МНОГОСЛОЙНЫЙ СОРБЦИОННО-ФИЛЬТРОВАЛЬНЫЙ НЕТКАНЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2008 года по МПК D04H13/00 B01D39/14 

Изобретение относится к производству нетканых материалов, а именно к многослойным сорбционно-фильтровальным нетканым материалам, полученным из растворов полимеров, содержащих твердые сорбционные наполнители, методом аэродинамического формования.

Данные нетканые материалы обладают комплексом сорбционных и сорбционно-фильтрующих свойств и предназначены для фильтрации жидкостей и газов от вредных примесей и могут быть использованы для изготовления медицинских изделий, например респираторов, и защитной одежды, предотвращающей повреждение кожного покрова.

Известен гибкий воздухопроницаемый фильтр из нетканого материала, который содержит нетканую подложку из беспорядочно ориентированных волокон и слой нетканого материала, полученного на месте из раствора органического полимера, например полипропилена (заявка WO 85/03013, B01D 39/14, 18.07.85 г.).

Этот материал применяют в качестве волокнистого фильтра для больших расходов газа.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является фильтровально-абсорбционный многослойный нетканый материал, который содержит не менее двух сорбционных слоев нетканого материала (авторское свидетельство SU 484663 A1, B01D 39/16, 15.09.1975). Недостатком этого материала является сложность его изготовления.

Техническим результатом заявленного изобретения является создание многослойного сорбционно-фильтровального нетканого материала, обладающего одновременно комплексом сорбционных и фильтровальных свойств и высокими физико-механическими свойствами и имеющего максимально простую технологию изготовления.

Технический результат в данном изобретении достигается тем, что многослойный фильтровально-абсорбционный нетканый материал, состоящий по меньшей мере из двух сорбционных слоев нетканого материала, согласно изобретению содержит 2-4 сорбционных слоя нетканого материала, состоящего из наполненных твердыми сорбционными частицами волокон, полученных аэродинамическим формованием из растворов полимеров на основе полиакрилонитрила или его смеси с полиуретаном, и дополнительно содержит армирующий слой из тканого или нетканого материала, расположенный снаружи с одной или двух сторон сорбционных слоев нетканого материала, причем толщина армирующего слоя составляет 0,1-0,5 толщины сорбционных слоев, при этом отношение диаметра волокон армирующего тканого слоя к диаметру волокон сорбционных слоев составляет 6-14, нетканого слоя 0,4-2, а отношение удельной поверхности армирующего слоя к удельной поверхности сорбционных слоев составляет 0,01-0,1.

При использовании для получения сорбционных холстов нетканого материала аэродинамического формования растворов полимеров полиакрилонитрила или смеси его с полиуретаном в условиях одновременного воздействия «жестких» осадительных ванн удается получить холст нетканого материала, состоящий из пористых волокон. Одновременное введение в прядильный раствор твердых сорбционных частиц позволяет зафиксировать данные частицы наполнителя внутри и на поверхности волокна в процессе формирования холста нетканого материала. При этом происходит увеличение сорбционной динамической емкости материала при одновременном снижении его физико-механических свойств.

Исследования показали, что прочность волокна на разрыв в присутствии наполнителей снижается примерно в 5 раз, прочность на раздир - в 10 раз, а количество двойных изгибов, выдерживаемых нетканым материалом при введении наполнителя, снижается в 4 раза - с 2,4 млн. циклов до 600 тыс.циклов. Это не позволяет использовать такие сорбционные нетканые материалы в виде самостоятельных изделий в качестве средств защиты органов дыхания (СИЗОД), например респираторов, или для защитной одежды, предотвращающей повреждение кожного покрова от ядовитых веществ. Изделия разрушаются в процессе изготовления и носки.

Для повышения прочности сорбционных нетканых материалов предлагается структура многослойного сорбционно-фильтровального материала, в котором 2-4 сорбционных слоя нетканого материала совмещают с армирующим слоем, расположенным снаружи с одной или двух сторон сорбционных слоев.

В зависимости от вида изделия в качестве материала армирующего слоя могут быть использованы тканые (дублерин, марля) или нетканые материалы, например полипропиленовый или полиэфирный материал, изготовленный аэродинамическим расплавным формованием. Толщина армирующего слоя составляет не более 0,5 толщины сорбционных слоев (0,1-0,5). При толщине армирующего слоя меньше 0,1 сорбционных слоев не обеспечивается в должной степени армирующий эффект при изготовлении и эксплуатации изделий из многослойного материала. При толщине армирующего слоя больше 0,5 толщины сорбционных слоев за счет роста толщины армирующего слоя резко снижается воздухопроницаемость многослойного материала, опускаясь ниже критической величины 180 дм³/м²·с, допустимой для изделий, защищающих органы дыхания и кожный покров.

При отношении диаметра волокон тканого армирующего слоя к диаметру волокон сорбционных слоев выше 14 падает прочность армирующего слоя, растет деформация из-за чрезмерно большого расстояния между волокнами в ткани, при величине ниже 6 недопустимо снижается прочность сорбционных слоев за счет увеличения диаметра волокон сорбционного слоя, приводящего к снижению числа склеек между волокнами, определяющих прочность сорбционных нетканых слоев.

Для нетканого армирующего слоя при отношении диаметра волокон армирующего слоя к диаметру волокон сорбционных слоев выше 2 падает прочность армирующего слоя из-за уменьшения склеек волокон в материале, а при отношении меньше 0,4 резко возрастает сопротивление воздушному потоку и снижается воздухопроницаемость материала менее допустимого нижнего предела, препятствующего использованию многослойных материалов для изготовления СИЗОД и защитной одежды.

Отношение удельной поверхности армирующего слоя к удельной поверхности сорбционных слоев составляет от 0,01 до 0,1. Указанный диапазон отношения удельных поверхностей армирующего и сорбционных слоев определяется прежде всего величинами последних, которые по разным причинам ограничены по своим значениям. Например, для диаметра волокна армирующего слоя 160 мкм удельная поверхность материала равна 10 м²/г, при большем диаметре ухудшаются физико-механические свойства: прочность падает, удлинение растет. С другой стороны, в сорбционном слое удельную поверхность больше 1000 м²/г не удается получить из-за технических возможностей, т.к. более 70% увеличения удельной поверхности сорбционных слоев приходится на долю твердого сорбционного наполнителя, например активированного угля, включенного в поверхность пористых волокон. Диаметр твердых частиц ≥5 мкм, поэтому удельная поверхность сорбционного слоя не может быть меньше 1000 м²/г. Таким образом, отношение удельных поверхностей не может быть ниже 0,01.

В то же время отношение удельных поверхностей не может быть выше 0,1, т.к. при увеличении диаметра волокон армирующего слоя снижается удельная поверхность, кроме того, снижается прочность армирующего слоя за счет уменьшения склеек между волокнами. Увеличение размеров сорбционных частиц при грубом помоле хотя и снижает их удельную поверхность, но одновременно разрушает сами волокна при внедрении грубых частиц внутрь волокна.

Многослойный сорбционно-фильтровальный материал получают на установке аэродинамического формования из раствора полиакрилонитрила или его смеси с полиуретаном в растворителе. Раствор полимера содержит твердые сорбционные частицы, в качестве которых может быть использован активированный уголь, катионит, анионит и др.

Установка содержит несколько аппаратов для приготовления прядильных растворов полимера, что позволяет получать 2-4 однородных или разнородных слоя нетканого материала непосредственно на установке. Для получения нетканого материала готовят растворы полиакрилонитрила или его смеси с полиуретаном в диметилформамиде или диметилсульфоксиде, содержащие твердые адсорбционные частицы в качестве наполнителя. Раствор полимера, вытекая из фильеры, подвергается растяжению потоком сжатого воздуха и затем воздействию тонко распыленной осадительной ванны. После отмывки растворителя и осаждения полимера волокно собирается на сетчатой подложке, где формируется структура волокнистого материала. При этом склеивание волокон происходит на стадии образования холста при взаимном наложении нитей, находящихся в студнеобразном состоянии, и дальнейшем взаимодействии с осадительной ванной.

Полученные холсты сорбционного нетканого материала для дальнейшей переработки необходимо укрепить армирующим слоем. Армирование производят ткаными и неткаными материалами в узле дублирования установки, который оснащен разматывающим устройством с бобинами дублирующего материала и включает каландр. Поскольку узел дублирования входит в состав установки, многослойный сорбционно-фильтровальный нетканый материал получают непосредственно на установке аэродинамического формования растворов полимеров.

Поскольку получаемый материал может быть использован в качестве фильтров для индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) и защитной одежды кожного покрова человека, то к нему предъявляются особые требования. Материал должен обладать достаточной прочностью, воздухопроницаемостью, высокой степенью поглощения вредных веществ. Указанные показатели определяют по известным методикам.

Прочность материала на разрыв определяют по ГОСТ 15.902.3-79 на разрывной машине РТ-250-М-2.

Воздухопроницаемость определяют по ГОСТ 12088-77 на приборе FF-12 фирмы «Метримпекс» при перепадах давления от 50 до 1000 Па.

Средний диаметр волокна определяют с помощью микроскопа МБИ-15 по ГОСТ 8074-82. Толщину слоя материала измеряют по ГОСТ 12023-66, используя микрометр по ГОСТ 4380-86.

Степень поглощения вредных веществ материалом определяют по ГОСТ 12.4.15890.

Изобретение иллюстрируется примерами.

Пример 1.

Многослойный сорбционно-фильтровальный нетканый материал состоит из 4 сорбционных слоев нетканого материала и армирующего слоя, расположенного с двух наружных сторон сорбционных слоев.

Сорбционные внутренние слои нетканого материала состоят из 4 однородных слоев нетканого материала, выполненного из наполненных активированным углем марки АГ-3 волокон, полученных аэродинамическим формованием из растворов смеси полиакрилонитрила и полиуретана. Суммарная толщина слоев равна 4 мм. Диаметр волокон 20-25 мкм, средний диаметр угля 5-10 мкм, суммарная удельная поверхность 1000 м²/г, разрывная прочность 6 кгс/см², поверхностная плотность 170-200 г/м².

Армирующий слой представляет собой полиэфирный тканый материал (дублерин) толщиной 0,4 мм. Диаметр волокна в материале 150 мкм, удельная поверхность 10 м²/г, поверхностная плотность 120 г/м², разрывная прочность 120 кгс/см².

Многослойный сорбционно-фильтрующий нетканый материал используется для изготовления защитной одежды, предохраняющей от поражения кожного покрова токсичными и сильнодействующими ядовитыми веществами. Время защитного действия материала от паров и капель жидких химически токсичных веществ составляет до 20 часов.

Пример 2.

Многослойный сорбционно-фильтровальный нетканый материал состоит из четырех сорбционных слоев нетканого материала и армирующего слоя, расположенного с одной наружной стороны сорбционных слоев.

Сорбционные слои выполнены из полиакрилонитрильных волокон, наполненных активированным углем марки АГ-3 и полученных аэродинамическим формованием раствора полимера.

Первые два сорбционных слоя состоят из волокон диаметром 25-30 мкм, имеют совокупную толщину 1 мм. Диаметр частиц угля 25-30 мкм, удельная поверхность материала 450 м²/г, разрывная прочность 5 кгс/см².

Вторые два сорбционных слоя нетканого материала состоят из более тонких волокон диаметром 15-18 мкм, совокупная толщина слоев 2 мм, средний диаметр частиц угля 7-10 мкм, удельная поверхность материала 750 м²/г, разрывная прочность 6-7 кгс/см².

Армирующий слой представляет собой нетканый полипропиленовый материал толщиной 0,5 мм. Диаметр волокон 12-15 мкм, удельная поверхность материала 40 м²/г, поверхностная плотность 40 г/м², разрывная прочность 20 кгс/см².

Многослойный сорбционно-фильтровальный нетканый материал используется для изготовления респираторов. Сочетание грубоволокнистых и тонковолокнистых сорбционных слоев в материале повышает его динамическую емкость, увеличивает время защитного действия материала до 60 мин и более.

Предлагаемый многослойный сорбционно-фильтровальный нетканый материал обладает хорошими фильтрующими и сорбционными свойствами и удовлетворяет требованиям, предъявляемым к изделиям из этого материала.

Конструкция материала делает его прочным, что позволяет его непосредственно перерабатывать в изделия (респираторы, защитная одежда и т.п.). Кроме того, материал обладает необходимой воздухопроницаемостью и большой динамической сорбционной емкостью. Время защитного действия материала в респираторах более 60 мин, а для защитной одежды до 20 часов.

Благодаря применению аэродинамического формования растворов полимера, содержащих твердые сорбционные частицы, технология получения многослойного сорбционно-фильтровального нетканого материала достаточна проста и позволяет получать материал непосредственно на установке с различными свойствами в зависимости от вида наполнителя, диаметра волокон и вида армирующего слоя.

Изобретение относится к производству нетканых материалов, а именно к многослойным сорбционно-фильтровальным нетканым материалам. Многослойный сорбционно-фильтровальный нетканый материал, состоящий по крайней мере из двух сорбционных слоев нетканого материала. Материал содержит 2-4 сорбционных слоя нетканого материала, состоящего из наполненных твердыми сорбционными частицами волокон, полученных аэродинамическим формованием из растворов полимеров. Также материал содержит армирующий слой из тканого или нетканого материала, расположенный снаружи с одной или двух сторон сорбционных слоев нетканого материала. Причем толщина армирующего слоя составляет 0,1-0,5 толщины сорбционных слоев, отношение диаметра волокон армирующего тканого слоя к диаметру волокон сорбционных слоев составляет 6-14, нетканого слоя 0,4-2, а отношение удельной поверхности армирующего слоя к удельной поверхности сорбционных слоев составляет 0,01-0,1. Конструктивные особенности заявленного изобретения позволяют повысить физико-механические свойства и упростить технологию изготовления. 1 з.п. ф-лы.

1. Многослойный сорбционно-фильтровальный нетканый материал, состоящий по крайней мере из двух сорбционных слоев нетканого материала, отличающийся тем, что материал содержит 2-4 сорбционных слоя нетканого материала, состоящего из наполненных твердыми сорбционными частицами волокон, полученных аэродинамическим формованием из растворов полимеров, и дополнительно содержит армирующий слой из тканого или нетканого материала, расположенный снаружи с одной или двух сторон сорбционных слоев нетканого материала, причем толщина армирующего слоя составляет 0,1-0,5 толщины сорбционных слоев, при этом отношение диаметра волокон армирующего тканого слоя к диаметру волокон сорбционных слоев составляет 6-14, нетканого слоя 0,4-2, а отношение удельной поверхности армирующего слоя к удельной поверхности сорбционных слоев составляет 0,01-0,1.2. Многослойный сорбционно-фильтровальный нетканый материал по п.1, отличающийся тем, что сорбционные слои нетканого материала состоят из волокон на основе полиакрилонитрила или смеси его с полиуретаном.