СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФИЛЬТРОВАЛЬНОГО ИЗДЕЛИЯ ОПРЕДЕЛЕННОЙ ФОРМЫ ИЗ АКТИВИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН И ПРЕДМЕТ ЗАЩИТНОЙ ОДЕЖДЫ, ПОЛУЧЕННЫЙ ЭТИМ СПОСОБОМ Российский патент 2004 года по МПК B01D39/08 B01D39/18 B01D39/20 A62B17/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к изготовлению фильтровальных изделий определенной формы, обладающих адсорбирующими свойствами, с применением активированных углеродных волокон. Термин "фильтровальные изделия определенной формы" в данном случае применен для обозначения бескаркасных фильтровальных изделий неплоской формы.

Конкретно изобретение относится к изготовлению предметов одежды определенной формы, например перчаток, носков, нижнего белья, головных уборов. При этом указанная одежда предназначена для применения гражданским или военным персоналом с целью защиты его от агрессивных воздействий, имеющих в особенности ядерную, биологическую или химическую природу.

Однако способ по изобретению может быть применен и в других целях, например, для изготовления фильтровальных изделий специальной формы, таких как рукава, сферические колпаки и т.п.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Для изготовления модификаций одежды, защищающей от ядерных, биологических и химических (ЯБХ) поражений, предлагались различные материалы.

Так, известен вариант изготовления защитных костюмов из толстой резины, как правило, изобутиловой. Такие костюмы, в особенности при относительно высокой температуре неудобны и носить их трудно, так как они затрудняют дыхание.

Кроме того, имели место предложения применять частицы пыли активированного угля, диспергированные в пене, например в полиуретановой пене. Изготовленные таким образом костюмы или отдельные предметы одежды отличаются большой толщиной. Вследствие наличия пены к их недостаткам относятся также затруднения при стирке и плохое поведение в присутствии огня. В дополнение к этому в том случае, когда условия применения требовали их ламинирования на подложку определенной формы, могли ухудшиться пористость и возможности для дыхания. Кроме того, во влажных условиях, например из-за испарины, способность активированного угля к адсорбции уменьшается.

Предлагали также применять активированные углеродные волокна. При изготовлении предметов одежды определенной формы механические свойства указанных волокон затрудняют проведение с ними текстильных операций, таких как прядение, ткачество, вязание, сшивание, плетение. Казалось бы, можно разместить активированные углеродные волокна в определенном порядке на подложке, имеющей форму одежды, подлежащей изготовлению. Однако при этом снова возникают указанные выше недостатки, касающиеся закупоривания пор и ухудшения возможностей для дыхания.

Для разрешения проблемы, вызванной непригодностью углеродных волокон для текстильных операций, патентный документ FR 2599761 А предлагает применение композитной нити. Нить содержит сердцевину с требуемыми механическими свойствами, например сердцевину из металла, с навитыми или намотанными на ней первичными углеродными волокнами. При изготовлении одежды композитную нить можно использовать до карбонизации и активации первичных углеродных волокон. Согласно указанному патентному документу, полученную в результате ткань можно применять для изготовления защитных предметов одежды. Недостаток этого способа заключается в сложности и высокой стоимости, связанной с изготовлением композитной нити. Другим недостатком является присутствие металлического каркаса в полученных в конечном счете предметах одежды, что делает их очень жесткими. Для военных применений это может быть недочетом с точки зрения свободы движений.

Ткань из активированного углерода известна, ее применяют для приложений, связанных с фильтровальными изделиями. Изготовление такой ткани описано в патентных документах FR 2741363 А и WO 98/41678 А. Однако изготовление изделий одежды определенной формы из такой ткани требует операции сшивания. К сожалению, из-за стежков, сделанных в ткани из активированного углерода, имеет место существенное локальное увеличение жесткости, повышающее дискомфортность. Кроме того, вызывая образование пор неоднородного размера, стежки служат причиной формирования каналов легкого прохождения для токсинов, которые должны задерживаться.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в разработке способа, позволяющего изготовить фильтровальные изделия определенной формы, и в особенности, но не исключительно, предметы одежды для ЯБХ защиты, но без перечисленных выше специфических недостатков.

Более конкретно изобретение направлено на получение таких фильтровальных изделий определенной формы, которые изготовлены полностью из активированных углеродных волокон, могут промываться, термически стабильны и способны сохранять хорошие адсорбирующие свойства во влажных условиях. Одновременно с этим указанным изделиям присуща хорошая механическая прочность; кроме того, имеющиеся в них поры не образуют каких-либо предпочтительных каналов для прохождения среды, подлежащей фильтрации.

Эти задачи решаются посредством способа, включающего в себя этапы:

- получения заготовки изделия, изготавливаемой из материи, состоящей из исходных углеродных волокон, с применением текстильного технологического процесса,

- проведения карбонизирующей и активирующей обработки таким образом, чтобы непосредственно получить изделие желаемой формы, изготовленное из активированных углеродных волокон, причем

заготовке придают размеры с учетом усадки во время карбонизирующей и активирующей обработки.

Отличительной чертой изобретения является то, что фильтровальное изделие получают сразу же после карбонизации и активации заготовки из исходных углеродных волокон, изготовленной с применением текстильного процесса, чтобы придать ей форму, соответствующую форме изделия, подлежащего изготовлению.

Текстильный процесс, примененный для придания формы заготовке, может состоять, по меньшей мере, частично из вязания, сшивания или простегивания двумерной материи или плетения. Термин "двумерная материя" в данном случае применяется для обозначения, в частности тканого полотна или тканого изделия с несколькими системами нитей.

Заготовку изготавливают, в частности, в виде материи из целлюлозных волокон, например, используя волокна искусственного шелка. Это позволяет получить углеродные волокна высокой чистоты, а также с большой удельной площадью поверхности, например более 800 м²/г или даже более 1200 м²/г.

В первом варианте реализации способа карбонизирующая и активирующая обработка включает в себя:

- этап карбонизации, предусматривающий тепловую обработку в инертной атмосфере с нагревом до температуры в интервале 250-500°С, и

- этап активации карбонизированной заготовки, проведенный при температуре в интервале 750-950°С. Активацию проводят в окисляющей атмосфере, такой как водяной пар и/или диоксид углерода.

Во втором варианте реализации способа последовательность операций карбонизации и активации включает в себя этап пропитывания заготовки составом, который содержит, по меньшей мере, один ингредиент, способствующий разложению целлюлозы, и тепловую обработку при температуре в интервале 350-500°С, проводимую таким образом, чтобы обеспечить получение фильтровального изделия непосредственно из активированных углеродных волокон.

В рамках изобретения предлагается также предмет одежды, относящийся к типу, который может быть получен посредством описанного способа, т.е. предмет защитной одежды определенной формы, отличающийся тем, что изготовлен в виде единого изделия из материи, образованной активированными углеродными волокнами. Отличительной чертой такого предмета одежды является то, что, хотя он изготовлен из волокон указанного типа, ему тем не менее присуща прочность, требуемая для реализации его назначения. В предпочтительном варианте предмет одежды образован, по меньшей мере, частично вязанием или плетением нитей, образованных активированными углеродными волокнами. Предмет одежды может быть также образован, по меньшей мере частично, двумерной материей из углеродных волокон, форма которой придана посредством простегивания.

Поскольку предметы одежды по изобретению изготовлены из углерода, они демонстрируют хорошие характеристики в присутствии огня и термически стабильны. Вследствие своей проводимости углеродные волокна обладают способностью устранять статическое электричество. Кроме того, их легко мыть. По сравнению с частицами пыли активированного угля, изделия, изготовленные из активированных углеродных волокон, проявляют весьма ограниченную потерю своих качеств под воздействием влаги. Подавляющее большинство пор в таких волокнах представляет собой микропоры, неспособные наполняться водой за счет капиллярности. В добавление к этому, поскольку размер этих волокон гораздо меньше частиц пыли активированного угля, для заданной массы углерода у них гораздо больше площадь внешней поверхности, подвергаемой воздействию потока газа. Для обеспечения заданных свойств толщину изделий по изобретению можно существенно уменьшить.

ПЕРЕЧЕНЬ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение будет более понятным из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 иллюстрирует последовательные этапы способа, представляющего один из вариантов осуществления изобретения,

фиг.2 иллюстрирует последовательные этапы способа, представляющего модификацию варианта, который иллюстрируется Фиг.1,

фиг.3 представляет собой фотографию заготовки для перчатки, связанной с применением вискозной нити, и фотографию перчатки из активированных углеродных волокон, полученной после приложения к заготовке карбонизирующей и активирующей обработки.

СВЕДЕНИЯ. ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В приведенном ниже описании делаются ссылки на изготовление защитных предметов одежды. Как указывалось выше, изобретение тем не менее не ограничивается таким применением и в своем более общем аспекте включает в себя изготовление фильтровальных изделий определенной формы.

Первый этап 10 способа, показанного на фиг.1, состоит из получения заготовки изделия, подлежащего изготовлению, с применением текстильного технологического процесса.

Заготовку изготавливают, применяя исходные углеродные волокна, имеющие форму нити или пряжи. Можно использовать различные типы исходного материала, такие как предварительно окисленный полиакрилонитрил (ПАН), смола, фенольные соединения. Предпочтительно применение целлюлозного исходного материала, в частности вискозного, например искусственного шелка.

Заготовке придают форму, соответствующую форме изделия, подлежащего изготовлению, учитывая, однако, усадку, происходящую во время карбонизирующей и активирующей обработки.

Придание формы можно осуществить непосредственно, применяя нити или разновидности пряжи исходного углеродного волокна, в частности, посредством вязания или плетения.

Можно также начать с изготовления двумерной материи из нитей исходного углеродного волокна или модификаций его пряжи. Например, это может быть ткань или тканое изделие с несколькими системами нитей. Затем заготовке придают форму посредством разрезания и простегивания нитью такого же типа. Тканое изделие с несколькими системами нитей формируют за счет суперпозиции тканых изделий с одной системой нитей, изготовленных из нитей или модификаций пряжи, вытянутых параллельно заданному направлению. Тканые изделия с одной системой нитей налагают, располагая их в различных направлениях, причем при необходимости их можно присоединить друг к другу, например, простегиванием или легким сшиванием.

Второй этап 20 способа состоит из карбонизации заготовки. Он включает в себя операцию тепловой обработки в инертной атмосфере при температуре в интервале 250-500°С, например, при приблизительно 400°С. Эту стадию проводят при медленном повышении температуры, как правило, со скоростью 0,01-0,5°С/мин. в течение относительно длительного периода времени от нескольких дней до нескольких недель.

После этого можно провести конечную стадию тепловой обработки при более высокой температуре, например при температуре, доходящей до 600-900°С, также в инертной атмосфере, в течение гораздо более короткого периода времени, например за несколько минут.

Для облегчения удаления примесей, попадающих вместе с газовым потоком, при необходимости можно в течение относительно короткого периода времени, приблизительно 1 мин, провести дополнительную тепловую обработку при еще более высокой температуре, лежащей, например, в интервале 1000-1300°С и при пониженном давлении, равном, например, 5-60 Па.

Третий этап 30 способа состоит из активации полученной в конечном счете заготовки из углеродных волокон. Активацию проводят, подвергая указанную заготовку тепловой обработке в окисляющей атмосфере, такой как водяной пар или предпочтительно диоксид углерода, а также смесь диоксида углерода и водяного пара. При этом можно сослаться на процитированный выше патентный документ FR 2741363А. Температура тепловой обработки лежит в интервале 750-950°С, предпочтительно в интервале 850-950°С, а длительность этой обработки предпочтительно составляет 50-300 мин в зависимости от желаемой удельной площади поверхности. Таким образом можно получить изделие из активированных углеродных волокон, имеющее удельную площадь поверхности больше 800 м²/г или даже больше 1200 м²/г.

При необходимости можно провести конечный этап 40 завершающей обработки, зависящий от требуемого применения изделия. В качестве примера одна из модификаций завершающей обработки может состоять из формирования очень тонкодисперсного осажденного слоя для фиксации любых частиц углерода и предотвращения их отделения при применении изделия. Такое осаждение можно осуществить посредством напыления эластомера или латекса.

Другой вариант завершающей обработки может состоять из соединения изделия и подкладки, назначение которой заключается не в придании изделию прочности, а в устранении прямого контакта между изделием и кожей пользователя. Чтобы избежать ухудшения пористости и проницаемости, подкладку можно выполнить аэрированной. Ее нужно присоединить к изделию только в нескольких точках, например, с помощью клея.

На фиг.2 показан вариант реализации способа, пригодный для применения в случае заготовки из целлюлозных исходных волокон. От способа, представленного на фиг.1, он отличается тем, что этапы 20 и 30 карбонизации и активации заменены этапом 20' пропитывания заготовки составом, который содержит ингредиент, способствующий дегидратации целлюлозы, и этапом 30' тепловой обработки. Целью этих этапов является получение изделия, непосредственно изготовленного из активированных углеродных волокон.

Пропитывание проводят, применяя состав, который содержит, по меньшей мере, один ингредиент, способствующий дегидратации целлюлозы, такой как неорганический ингредиент, выбранный из фосфорной кислоты, хлорида цинка, сульфата калия, гидроксида калия, диаммонийфосфата и хлорида аммония. Предпочтительно проводить пропитывание, применяя состав, содержащий фосфорную кислоту, причем масса кислоты, зафиксированной на заготовке, должна лежать в интервале 10-22 мас.% от массы сухой заготовки. Тепловая обработка включает в себя повышение температуры со скоростью в интервале 1-15°С/мин с последующей паузой, которую предпочтительно выдерживают при температуре в интервале 350-500°С в инертной атмосфере или в атмосфере, содержащей активатор реакции, такой как диоксид углерода или водяной пар. Полученное в результате изделие предпочтительно затем промыть. Такой способ описан в упомянутой выше патентной заявке WO 98/41678. Таким образом, непосредственно получают изделие, изготовленное из активированных углеродных волокон.

Пример 1

Заготовки перчаток, аналогичные заготовке, показанной слева на представленной на фиг.3 фотографии, изготовили посредством вязания нитью искусственного шелка типа 330 децитекс (дтекс), используя чулочное переплетение, при этом кромку перчаток изготовили, применив нить искусственного шелка типа 167 дтекс.

Заготовки поместили на рамах в сушильной и обжиговой печи и подвергли тепловой обработке в течение приблизительно 2 недель. Температуру повышали очень медленно, со скоростью менее 0,1°С/мин, до тех пор, пока не был достигнут уровень приблизительно 400°С.

Полученные таким образом заготовки затем снова подвергли тепловой обработке, с нагревом до температуры приблизительно 700°С в течение приблизительно 15 мин, чтобы стабилизировать углеродную кристаллическую решетку.

Карбонизированные заготовки активировали во вращающемся автоклаве при температуре приблизительно 850°С в атмосфере диоксида углерода (CO₂) в течение приблизительно 1 ч.

Полученные в результате перчатки были подобны перчаткам, которые показаны на представленной на фиг.3 фотографии (справа). Они имели следующие усредненные характеристики:

- удельная площадь поверхности примерно равна 1500 м²/г;

- прочность на разрыв при растяжении равна приблизительно 1,5 деканьютона на сантиметр (дкН/см);

- разрывное удлинение приблизительно 50%;

- содержание углерода приблизительно 95%;

- диаметр активированных углеродных волокон (нитей) приблизительно 17 мкм.

Усадка, вызванная карбонизацией и активацией, составляла в среднем 32%. Чтобы получить перчатки требуемых размеров, при изготовлении заготовок эту усадку нужно принимать во внимание.

Следует отметить, что будет зависимой от примененного текстильного технологического процесса и форм изделий, усадка необязательно имеет однородный характер по всему изделию и во всех направлениях. Заданную для заготовки форму предпочтительно определяют посредством тестирования, причем эти испытания делают возможным осуществить последующее моделирование.

Чтобы избежать прямого контакта с кожей, перчатку из активированных волокон углерода можно поместить поверх подкладки перчатки, например, из хлопка. Подкладку перчатки и саму перчатку можно соединить друг с другом посредством нескольких капель клея.

Полученный в результате комплект можно вставить непосредственно в лицевую оболочку перчатки, изготовленную, например, из кожи, В рабочих условиях способна к поглощению именно подсистема, сформированная перчаткой из активированных углеродных волокон и любой подкладкой. К тому же эту подсистему легко сжечь без образования токсичного выброса.

Пример 2

Заготовки перчаток, такие же как в примере 1, пропитали посредством погружения в раствор (20% по объему) фосфорной кислоты Н₃РО₄ в воде. С целью удаления воды пропитанные заготовки подвергли обжигу при температуре в интервале 70-90°С, причем количество фосфорной кислоты, зафиксированной на заготовках, составило приблизительно 16 мас.% относительно массы высушенных заготовок.

Затем заготовки без перерыва поступили на тепловую обработку, во время которой их перемещали, закрепив на ремне, изготовленном, например, из стекловолокон. Тепловая обработка включала увеличение температуры со скоростью приблизительно 5°С/мин до температурного уровня приблизительно 200°С. Проводили ее в инертной атмосфере (азот) с общей продолжительностью приблизительно 90 мин.

Полученные в результате перчатки промыли в деминерализованной воде при температуре приблизительно 90°С.

Перчатки из активированных углеродных волокон, изготовленные таким образом, имели следующие усредненные характеристики:

- удельная площадь поверхности примерно равна 800 м²/г;

- прочность на разрыв при растяжении равна приблизительно 1,2 дкН/см;

- разрывное удлинение приблизительно 50%;

- содержание углерода приблизительно 80%.

Измеренная усадка составляла в среднем 28%.

Испытания

Провели испытания эффективности по отношению к иприту, применяя перчатки, полученные в примере 1.

Испытания для парообразной фазы провели с ипритом при 37°С.

После интервала времени, превышающего 8 ч, прохождения через защитный барьер, образованный перчаткой, не наблюдали.

Испытание для жидкой фазы провели, применяя иприт при температуре окружающей среды 20°С. Иприт в форме капель привели в контакт с перчатками, причем количество примененного поражающего вещества составляло 10 г/м² поверхности перчаток. Количество иприта, прошедшего через перчатки, измеряли посредством экстракции потока воздуха при скорости 0,2 × 10^-2 м/с из внутренней зоны перчаток. Через 24 ч измеренное количество прошедшего насквозь вещества оказалось в интервале 0,2-1,02 мкг/м².

Эти испытания показывают весьма эффективное защитное качество, полученное за счет адсорбционных свойств активированных углеродных волокон.

Предложен способ, содержащий этап изготовления заготовки конечного изделия, которую получают из материи, состоящей из исходных углеродных волокон. Указанную заготовку изготавливают посредством применения технологического процесса, такого как вязание, простегивание двумерной материи или плетение. После этого проводят карбонизирующую и активирующую обработку для непосредственного получения изделия требуемой формы, изготовленного из активированных углеродных волокон. Заготовке придают размеры, учитывающие усадку во время указанной обработки. Технический результат - обеспечение защиты от вредных воздействий, таких как ядерное, биологическое или химическое воздействие. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления фильтровального изделия определенной формы, содержащего активированные углеродные волокна, отличающийся тем, что указанный способ включает этапы получения заготовки изделия, изготавливаемой из материи, состоящей из исходных углеродных волокон, с применением текстильного технологического процесса, проведения карбонизирующей и активирующей обработки, обеспечивающей непосредственно получение фильтровального изделия желаемой формы из активированных углеродных волокон, причем заготовке придают размеры с учетом усадки во время карбонизирующей и активирующей обработки.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку изготавливают, по меньшей мере частично, вязанием нитей, изготовленных из исходных углеродных волокон.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку изготавливают, по меньшей мере частично, простегиванием двумерной материи из исходных углеродных волокон.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку изготавливают, по меньшей мере частично, плетением нитей, изготовленных из исходных углеродных волокон.5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что заготовку изготавливают из материи, состоящей из целлюлозных волокон.6. Способ по п.5, отличающийся тем, что заготовку изготавливают из материи, состоящей из волокон искусственного шелка.7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что карбонизирующая и активирующая обработка включает этап карбонизации, предусматривающий тепловую обработку в инертной атмосфере до температуры, лежащей в интервале от 250 до 500°С, и этап активации карбонизированной заготовки, проводимый при температуре, лежащей в интервале от 750 до 950°С.8. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что карбонизирующая и активирующая обработка включает этап пропитывания заготовки составом, содержащим, по меньшей мере, один ингредиент, способствующий разложению целлюлозы, и тепловую обработку при температуре, лежащей в интервале от 350 до 500°С, обеспечивающую получение фильтровального изделия непосредственно из активированных углеродных волокон.9. Предмет защитной одежды, имеющий определенную форму и содержащий активированные углеродные волокна, отличающийся тем, что изготовлен как единое изделие из материи, образованной активированными углеродными волокнами.10. Предмет одежды по п.9, отличающийся тем, что он образован, по меньшей мере частично, вязанием нитей, образованных активированными углеродными волокнами.11. Предмет одежды по п.9, отличающийся тем, что он образован, по меньшей мере частично, двумерной материей из углеродных волокон, форма которой придана посредством простегивания.12. Предмет одежды по п.9, отличающийся тем, что он образован, по меньшей мере частично, плетением нитей, образованных активированными углеродными волокнами.