ФИЛЬТРОВАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ФИЛЬТРОВ ТОНКОЙ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК B01D39/16 

Изобретение относится к производству фильтровальных материалов (ФМ) для фильтров тонкой очистки воздуха (ФТОВ) и может найти применение в радиоэлектронной, атомной, химической, медицинской промышленности.

В настоящее время для современных высокочистых и прецизионных технологий требуются чистые производственные помещения (ЧПП), где используют ФТОВ типа НЕРА и ULPA со степенью очистки воздуха 99,99% и более, задерживающие частицы размером 0,5 0,3 0,1 мкм и менее. При этом известно, что наиболее распространены ФТОВ, в которых фильтрующие элементы в основном состоят из стекловолокна [1]
Известен ФМ содержащий модифицированную ионообменную целлюлозу (карбоксиметилцеллюлозу) 10 90 мас. и 1,3,5-три(b-гидроксиэтил)-гексагидро-S-триазин(вазин) [2]
Данный ФМ, используемый для очистки воздуха при изготовлении лекарственных препаратов, антибиотиков и других веществ высокой чистоты, обладает повышенной бактерицидностью и достаточно высокими механическими показателями, однако он недостаточно стоек к действию агрессивных паров кислот и щелочей, подвержен возгоранию и обладает недостаточно высокой гидрофобностью. Поэтому он не находит широкого применения при изготовлении ФТОВ.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому при использовании результату (прототипом) является ФМ для тонкой очистки воздуха на основе минеральных волокон и связующего состава (в мас.) [3]
Стекловолокно со
средним диаметром 0,20-0,25 мкм 20-35
Стекловолокно со
средним диаметром 4-12 мкм 3-6
Связующее поливи- нилацетатная диспе- рсия 2-3
Стекловолокно со
средним диаметром 0,40-0,45 мкм Остальное до 100.

Данный ФМ обладает достаточно высокой эффективностью очистки воздуха, однако при его эксплуатации наблюдается пылимость, связанная с отторжением мелкодисперсных частиц стекловолокна, материал обладает недостаточно высокой гидрофобностью, обусловленной гидрофильностью поливинилацетата.

Известен способ изготовления листового ФМ, включающий диспергирование стекловолокна в присутствии растворимого стекла в количестве от 0,01 до 10% от веса сухого стекловолокна и отлив при рН дисперсии 6-7 [4]
Недостатком получаемого по данному способу ФМ является его недостаточно высокая эффективность очистки воздуха, недостаточно высокие конструкционные свойства и его низкая гидрофобность, что особенно важно для ФТОВ, используемых в медицинской и микробиологической промышленности, где требуется периодическая стерилизация фильтров, которая чаще всего производится при помощи водяного пара.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ изготовления фильтровального материала, включающий формование материала из суспензии волокнистого материала, в том числе штапельного стекловолокна со связующим и последующую сушку [5]
Способ технологичен и производителен, но получаемый материал в процессе эксплуатации сохраняет пылимость. Повышение конструкционных показателей материала, что особенно важно при изготовлении рельефных фильтровальных элементов и снижение пылимости материала путем повышения концентрации связующего увеличивает сопротивление материала и уменьшает эффективность очистки воздуха.

Целью изобретения (требуемым техническим результатом) является уменьшение пылимости материала, улучшение его конструкционных свойств и повышение его гидрофобности при одновременном сохранении эффективности очистки воздуха.

Поставленная цель достигается тем, что ФМ для тонкой очистки воздуха на основе стекловолокна и связующего, согласно изобретения содержит дополнительную целевую добавку, в качестве которой используют полидиоргансилоксановый блок-сополимер, содержащий фрагменты (C₆H₅SiO_1,5)_x и (Si(CH₃)₂O)_y, где х=30-70, у=40-360, при следующем соотношении компонентов, мас.

Cтекловолокно и связующее 89,5-98,0
Полидиоргансилокса- новый блок-сополимер 2,0-10,5
Эта же цель достигается тем, что по способу изготовления ФМ для ФТОВ, включающему формование материала из суспензии штапельного стекловолокна со связующим и последующую сушку, согласно изобретения после сушки ФМ дополнительно обрабатывают целевой добавкой, в качестве которой используют полидиоргансилоксановый блок-сополимер, содержащий фрагменты (С₆H₅SiO_1,5)_x и (Si(CH₃)₂O)_y, где х= 30-70, а у=40-360, причем обработку слоя ФМ указанным блок-сополимером ведут до достижения привеса 2,0-10,5% от массы ФМ.

По сравнению с прототипом группа изобретений содержит новую совокупность существенных признаков, поэтому изобретения группы соответствуют требованиям критерия "новизны".

Некоторые отдельные существенные признаки группы изобретений известны, однако совокупность отличительных существенных признаков изобретений среди известных в науке и технике решений, в объеме проведенного нами поиска, не обнаружена. Поэтому можно утверждать, что изобретения группы соответствуют требованиям критерия "существенности отличий".

После обработки сформированного из стекловолокна ФМ низкоконцентрированным раствором указанного блок-сополимера и испарения растворителя блок-сополимер тонким слоем покрывает поверхность межволоконных каналов, не перекрывая пор. Такому процессу способствует разветвленная структура полифункционального блок-сополимера. Благодаря наличию в нем гидрофобных групп он обладает повышенными адгезионными свойствами к стекловолокну и позволяет в максимальной степени предохранить исходное стекловолокно от разрушения в процессе эксплуатации изготовленного из заявляемого ФМ фильтра и тем самым снизить его самопыление, то есть отторжение в процессе эксплуатации мельчайших частиц стекловолокна.

Кроме того, в процессе обработки указанным блок-сополимером ФМ любой заданной формы, например рельефной, повышается формоустойчивость материала при изготовлении фильтра и его эксплуатации независимо от влажности окружающей атмосферы, что обусловлено нерастворимостью блок-сополимера в воде и его гидрофобностью.

Полидиоргансилоксановый блок-сополимер, содержащий фрагменты (C₆H₅SiO_1,5)_x и (Si(CH₃)₂O)_y, где х=30-70, а у=40-360.

Блок-сополимер представляет собой эластичный крошкоподобный материал, растворимый во многих органических растворителях (хлорированных углеводородах и ароматических кислотосодержащих, например хлоропрене, толуоле, ацетоне, этилацетате), имеющих характеристическую вязкость 0,2-0,5 дл/г. По известным техническим решениям он предназначен для использования в качестве термомо- розостойких эластичных пленочных покрытий.

Таким образом, использование блок-сополимера по новому назначению позволяет получить новый технический результат, поэтому отличительные признаки соответствуют критериям существенности отличий и изобретательского уровня.

Совокупность общих и частных существенных признаков группы изобретений обеспечивает возможность достижения цели изобретений (требуемого технического результата), а именно уменьшение пылимости материала, увеличение его конструкционных свойств и повышение его гидрофобности при одновременном сохранении эффективности очистки и проницаемости по воздуху.

Действительно, как будет более подробно показано ниже на примерах конкретной реализации изобретений, предложенная группа изобретений позволяет не только при сохранении и даже улучшении эффективности очистки воздуха существенно снизить сопротивление фильтрации воздуха, но и уменьшить пылимость материала в процессе эксплуатации и улучшить его конструкционные свойства формоустойчивости.

Таким образом, можно утверждать, что совокупность существенных признаков изобретения соответствует требованиям критерия "промышленная применимость", а проведенный анализ показывает также, что все общие и частные признаки группы изобретений являются существенными, так как каждый из них необходим, а все вместе они достаточны для достижения цели изобретений.

Кроме этого, анализ совокупности существенных признаков изобретений группы и достигаемого при их использовании результата показывает наличие единого изобретательского замысла, тесную и неразрывную связь между изобретениями группы и предназначенность способа непосредственно для изготовления заявляемого ФМ, что позволяет объединить два изобретения в одной заявке.

ФМ по изобретению получают, а способ его изготовления реализуют следующим образом:
Штапельное стекловолокно диаметром 0,25 и 0,45 мкм обрабатывают в ролле при концентрации 0,7 1,0% и рН 2,5 и 3,5 до достижения средней длины волокна 100-120 дг по аппарату Иванова.

В подготовленную стекломассу вводят связующее, например, поливинилацетатную дисперсию или поливиниловый спирт или жидкое стекло в количестве до 2% (по сухому) от массы сухого волокна, затем суспензию разбавляют водой до концентрации 0,1 0,2% и подают на отлив, где отливают слой фильтровального материала такой формы, какая необходима для фильтрующего элемента, например, гофрированной или иной рельефной формы.

После отлива и формирования слоя ФМ его сушат горячим воздухом при температуре 100 120^оС до полного удаления влаги, а затем подвергают обработке раствором блок-сополимера концентрацией 0,1-1,5% Обработку блок-сополимером ведут при комнатной температуре методом погружения до достижения необходимого привеса массы фильтровального материала или напыления блок-сополимера на поверхность ФМ, после чего производят удаление остатков растворителя путем продувки ФМ воздухом при температуре 60-70^оС. Затем фильтровальный материал отделяют от формы и направляют в виде готового фильтрующего элемента на сборку фильтров.

П р и м е р 1. Изготавливают гофрированный ФМ с высотой гофр 3,75 мм и плоским углом при вершине гофр 90 градусов.

Для этого смесь стекловолокна диаметром 0,25 и 0,45 мкм в соотношении 1: 4 размалывают в ролле при рН 3 и концентрации суспензии 1,0% до получения суспензии с весовым показателем длины волокна 100-120 дцг. Затем в суспензию вводят связующее, например, поливинилацетатную дисперсию в количестве до 2% (по сухому веществу) от массы сухого стекловолокна для придания необходимых при влажном формовании фильтрующих элементов конструкционных показателей формоустойчивости. Суспензию разбавляют до концентрации 0,15% и подают в аппарат формования, представляющий собой емкость с расположенной в ней перфорированной, соединенной с отсасывающей вакуумной системой формой, имеющей рельефную поверхность, соответствующую поверхности фильтрующих элементов, например, с высотой гофр 3,75 мм. Под действием вакуума (0,2 кг/см²) суспензия осаждается на рельефной поверхности перфорированной формы.

Сформованный фильтровальный элемент сушат на форме горячим воздухом при температуре 100^оС и после полного высушивания подвергают обработке раствором полидиоргансилоксанового блок-сополимера в хлороформе. Обработку ведут путем погружения фильтрующего элемента вместе с формой в ванну с раствором блок-сополимера концентрацией 0,08 2,5% до достижения привеса 1,8; 2,0; 5,6; 10,5 и 12% (опыты 1 5). Затем фильтрующий элемент обдувают теплым воздухом при температуре 60 70^оС до полного удаления остатков растворителя, отделяют от формы и направляют на сборку фильтров. Результаты испытаний фильтрующих материалов приведены в таблице 2 (опыты 1 5).

П р и м е р 2 (прототип). Изготавливают гофрированный материал на том же оборудовании, что и по примеру 1. Стекломассу для первого слоя готовят из микротонкого стекловолокна, аналогично примеру 1. Отливают слой ФМ, обезвоживают его до 12% и наносят на него слой нетканого материала из супертонкого штапельного стекловолокна. Затем слои ФМ обезвоживают до 22% и наносят напылением поливинилацетатную дисперсию (связующее N 4) в количестве 4% от массы сухих слоев. После этого материал сушат и проводят испытания его показателей. Результаты испытаний приведены в табл.2.

При проведении экспериментальных исследований использовали различные виды связующих веществ и целевых добавок, вид которых и условное обозначение приведены в таблице 1.

П р и м е р 3 (контрольный). Гофрированный фильтровальный материал готовят из той же суспензии, содержащей стекловолокно и поливинилацетатную дисперсию, что и в примере 1. Но затем высушенный материал обрабатывают той же поливинилацетатной дисперсией (связующее N 4), что и по примеру 2 до достижения привеса 10,5% Результаты испытаний полученного при этом материала приведены в таблице 2.

Пылимость фильтровальных материалов определялась путем прососа воздуха через материал под постоянным вакуумом, количество пылинок при этом определялось фотометрическим методом при помощи прибора АЗ 6.

Формоустойчивость определялась путем определения величины плоского угла при вершинах гофр после окончательной сушки снятых с форм фильтровальных элементов, причем первоначальная (при формовании) величина плоского угла при вершинах гофр составляла 90 градусов.

Анализ приведенных в табл.2 физико-механических и эксплуатационных свойств материалов показывает, что предлагаемый способ, по сравнению со способом-прототипом, позволяет получить новый ФМ с уменьшенной пылимостью и улучшенными конструкционными свойствами. При этом одновременно повышается и гидрофобность материала так как полидиоргансилоксановый блок-сополимер нерастворим в водных средах и является гидрофобным веществом.

Использование изобретения позволит изготавливать фильтры тонкой очистки воздуха класса 10 и менее по стандарту США F 209 B.

Изобретение относится к производству фильтровальных материалов (ФМ) для фильтров тонкой очистки воздуха и может найти применение в радиоэлектронной, атомной, химической, медицинской промышленности. Для уменьшения пылимости, улучшения конструкционных средств и повышения гидрофобности ФМ при одновременном сохранении эффективности очистки воздуха, ФМ на основе стекловолокна и связующего содержит полиорганосилоксановый блоксополимер (ПСБ), содержащий фрагменты [C₆H₅SiO_1,5]·X и [Si(CH₃)₂O]·Y, где Х 30 70, а Y 40 360. При этом содержание ПСБ в ФМ составляет 2,0 10,5% к массе стекловолокна и связующего. Обработку БСП производят после формования ФМ и его сушки. 1 з. п. ф-лы, 2 табл.

1. Фильтровальный материал для фильтров тонкой очистки воздуха на основе стекловолокна и связующего, отличающийся тем, что материал содержит дополнительно полидиоргансилоксановый блок-сополимер, включающий фрагменты
[C₆H₅SiO_1,5]_x и [Si (CH₃)₂O]_y,
где x 30-70,
y 40-360,
при следующем соотношении компонентов, мас.

Стекловолокно и связующее 89,5 98,0
Полидиоргосилоксановый блок-сополимер 2,0 10,5
2. Способ изготовления фильровального материала для фильтров тонкой очистки воздуха, включающий формование материала из суспензии штапельного стекловолокна со связующим и последующую сушку, отличающийся тем, что фильтрующий материал после сушки дополнительно обрабатывают полидиоргансилоксановым блоксополимером, содержащим фрагменты
[C₆H₅SiO_1,5]_x и [Si (CH₃)₂O]_y,
где x 30-70, y 40-360.