СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 1997 года по МПК C08J9/24 C08L1/02 

Изобретение относится к получению пористых материалов, например, применяемых в качестве фильтров для очистки жидких и газообразных сред, а также может быть использовано в производстве материалов для капсулирования репеллентов, ядохимикатов, душистых веществ, тары, стелек для обуви, прокладок под крышки при консервировании, предотвращающих развитие плесени и грибковых заболеваний.

Известны различные способы получения пористых материалов из полимеров путем введения газовой фазы в полимерную среду, например в растворы полимеров, в расплавы полимеров, в сырые резиновые смеси. Например газом (N₂, CO₂) при высоком давлении (в автоклаве), насыщают резиновые смеси, расплавы полимеров или насыщают термопластичные полимеры (в виде гранул) низкокипящими жидкостями (изопентан, метиленхлорид). Насыщенные таким образом гранулы засыпают в форму и нагревают насыщенным водяным паром до температуры, превышающей температуру стеклования полимера, и при этом проводят вспенивание гранул под давлением пара, образовавшегося из низкокипящей жидкости (1).

Эти способы не лишены недостатков:
использование сложного технологического оборудования;
токсичность, пожароопасность из-за использования летучих веществ, например растворителей;
полученные материалы невозможно использовать для очистки пищевых продуктов из-за наличия в этих материалах химических веществ, неразрешенных для контакта с пищевыми продуктами;
материалы не обладают антисептическими свойствами без специальной обработки.

Известен способ получения пористых полимерных материалов из полиэтилена высокой плотности с индексом расплава 0,5 г/10 мин путем смешивания его (600 г) с двууглекислым калием (300 г) этиленгликолем, четыреххлористым углеродом в течение 1 ч при комнатной температуре, таблетирования (формования) при давлении 150 кг/см² и обработкой током высокой частоты (2). Этим способом получают материал с размером пор 2-5000 мк и газопроницаемостью 20-3000 см²/атм-с.

Однако он имеет достаточно сложную технологию.

Известен способ изготовления пористых изделий из полиэтилена путем смешения полиэтилена высокой плотности, облученного ионизирующим излучением и необлученного, последующего уплотнения, спекания и охлаждения (3).

Известно получение пористых материалов на основе целлюлозы. Так известен способ получения пористой пленки и волокон путем растворения эфира целлюлозы в органическом растворителе и формования в осадительной ванне, содержащей осадитель или смесь осадителя с растворителем полимера. Пленка имеет поры с радиусом 0,22 мкм при максимальном размере пор 0,6 мкм (4).

Известен способ получения пористого гранулированного целлюлозного сорбента (5).

Однако эти способы не позволяют получить пористый целлюлозный материал широкого назначения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения пористого материала (6). Технологический процесс изготовления пористого материала фильтровального картона состоит в следующем:
предварительном роспуске (рубке) целлюлозы марок (сульфитная ТУ-13-7308001-592) и приготовлении водной суспензии с концентрацией 2-3 мас. целлюлозы на 100 мас. суспензии;
предварительном роспуске (рубке) целлюлозы хлопковой (ГОСТ 595) и приготовлении водной суспензии с концентрацией 2-3 мас. целлюлозы на 100 мас. суспензии;
предварительном роспуске (рубке) асбеста (асбест хризотиловый нормальной прочности марок П-3-50 или П-30-60 или П-3-70 ГОСТ12871 или асбест обезжелезенный марки АХО-2 ТУ-21-83-3) и приготовлении водной суспензии с концентрацией 2-3 мас. асбеста на 100 мас. суспензии.

В зависимости от вида фильтрованного картона (однослойный или двухслойный) на картоноделательной машине К-14А производится отлив картонного полотна. На первой стадии происходит обезвоживание полотна самотеком, затем вакуумированием при остаточном давлении 0,5-0,3 кгс/см² с последующим прессованием при давлении 0,5-5 кгс/см² и сушкой при 140-170^oC. Перед сушкой одна из поверхностей покрывается, например латексом ВХВД-65 (сополимер винилхлорида с винилиденхлоридом, ТУ-6-01-1170-87) с концентрацией 2,7- 3,3 мас. латекса на 100 мас. сухого фильтрованного картона.

Независимо от вида картона общее количество асбеста в картоне составляет 20 мас. на 100 мас. сухого картона.

Недостаток этого способа состоит в том, что при контакте с водной средой целлюлозные волокна набухают и фильтр теряет свою форму и прочность, при этом не исключается вымывание в фильтрат волокон асбеста, обладающих концерогенными свойствами. Для устранения возможного попадания в фильтрат волокон целлюлозы и асбеста одна сторона покрывается латексом ВХВД-65. Но эта операция не устраняет контакта технологических рабочих с асбестовым волокном в процессе проведения подготовительных операций.

Из-за набухания пористого материала и потери им формы невозможна его регенерация ни противотоком ни смывом, что и определяет его одноразавое использование.

Материал, полученный по данной технологии, обладает низкой стойкостью к истиранию, особенно во влажном состоянии.

Технической задачей изобретения является придание целлюлозному фильтру формостабильности (уменьшение разбухаемости), повышенной прочности и стойкости к истиранию в процессе эксплуатации, уменьшения его токсичности за счет устранения из его состава асбестового волокна.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе получения пористого материала путем формования его из композиции, включающей 2-3%-ную водную суспензию целлюлозы и наполнитель, последующего обезвоживания его вакуумированием при остаточном давлении 0,3-0,5 кгс/см², прессования его под давлением и сушкой при нагревании, в качестве наполнителя используют порошок термопластичного полимера с размером частиц 0,01-1,0 мм в количестве 10-50 мас. или смесь его с 5-40 мас. на 100 мас. композиции минеральным наполнителем с размером частиц 0,04-0,5 мм, выбранным из группы, включающей шунгит, цеолит, апатит, сушку осуществляют при 80-90^oC в течение 10-20 мин, после чего полученный отформованный материал термообрабатывают воздухом или паром при температуре расплава термопластичного полимера в течение 10-20 мин.

Одна из сторон получаемого пористого материала может быть покрыта перед сушкой его латексом, например ВХВД-65 (на основе сополимера винилхлорида с винилиденхлоридом) марки В (по ТУ-6-01-1170-87) с концентрацией не менее 44 мас. и в количестве 2,7-3,3 мас. от массы покрываемого материала.

Покрытие должно быть равномерным по всей поверхности.

В качестве термопластичного полимера в способе по заявленному способу используют, например полиэтилен высокого давления (ПЭВД) или полиэтилен низкого давления (ПЭНД), отходы полиэтилена, полистирол, поливинилхлорид в виде порошков с размером частиц 0,01-1,0 мм и другие.

В качестве целлюлозы при приготовлении 2-3%-ной водной суспензии используют различные марки хвойной и хлопковой целлюлозы, такие например как целлюлоза марки ЦА, мерсерированная, целлюлоза кордная и вискозная, сульфатная, целлюлоза сульфитная ацетатная, целлюлоза хлопковая по ГОСТ 595. Водную суспензию целлюлозы готовят из предварительно подготовленной целлюлозы: сначала осуществляют роспуск целлюлозы вискозной, ЦА, ацетатной или размол хлопковой целлюлозы, а потом готовят суспензию ее в воде.

Используемые минеральные наполнители являются известными природными минералами:
цеолит природный минерал, представляющий собой водный алюмосиликат, в котором цеолитовая вода может удаляться при нагревании и вновь поглощаться минералом во влажной среде, цеолиты являются природными сорбентами, обладающими ионообменными свойствами (катионит);
шунгит природный минерал (сорбент), представляющий собой элементарный углерод, отличающийся от антрацита и графита малым содержанием летучих компонентов, а от графита отсутствием кристаллической структуры;
апатиты основные безводные фосфаты.

При нагревании смеси с порошкообразным термопластичным полимером до температуры его расплава частички последнего сплавляются между собой, образуя полимерный каркас, находящаяся в целлюлозных волокнах вода, испаряясь, препятствует адгезионной связи целлюлозного волокна с расплавом полимера.

При смешивании целлюлозного волокна с термопластичным полимером и минеральным наполнителем в процессе термообработки до температуры расплава полимера также образуется полимерный каркас. При этом расширяющийся в порах минерального наполнителя воздух и испаряющаяся вода препятствуют адгезионной связи минерального наполнителя с расплавом полимера.

В том и в другом случаях образование пористой структуры (по величине пористости и размеру пор) происходит как на стадии сушки композиции, так и на стадии термообработки.

В процессе эксплуатации разбухающие в жидкости целлюлозные волокна заполняют свободное поровое пространство, происходит самоуплотнение пористого материала, что приводит к улучшению качества фильтрации.

Преимущества изобретения заключается в следующем:
полученный материал формостабилен в водной среде, имеет повышенную прочность на разрыв и истирание;
в составе пористого материала отсутствуют ингредиенты, обладающие концерогенными свойствами;
пористый материал в виде фильтра можно использовать многократно с регенерацией противотоком или смывом;
подготовленная к формованию водная суспензия целлюлозы с введенным в нее минеральным наполнителем и термопластичным полимером или только термопластичным полимером обладает хорошей гомогенностью, не расслаивается во времени и при обезвоживании вакуумированием частички термопластичного полимера и минерального наполнителя не вымываются;
из подготовленной смеси можно производить отливку пористого материала в виде пленок, полых цилиндров, гофрированных изделий;
полученный материал может быть подвергнут механической обработке, склейке, сварке;
поскольку природные минералы цеолит, шунгит, апатит обладают сорбционными и ионообменными свойствами, полученные по предлагаемому способу пористые материалы способны производить очистку фильтрата не только от твердых частиц, но и от растворимых в фильтрате солей тяжелых металлов и вредных химических соединений;
весовые характеристики материала, полученного по заявленному способу, остаются в пределах весовых характеристик материала, полученного по прототипу;
параметры технологического оборудования, необходимого для получения материала по заявленному способу, аналогичны параметрам оборудования, на котором получают материал по прототипу, дополнительных устройств не требуется;
при изготовлении материала по заявленному способу обслуживающий персонал не имеет контакта с токсичными или концерогенными материалами.

Воспроизводимость заявленного способа иллюстрируется примерами (см.таблицу):
Берут предварительно подготовленную водную суспензию целлюлозы и смешивают с термопластичными полимерами в виде порошка, например полиэтиленом высокого давления низкой плотности (ПЭВД) марки 168 или полиэтиленом низкого давления высокой плотности (ПЭНД) марки 273-79 или полистиролом марки ПСЭ-1 с индексом расплава 0,8 г/10 мин, 0,5 г/ 10 мин, 0,3 г/10 мин соответственно, порошок термопластичного полимера берут с размером частиц 0,01-1,0 мм или берут водную суспензию целлюлозы и смешивают с термопластичным полимером в виде порошка с размером частиц 0,01-1,0 мм и минеральными наполнителями (цеолит, шунгит, апатит) с размером частиц 0,04-0,5 мм. При смешивании вводят анионоактивный эмульгатор алкилсульфатного типа марки Е-30 в количестве 0,01-0,05 мас. на 100 мас. смеси. Из полученных смесей отливают диски диаметром 80 мм и толщиной 2-3 мм, производят вакуумное обезвоживание, затем сушат при 80-90^oC в течение 10-20 мин. Полученный образец подвергают термообработке (воздухом или паром) при температуре расплава полимера в течение 10-20 мин.

Пористость образца определяют по методике (ГОСТ 18898-73).

Формостабильность образца определяют по разности толщин сухого и того же образца, выдержанного в воде в течение 240 ч.

Прочность на разрыв определяют на испытательной машине типа "Zwick".

Результаты опытов представлены в таблице.

Свойства материала, изготовленного по прототипу: пористость 60-65% прочность в исходном (сухом) состоянии 0,7 кгс/см², после пребывания в воде уже через 3 ч образец теряет свою форму и провести испытания на прочность не удается.

Как видно из таблицы, прочность материала, полученного по прототипу, возросла в 20-50 раз, не более чем на 30% теряется прочность образца после 240 ч пребывания в воде.

Использование: производство фильтров для очистки жидких и газообразных веществ, материалов для капсулировния репеллентов, ядохимикатов, душистых веществ. Сущность изобретения: пористый материал формуют из композиции, содержащей 2-3%-ную водную суспензию целлюлозы и наполнитель. Наполнителем является порошок термопластичного полимера с размером частиц 0,01-1,0 мм (в количестве 10-50 мас.% на 100 мас.% композиции) или смесь его с 5-40 мас.% минерального наполнителя (на 100 мас.% композиции) с размером частиц 0,04-0,5 мм, выбранным из группы, включающей цеолит, шунгит, апатит. Последующее обезвоживание отформованного материала осуществляют вакуумированием при давлении 0,3-1,0 кгс/см². Сушку проводят при 80-90^oC 10-20 мин. Затем материал термообрабатывают воздухом или паром при температуре расплава термопластичного полимера в течение 10-20 мин. Одна из сторон материала перед сушкой может быть покрыта латексом винилхлорида с винилиденхлоридом в количестве 2,7-3,3 мас.% от массы материала. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения пористого материала путем формования его из композиции, включающей 2 3%-ную водную суспензию целлюлозы и наполнитель, последующего обезвоживания его вакуумированием при остаточном давлении 0,5 - 0,3 кгс/см² и сушкой при нагревании, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используют порошок термопластичного полимера с размером частиц 0,01 1,0 мм в количестве 10 50 мас. или смесь его с 5 40 мас. на 100 мас. композиции минеральным наполнителем с размером частиц 0,04 0,5 мм, выбранным из группы, включающей шунгит, цеолит, апатит, а сушку осуществляют при 80 90^oС в течение 10 20 мин, после чего полученный отформованный материал термообрабатывают воздухом или паром при температуре расплава термопластичного полимера в течение 10 20 мин. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед сушкой одну из сторон отформованного материала покрывают латексом на основе сополимера винилхлорида с винилиденхлоридом с концентрацией не менее 44 мас. в количестве 2,7 3,3 мас. от массы покрываемого материала.