БУМАГОПОДОБНЫЙ НАНОКОМПОЗИТ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОЛОКОН И НЕОРГАНИЧЕСКИХ СВЯЗУЮЩИХ Российский патент 2013 года по МПК D21H13/38 D21H13/40 B01D39/20 B82B1/00 

Бумагоподобный нанокомпозит на основе минеральных волокон с использованием в качестве связующего сульфата алюминия (Al₂(SO₄)₃) изготовлен на традиционном бумагоделательном оборудовании методом отлива, при следующем соотношении компонентов, в мас.%:

Микротонкое стеклянное волокно - 50÷70;

Ультратонкое базальтовое волокно - 0÷20;

Сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃ - 10÷30 (по Al₂O₃).

Бумагоподобные нанокомпозиты на основе минеральных волокон с использованием в качестве связующего Al₂(SO₄)₃ обладают целым комплексом уникальных свойств, не присущим материалам на основе растительных волокон. Это прежде всего термо-, хемо-, биостойкость, фильтрующие свойства, позволяющие сочетать низкое аэродинамическое сопротивление с высоким улавливающим эффектом частиц субмикронного характера при необходимой технологической прочности. Изобретение относится к бумагоподобным композиционным фильтровальным и сепарационным материалам, которые могут быть использованы для фильтрования газовоздушных сред и жидкостей, сепараторов химических источников тока (ХИТ). Такие материалы обладают гидрофильной капиллярно-пористой структурой, чтобы обеспечить высокую впитываемость, сорбционную емкость, при этом не набухают. Для достижения этого в композиции материала используются минеральные волокна, а именно микротонкие стеклянные волокна средним диаметром 0,20 мкм (МТВ) и ультратонкие базальтовые волокна диаметром 0,6÷1,0 мкм (УТВ). Микротонкие стеклянные и ультратонкие базальтовые волокна обладают большой удельной поверхностью, что важно при формировании тонкой капиллярно-пористой структуры в процессе формования полотна материала. Тонкую капиллярно-пористую структуру обеспечивают волокна, наноразмерность которых 40-100 нм с содержанием их в композиции более 40% (рис.1). Минеральные волокна в отличие от растительных волокон не способны к связеобразованию. В качестве связующего используются соли алюминия, в частности сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃. При гидролизе солей алюминия образуются полигидроксокомплексы алюминия, способные вступать в реакцию с функциональными группами, расположенными на поверхности волокна. Образование координационной связи, в частности водородной, обеспечивает необходимую прочность материала. Такой материал устойчив к действию агрессивных сред, термо-, хемо-, биостойкий благодаря неорганической природе волокна и связующего.

Отлив материала производили по традиционному бумажному способу формования в лабораторных условиях на листоотрывном аппарате ЛОА-2. Промышленная партия материала изготовлена на бумагоделательной машине «Voit».

Производство данных материалов относится к нанотехнологиям по двум аспектам:

1. Нанотехнологической составляющей являются волокна, наноразмерность которых составляет 40-400 нм. Роль нановолокон в композиции является определяющей при формировании свойств композита таких, как прочность, пористость, сорбционная емкость (рис.2).

2. Наноразмерность связующего подтверждается исследованиями методом электронной спектроскопии (рис.3). Благодаря связующему формируется прочность и капиллярно-пористая структура, которая обеспечивает высокие фильтровальные характеристики композита.

В результате проведенных исследований и опытно-промышленной выработки были получены материалы из микротонких стеклянных и ультратонких базальтовых волокон с различным % содержанием их в композиции. В качестве связующего используется Al₂(SO₄)₃ - в расходах 10÷30% в пересчете на Al₂O₃.

Данные материалы по своим характеристикам могут использоваться как фильтрационные и сепарационные.

В таблице 1 приведены примеры композиций материалов и их свойства.

Таблица 1 № п/п Свойства Композиция МТВ - 70% МТВ - 50% МТВ - 70% МТВ - 70% УТВ-20% УТВ - 20% УТВ - 10% УТВ - 0% Al₂(SO₄)₃ - 10% Al₂(SO₄)₃ - 30% Al₂(SO₄)₃ - 20% Al₂(SO₄)₃ - 30% 1. Масса 1 м², г 100 100 100 100 2. Толщина, мм 0,5 0,45 0,5 0,4 3. Влагоемкость, % 500 500 450 400 4. Прочность на разрыв, МПа 0,4 0,5 0,7 0,9 5. Коэффициент сопротивления потоку воздуха, Па 50 70 80 90 6. Коэффициент проницаемости по масляному туману, % 0,2×10^-4 0,4×10^-4 0,6×10^-5 0,2×10^-5

Бумагоподобный нанокомпозиционный материал может быть использован в качестве фильтров для фильтрования газовоздушных сред и жидкостей, а также сепараторов химических источников тока. Бумагоподобный нанокомпозиционный материал содержит минеральные волокна с добавлением в качестве связующего сульфата алюминия. Материал изготовлен на традиционном бумагоделательном оборудовании методом отлива при заданном соотношении вышеуказанных компонентов. Техническим результатом является получение бумагоподобного материала, обладающего высокими фильтрующими свойствами, позволяющими сочетать низкое аэродинамическое сопротивление с высоким улавливающим эффектом частиц субмикронного характера при необходимой технологической прочности. Материал характеризуется термо-, хемо-, биостойкостью, влагоемкостью, при этом не набухает, отсутствием токсичности и выделений в воздух веществ, вредно воздействующих на организм человека, устойчивостью свойств от действия плесени, грибков и микроорганизмов в водной среде. 1 табл., 3 ил.

Бумагоподобный нанокомпозит на основе минеральных волокон с использованием в качестве связующего сульфата алюминия (Al₂(SO₄)₃) изготовлен на традиционном бумагоделательном оборудовании методом отлива при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Микротонкое стеклянное волокно 50÷70 Ультратонкое базальтовое волокно 0÷20 Сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃ 10÷30 (по Al₂O₃)