеличивает производительность процесса; определенный расход раствора на каждый волокнообразователь дает возможность регулировать диаметр волокон;
установленная разница во времени вытяжки волокон, получаемых с первого и второго волокнообразователя, позволяет получать материал с определенной плотностью упаковки волокон в слоях.

Увеличение расхода раствора на 5-10 см³/мин выше предложенного ведет к увеличению диаметра волокон, и следовательно ухудшению фильтрующих свойств материала, эффективность фильтрации падает на 10%, уменьшению относительного удлинения почти в 2 раза. Уменьшение же расхода раствора на 5-10 см³/мин ведет к резкому уменьшению разрывной нагрузки в 1,7 раза, процесс изготовления материала идет не стабильно, т.к. на кромке волокнообразователя и на его внутренней поверхности образуются засохшие струйки и капли раствора, что мешает нормальному течению процесса волокнообразования.

Увеличение разницы во времени вытяжки волокон, образующихся с первого и второго волокнообразователя выше 20% ведет к уменьшению плотности волокон, материал рыхлый, неудобен в переработке. Уменьшение разницы во времени вытяжки волокон, образующихся с первого и второго волокнообразователя ниже 15% , ведет к увеличению плотности упаковки волокон, снижению фильтрующих свойств на 10-11%, уменьшается относительное удлинение в 2 раза.

Использование: производство фильтрующих материалов для очистки воздуха и газов от взвешенных жидких и твердых частиц. Сущность изобретения: раствор полимера подвергают центробежному распылению в электростатическом поле через два волокнообразователя с расходом 40 - 50 см³/мин в первом и 25 - 35 см³/мин во втором. Время вытяжки волокон устанавливают во втором волокнообразователе на 15-20% больше, чем в первом. Получают материал, содержащий в одном слое 55-70% ультратонких полимерных волокон со средним диаметром 4-9 мкм и плотностью упаковки 6-8%, а в другом - 30-45% ультратонких полимерных волокон со средним диаметром 1-3 мкм и плотностью упаковки 3-5%. 2 табл.

1. Фильтрующий материал, содержащий ультратонкие полимерные волокна, отличающийся тем, что он содержит волокна со средним диаметром 4 - 9 мкм с плотностью упаковки 6 - 8% в первом слое, а волокна со средним диаметром 1 - 3 мкм с плотностью упаковки 3 - 5% во втором слое при следующем соотношении волокон в материале, мас.%:
Ультратонкие полимерные волокна со средним диаметром 4 - 9 мкм 55 - 70
Ультратонкие полимерные волокна со средним диаметром 1 - 3 мкм 30 - 45
2. Способ получения фильтрующего материала путем центробежного распыления раствора полимера в электростатическом поле, отличающийся тем, что раствор распыляют с расходом 40 - 50 см³/мин через первый волокнообразователь, а с расходом 25 - 35 см³/мин. - через второй, при этом время вытяжки волокон на втором волокнообразователе устанавливают на 15 - 20% больше, чем на первом.