НЕТКАНЫЙ УГЛЕРОДНЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 1997 года по МПК D04H3/10 D01F9/16 

Изобретение относится к области получения нетканых материалов, используемых в качестве теплоизоляционных материалов и фильтрующих.

Известны нетканые материалы с эффектом прошивки, обладающие повышенной прочностью, высоким модулем упругости [1] Однако такие материалы обладают и существенными недостатками, ограничивающими их область применения:
иглопробивные нетканые материалы обычно имеют низкую прочность. Для повышения прочностных свойств приходится увеличивать и плотность материала, что связано с ростом расхода сырья;
средняя плотность таких материалов ограничена и часто бывает недостаточна.

С целью устранения этих недостатков у нетканых материалов разрабатывают различные способы, обеспечивающие улучшение качественных характеристик нетканых иглопробивных материалов. Однако все они требуют дополнительного использования материалов или волокон. Например, использование усадочных волокон. Но при использовании усадочных волокон они, подвергаясь температурной обработке, вследствие структурных изменений теряют прочность.

В уровне техники известно использование в нетканых материалах, волокон [1] которые повышают прочность нетканых материалов, но при получении нетканого углеродного материала при высокой термообработке невозможно сформировать углеродный нетканый материал ввиду того, что он будет разрушаться. Для получения нетканых материалов с повышенной прочностью по известной технологии требуется введение связующего или каркасного материала.

Известны нетканые углеродные материалы, получаемые из различного вида волокон: вискозных, пековых, полиэфирных, олефиновых.

Например, нетканый материал, сформированный из расплава анизотропного нефтяного пека [2] Полученный нетканый материал, содержащий активированные углеродные волокна с удельной поверхностью 1580 м²/г, обладают сорбционной емкостью по метиленовому голубому (JiS к 1470) 218 мг/г. Недостатком материала является невысокая прочность и низкая сорбционная емкость. Из-за невысокой прочности происходит высыпание волокон из нетканого материала, что сужает область его применения.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является нетканый углеродный материал, сформированный из вискозных волокон в виде ватки с линейной плотностью 1,7 денье (0,2 Текс), длина волоконец 35 мм, прочность 40 cH/текс, переработанный в иглопробивную вату удельной массой 382 г/м² с последующей карбонизацией при температуре 250 1000^oC в течение 5 ч в инертной среде. Степень усадки составляет 39% [3]
Недостатком данного материала является невозможность получения материала с регулируемой плотностью и воздухопроницаемостью, за счет которых можно было бы получать материал с регулируемой прочностью.

Из сформированного холста в виде вискозной ватки, в которой волокна расположены хаотично, с указанным режимом иглопрокалывания (двусторонее иглопрокалывание, 36 игл с одинаковой плотностью по две стороны, плотность 120 игл/см² и глубиной прокалывания 8 мм) возможно получить только карбонизованный материал, который не может быть подвергнут дальнейшей термообработке с целью получения активированного материала, что подтверждается данными примера 3 [3]
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение является создание нетканого углеродного материала с регулируемой поверхностной плотностью и воздухопроницаемостью, дающими возможность получить материал с повышенной регулируемой механической прочностью.

Поставленная техническая задача достигается за счет того, что нетканый углеродный материал, полученный карбонизацией вискозных волокон, соединенных иглопрокалыванием выполнен из непрерывных волокон, ориентированных в продольном и поперечном направлении и скрепляющих их вертикально расположенных в шахматном порядке волокон и имеет степень обгара 64 87 мас.

Существенным отличием заявляемого материала является то, что он выполнен из непрерывных вискозных волокон, ориентированных в продольном и поперечном направлении и скрепляющих их вертикально расположенных в шахматном порядке волокон, и имеет степень обгара 64 87 мас.

Сущностью изобретения является формирование такой структуры, которая обеспечивает получение вариативного нетканого углеродного материала с регулируемыми характеристиками широкого спектра действия.

Строение продольных и поперечных срезов материала (фиг. 1, 2) показывают, что в местах прокалывания материала образуются равномерные поперечные нити (в отличие от известных технологий, по которым образуются сгустки волокон, дающие нежелательный эффект, т. е. неравномерность по плотности, что особенно нежелательно в материалах, используемых в фильтрации). Ориентация волокон, находящихся в извитом состоянии после удара об отражатель, в продольном и поперечном направлениях, которые достигаются указанном режимом раскладки, и вертикальном положении при указанном режиме иглопрокалывания, при расположении игл в шахматном порядке (фиг. 3) позволяет равномерно протягивать волокна в вертикальном положении без образования сгустков, что дает возможность обеспечить равномерную регулируемую плотность и воздухопроницаемость и, следовательно, повышенную прочность.

Шахматный порядок расположения игл с изменяющейся плотностью расположения игл дает возможность закрепить сложившуюся структуру без изменения (т. е. не происходит переориентации волокон) и получить материал с регулируемой поверхностной плотностью.

Полученный иглопробивной холст подвергается термической обработке при которой не происходит разрушение структуры холста нетканого материала, уменьшаются потери на выкрашивание что позволяет достичь большого выхода продукта и получить на выходе нетканый углеродный материал со степенью обгара 64 87%
Таким образом за счет совокупности существенных признаков может быть получен или карбонизованный для целей изоляции, или активированный с целью использования как фильтрующий сорбционный материал.

Заявляемый нетканый углеродный материал из некрученых вискозных нитей (ТУ 6-12-0020456-7-92) с линейной плотностью нити 192 или 380 текс и прочностью 600 800 cH/текс, которые поступают через форсунки со скоростью 3,5 10 м/с на отражатель, расположенный под углом 45^o к горизонту. Разбиваясь об отражатель, некрученые вискозные нити распадаются на элементарные непрерывные волокна. При формировании холста заявляемого материала ориентированные волокна находятся в извитом состоянии. Элементарные непрерывные нити со скоростью 3,5 10 м/с укладываются на ленту транспортера зигзагообразно за счет колебательных движений форсунки.

В сформированном на транспортерной ленте холсте, за счет режима раскладки, волокна ориентируются в продольном (фиг. 1) и поперечном (фиг. 2) направлениях. После чего сформированный холст подвергается одностороннему иглопрокалыванию на иглопрокалывающем агрегате, осуществляемому в 2 стадии с расположением игл вертикально относительно холста и глубиной прокалывания 5
10 мм. Иглы расположены в шахматном порядке (фиг. 3). Первая стадия иглопрокалывания 60 80 проколов/см², вторая 200 250 проколов/см².

За счет расположения игл ориентированные в продольном и поперечном направлении волокна скрепляются в вертикальном направлении волокнами, протаскиваемыми через холст.

На следующей стадии скрепленный холст поступает на термообработку для получения нетканого углеродного волокна со степенью обгара 64 87%
При температурном режиме 240 360^oC с постепенным подъемом температуры со скоростью 10^oC/мин получают карбонизированный нетканый материал со свойствами, указанными в примерах 1, 2, 5, 6 (таблица), который может быть использован как теплоизоляционный материал.

В сравнении с прототипом заявляемый материал получают со степенью усадки 10 25% или с нулевой. Что говорит о стабильности размеров материала (в сравнении с прототипом).

Затем карбонизированный нетканый материал может быть подвергнут температурной обработке при 850^oC в среде водяного пара в течение 30 мин, при этом получают нетканый углеродный материал активированный со свойствами, указанными в примерах 3, 4, 7, 8, который может быть использован как фильтрующий сорбционный материал.

Предлагаемый нетканый углеродный материал позволяет избежать использования связующего, что улучшает экологию, и каркасного материала, что делает его более экономичным.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами:
Пример 1. Нетканый углеродный материал получен карбонизацией непрерывных вискозных волокон (ТУ 6-12-0020456-7-92), ориентированных в продольном и поперечном направлении и скрепляющих их вертикально расположенных в шахматном порядке волокон. Толщина слоя 6 мм. Степень обгара 64%
Теплопроводность 210 B/м K
Воздухопроницаемость 0,112 Дм³/м²с
Поверхностная плотность 320 г/м²
Прочность в продольном направлении 180 H/5 см
Прочность в поперечном направлении 170 H/5 см
Карбонизированный нетканый природный материал с параметрами по данному примеру может быть использован для теплоизоляции.

Пример 3. Нетканый углеродный материал получен активацией непрерывных вискозных волокон (ТУ 6-12-0020456-7-92), ориентированных в продольном и поперечном направлении и скрепляющих их вертикально расположенных в шахматном порядке волокон. Толщина слоя 6 мм.

Степень обгара 84%
Теплопроводность не измерялась, т. к. материал сорбционноактивный и не применяется для целей теплоизоляции.

Поверхностная плотность 350 г/м²
Воздухопроницаемость 0,098 Дм³/м² с
Прочность в продольном направлении 110 H/5 см
Прочность в поперечном направлении 100 H/5 см
Активированный нетканый углеродный материал с параметрами по этому примеру обладает сорбционной активностью по метиленовому голубому 400 мг/г, и может быть использован для фильтрации.

Остальные примеры с физикомеханическими и химическими характеристиками нетканого углеродного материала приведены в таблице.

Все испытания проводились:
Определение прочности ГОСТ 15902.3-79
Определение усадки поверхностной плотности и линейных размеров по ГОСТ 29104.1-91.

Определение воздухопроницаемости по ГОСТ 12088-77
Определение теплопроводности по ГОСТ 20489-75
Определение сорбционной емкости по метиленовому голубому и степени обгара проводили по методикам, описанным в работе [4]
Анализ данных таблицы показывает, что при степени обгара меньше 64% не получается нетканый углеродный материал достаточно теплопроводный.

При степени обгара выше 87% происходит разрушение структуры материала.

Заявляемый нетканый углеродный материал обладает по сравнению с прототипом преимуществами, указанными в техническом результате и, кроме того, позволяют улучшить экологию, а также является более экономичным по сравнению с аналогами.

Использованная литература.

1. Физико-механические способы производства нетканых материалов и валяльно-войлочных изделий/Г.K.Барабанов, Е.Н.Бершев, Г.П. Смирнов, Ю.Я.Тюменев: Учеб. для вузов М. Легпромбытиздат, 1994, с. 256.

2. Заявка Японии N 2259149, МКИ D 04 H 1/42. Нетканый материал из активированных углеродных волокон и способ его получения. Опублик. 19.10.90.

3. Авт. св. N 39406 А НРБ, МКИ D 01 F 9/22 Способ получения углеродных текстильных материалов. Опублbr. 27.06.86 г. (Прототип)
4. Фридман Л.И. Разработка процесса получения, исследование и применение сорбционных углеродных волокон и волокнистых материалов: Дисс. д-ра техн. наук. Л. 1989. с.500.

Использование: в качестве теплоизоляционных и фильтрующих материалов. Сущность изобретения: нетканый углеродный материал получен карбонизацией вискозных волокон, соединенных иглопрокалыванием. Материал выполнен из непрерывных волокон, ориентированных в продольном и поперечном направлениях. Эти волокна скрепляют вертикально расположенные в шахматном порядке волокна. Материал имеет степень обгара 64 - 87 мас.%. 3 ил., 1 табл.

Нетканый углеродный материал, полученный карбонизацией вискозных волокон, соединенных иглопрокалыванием, отличающийся тем, что он выполнен из непрерывных волокон, ориентированных в продольном и поперечном направлениях, и скрепляющих их вертикально расположенных в шахматном порядке волокон и имеет степень обгара 64 87 мас.