Установка для получения сорбционно-фильтрующих нетканых материалов с улучшенными свойствами из растворов полимеров методом аэродинамического формования Российский патент 2018 года по МПК D04H3/16 B01J20/30 

Изобретение относится к области получения нетканых материалов, а именно, к установке для получения многослойных сорбционно-фильтрующих композиционных нетканых материалов из растворов полимеров аэродинамическим формованием. Современные сорбционно-фильтрующие материалы имеют достаточную толщину рабочего слоя, являются так называемыми эластичными сорбентами, выполненными в виде тканей и нетканых материалов, содержащих различные твердые наполнители.

Известна установка для получения нетканого материала (авт. свид. СССР 755913, ДО4Н 1/56, опубл. 15.08.1980 г.), состоящая из не менее двух прядильных блоков и дутьевых устройств, позволяющая получать методом аэродинамического формовании из расплава полимера нетканые материалы, используемые в качестве фильтрующих материалов.

Недостатком этой установки является ограниченная возможность получения многослойных материалов из-за малого отличия слоев по структуре, в частности, по диаметру волокна, а значит, незначительных отличий площади боковой поверхности формуемых слоев. Кроме того, на этой установке невозможно получать материалы для фильтрации газов и жидкостей, содержащих растворенные вредные вещества. Получаемые многослойные материалы применяют только для фильтрации от механических примесей.

Известна установка для получения нетканых материалов из растворов полимеров (пат. США 3320479, 317-2, опубл. 16.05.1967 г.), в которой раствор полимера из коллектора выходит в виде струй, попадает на специальный отражающий экран, снабженный направляющим лотком, совершающим возвратно-поступательное движение по горизонтальной оси и осуществляющим раскладку формирующихся нитей. Дополнительная вытяжка нитей до поступления их на приемный транспортер осуществляется в электрическом поле.

Недостатком этой установки является то, что высокие градиенты растяжения обеспечиваются в электрических полях с высоким напряжением. Установка очень энергоемка, экономически малоэффективна, не позволяет реализовать получение многослойных нетканых материалов, способных очищать жидкости и газы от растворенных и газообразных примесей.

Известна установка для получения сорбционно-фильтрующих волокнистых материалов из растворов полимеров аэродинамическим формованием (пат. РФ 62931, Д04Н 3/16, опубл. 10.05.2007 г.), позволяющая получать многослойные материалы с широким комплексом фильтрующих и сорбирующих свойств. Указанный патент взят в качестве прототипа.

Установка содержит систему приготовления прядильных растворов и суспензий на их основе, машину формования с движущимися прядильными блоками, формирующими волокнистый холст на транспортере, промывочную машину, сушилку для сушки материала и узел намотки готового материала. Наличие в данной установке 3-5 линий приготовления прядильных растворов, магистрально соединенных с соответствующими прядильными блоками, дает возможность получать многослойные сорбционно-фильтрующие материалы, состоящие из однородных, либо разнородных слоев.

Основной недостаток данной установки состоит в том, что предложенная технологическая схема, конструктивные решения составляющих узлов и систем не обеспечивают возможность получения однородных по структуре и поверхностной плотности составных слоев, входящих в многослойные композиционные нетканые материалы (МКНМ). В результате для сохранения защитных свойств МКНМ выпускаются с повышенной поверхностной плотностью 400-600 г/м².

С другой стороны, для использования многослойных эластичных сорбентов в средствах защиты выдвигаются требования по ограничению их толщины и поверхностной плотности.

Кроме того, в рассматриваемой установке наличие больших величин коэффициента вариации кратности вытяжки нитей в процессе формования (до 7%) и использование крупнодисперсных наполнителей со средним диаметром частиц 60-80 мкм в составе эластического сорбента дополнительно затрудняет получение волокнистых холстов низкой поверхностной плотности с диаметром волокон 10-20 мкм. Это в значительной степени уменьшает сорбционную активность таких материалов.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка установки для получения сорбционно-фильтрующих нетканых материалов с улучшенными свойствами из растворов полимеров методом аэродинамического формования, позволяющей получать композиционные многослойные нетканые сорбционно-фильтрующие материалы, которые образованы из составляющих слоев, содержащих разные или идентичные наполнители в каждом из них, в одну стадию.

Решение поставленной технической задачи обеспечивается тем, что установка для получения сорбционно-фильтрующих нетканых материалов из растворов полимеров методом аэродинамического формования, содержащая узел приготовления прядильных растворов, машину формования с прядильными блоками, узел промывки, сушилку для сушки материала и узел намотки готового нетканого материала, включает в себя систему предотвращения пульсации давления прядильного раствора, подаваемого на формовочные блоки, сохраняющую отношение максимальной фильерной вытяжки и минимальной фильерной вытяжки не более 1,04, раскладочное устройство, обеспечивающее отношение скорости движения прядильных блоков относительно скорости движения транспортера в пределах от 16 до 80, узел промывки, оснащенный системой отмывки растворителя водой методом противотока и дополнительными циркуляционными контурами, трехсекционную сушилку для удаления влаги с отношением установленной температуры первой секции ко второй от 1,2 до 1,3, а температуры второй секции к третьей от 1,3 до 1,4, при этом материал может быть получен в одну стадию.

Суммарная поверхностная плотность композиционного материала получаемого на установке настоящего изобретения составляет от 250 до 300 г/м². Аэродинамический способ растворного формования наполненных многослойных материалов в одну стадию с получением нетканых слоев, содержащих одинаковые или различные сорбенты, позволяет повысить сорбционную емкость композиционных многослойных нетканых сорбционно-фильтрующих материалов (КМНСФМ) по одному веществу, а также расширить защитные свойства к веществам различной природы (органические вещества, NH₃ и SO₂). Помимо этого обеспечивается высокая равномерность и драпируемость готового материала. Повышение эффективности защиты от АХОВ достигается при создании различных вариантов комбинированных многослойных поглощающих слоев, в том числе в нетканых материалах.

Комбинированные нетканые материалы с комплексом сорбционных и сорбционно-фильтрующих свойств предназначены для фильтрации газов и жидкостей от вредных примесей (аэрозолей, эмульсий, суспензий) и могут быть использованы в качестве сорбирующих элементов в фильтрующих средствах защиты органов дыхания, защитной одежды, предотвращающей повреждение кожного покрова. Такие материалы успешно улавливают токсичные газы в указанных изделиях.

Анализ АХОВ, использующихся в промышленности, позволяет утверждать, что защита населения, проживающего вблизи химически опасных объектов, в условиях чрезвычайной ситуации необходима в основном от аммиака, диоксида серы, паров органических веществ.

Для защиты от указанных токсичных газов используют наполнители - сорбенты, разделяемые на универсальные (активированный уголь (АУ), силикагель) и селективные сорбенты (аниониты, катиониты). Использование нескольких наполнителей в составе эластичных сорбентов позволяет осуществить одновременную, либо последовательную сорбцию отдельных токсичных газов из газовой смеси. Известен ряд изменения активности различных газов к физической сорбции на активированном угле: SO₂>NH₃>NO₂>СО₂>СО>N₂>Н₂. (Данилин В.Н. и др. «Поверхностные явления и дисперсные системы», Физическая и коллоидная химия, ч. 2, Уч. пособие. Кубанский ГТУ, 2015 г., с. 42-43, 119 с.). Из приведенных данных следует, что наилучшей индивидуальной сорбцией на активированном угле (АУ) обладают наиболее токсичные газы, которые легче других извлекаются из газовой смеси. Помимо необходимости разработки новых эластичных сорбентов для защитных средств от АХОВИД существует потребность очистки воздуха от NH₃ на предприятиях, используемых аммиачные холодильные установки (предприятия пищевой промышленности: мясокомбинаты, птицефабрики, рыбоперерабатывающие заводы), где сохраняется проблема улавливания NH₃ в вентиляционных выбросах. Не меньшее значение приобрела разработка новых способов извлечения двуокиси серы из газов в связи с расширением производств тяжелых цветных металлов, увеличением мощности электростанций, работающих на сернистых топливах.

Активированные угли, обладая развитой поверхностью и большим количеством микро- и мезопор, имеют высокую поглотительную способность. Это обусловлено тем, что поверхность АУ определяет механизм физической сорбции, доля которой при сорбции NH₃ и SO₂ относительно общей может достигать 50-70%. С учетом вышесказанного и информации в работе (С.А. Ануров и др. Успехи химии. Т. XLVII, вып. 1, 1977, с. 32-48) доказано, что активированный уголь (АУ) является наиболее эффективным сорбентом по отношению к SO₂ в сравнительном ряду, располагаясь в следующем порядке: АУ>V₂O₃>графит>Cr₂O₃>Fe₂O₃.

Установка согласно настоящего изобретения при получении композиционных многослойных нетканых сорбционно-фильтрующих материалов позволяет реализовать принцип сложения защитных свойств различных сорбентов, находящихся в составляющих слоях, при формировании многослойного холста в одну стадию.

Активированные угли различных марок, отличающихся заданной дисперсностью, выполняют роль универсальных сорбентов органических веществ, частично являясь селективными сорбентами для аммиака и диоксида серы. Дополнительное наполнение отдельных слоев частицами катионита или анионита усиливает селективную сорбцию соответственно по аммиаку, либо по диоксиду серы.

Изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами.

На Фиг 1. представлено изменение давления прядильного раствора Р_ф во времени τ при использовании известной следящей системы контроля давления прототипа, Р_зад - заданное давление.

На Фиг. 2 представлено изменение давления прядильного раствора Рф во времени τ при использовании предлагаемой настоящим изобретением следящей системы контроля давления, Р_зад - заданное давление.

На Фиг. 3 представлена схема дозирования раствора полимера на прядильный блок установки для получения КМНСФМ с использованием ПИД-регулятора и частотного преобразователя.

На Фиг. 4 представлена схема работы раскладочного устройства.

На Фиг. 5 представлена схема трехсекционной промывочной машины с автономной системой подвода и отвода промывной воды в каждой секции.

На Фиг. 6 показано изменение фактической температуры воздуха относительно заданного значения в сушилке известной конструкции, где t_зад, t_факт - соответственно заданная и фактическая температура.

На Фиг. 7 показано изменение фактической температуры воздуха относительно заданного значения в сушилке согласно настоящему изобретению.

На Фиг. 8 представлена схематическая зависимость удаления влаги в сушилке установки для получения КМНСФМ.

Следящая система настоящего изобретения, представленная на Фиг. 3 направлена на предотвращение пульсации давления прядильного раствора 1 при его подаче с расходного бака 2 на блок формования 3, включающий 10 шприцевых фильер. С помощью пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (ПИД-регулятора) 4, частотного преобразователя 5 осуществляется постоянное считывание скорости нарастания давления 6 в системе, автоматически снижая его за счет частотного преобразователя 5, совмещенного с мотором-редуктором 7, уменьшающим производительность насоса НШ-20 8, подающего прядильный раствор через фильтр 9 в коллектор линии формования. В результате фактическое давление прядильного раствора максимально приближается к заданному (Фиг. 2) в отличие от известной схемы прототипа (Фиг. 1) изменения давления.

Далее ПИД-регулятор поддерживает равенство производительности насоса НШ-20 и насосов НШ-10 (НШ-2) 11 в зависимости от числа имеющихся прядильных мест. В этом случае при фиксированной скорости вытягивающего воздуха в пределе 150-200 м/с точная заданная скорость истечения раствора суспензии из капилляров прядильного блока обеспечивается за счет существующей следящей системы снижения коэффициента вариации кратности фильерной вытяжки К_ф. Благодаря схеме контроля изменения давления настоящего изобретения Р_ф коэффициент вариации К_ф снижается с 7% до 0,8% относительно среднего значения. При этом отношение максимальной кратности фильерной вытяжки к минимальной фильерной вытяжке в процессе формования уменьшается с 1,3 до 1,04.

Для повышения равномерности холста в процессе его формирования на приемном транспортере 12, уменьшения ширины образующихся кромок, раскладочное устройство (Фиг. 4) оснащено частотным преобразователем 13, сопряженным с двигателем 14, напрямую соединенным с кареткой 15, движущейся по направляющим и по винтовому валу 16, перпендикулярно перемещению транспортера.

За счет наличия частотного преобразователя 13 наблюдается плавное замедление движения каретки 15, реализуется ускоренное торможение прядильного блока 3 за 0,2 сек, определяющее уменьшение ширины образующихся кромок с 4-5 см до 2 см. В этом случае скорость движения каретки 15 и соединенного с ней прядильного блока 3 вырастает относительно движения транспортера 12 в 2 раза до 10-20 м/мин при скорости движения транспортера 0,25-0,5 м/мин, придавая более равномерную раскладку сорбционно-фильтрующего нетканого материала в процессе образования холста низкой поверхностной плотности в диапазоне 250-300 г/м².

При этом отношение скорости движения прядильного блока, напрямую соединенного с кареткой, относительно скорости движения транспортера находится в пределах от 16 до 80. При отношении меньше 16 не удается обеспечить низкую поверхностную плотность холстов с диапазоном ее изменения менее 8%; соотношение больше 80 ограничено техническими возможностями раскладочного устройства.

Дополнительное улучшение свойств композиционных нетканых сорбционно-фильтрующих материалов достигается применением принципиально новой схемы отмывки нетканого материала от остатков присутствующего растворителя ДМФ в волокнах, образующих волокнистый холст.

Промывка материала противотоком дополнена стадией промывки с помощью циркуляционных замкнутых контуров, имеющихся на каждой из трех секций промывной машины новой конструкции. В трех секционной промывной машине известной конструкции использовалась схема движения воды противотоком с подачей чистой обессоленной воды в третью секцию, навстречу движению образованного холста нетканого сорбционно-фильтрующего материала. В этом случае концентрация ДМФ в промывной воде постепенно нарастала во второй, а затем первой секции промывной машины. Таким образом, в условиях противотока при постоянном расходе до 120 л/час промывная ванна постепенно укреплялась. Причем концентрация промывной ванны при смешении совместно с отработанной осадительной ванной в сборной барке, направляемой на регенерацию ДМФ не должна быть менее 15% для реализации устойчивого процесса регенерации.

Стремление к производству сорбционно-фильтрующих материалов низкой поверхностной плотности 250-300 г/м², вместо ранее выпускаемых - 400-600 г/м², вызвало необходимость снижения расхода промывной воды с 120 л/час до 70 л/час в целях предотвращения чрезмерного разбавления промывной ванны и снижения концентрации отработанной осадительной ванны ниже допустимого предела в процессе их смешения для обеспечения последующей эффективной регенерации. Однако уменьшение расхода промывной воды до 70 л/час в известной конструкции промывной машины ухудшает равномерность промывки материала оросительными трубками, расположенными внутри камеры промывной машины, совершающими возвратно-поступательное движение. Это приводит к наличию пленок в волокнистом холсте, ухудшая его свойства (повышается жесткость, снижается драпируемость волокнистого холста). Для устранения этого недостатка установка настоящего изобретения включает новую промывочную машину (Фиг. 5), имеющую три секции с автономной системой подвода и отвода промывной воды в каждой секции.

Промывка материала осуществляется следующим образом. Обессоленная вода 18 подается по ротаметру в сборную барку 19 промывной воды, откуда насосом через фильтр подается в трубки III секции. Промывная вода от коллекторов по резиновым шлангам подается в оросительные трубки, откуда в виде струй подается на транспортирующие ролики с холстом и самотеком по холсту стекает в поддон, отмывая холст от растворителя. Для более равномерной промывки оросительные трубки совершают возвратно-поступательное движение.

Промывная вода, стекая с материала, собирается в поддон III секции промывной машины и самотеком поступает обратно в сборную барку 19, откуда насосом вновь подается на оросительные трубки III секции промывной машины, осуществляя циркуляцию по контуру для более интенсивной отмывки материала от растворителя, при этом можно увеличивать расход промывной воды с 70 до 200 л/час.

Образующийся со временем избыток промывной воды из сборной барки 19 по переливной трубе перетекает в сборную барку 20. Откуда насосом через фильтр подается в трубки II секции промывной машины, где осуществляется отмывка холста аналогичным способом, описанным выше.

Избыток промывной воды, образующийся в сборной барке 20 по переливной трубе перетекает в сборную барку 21. Отсюда насосом через фильтр подается в I секцию промывной машины. Отмывка материала в I секции осуществляется аналогичным способом. Промывная вода из сборной барки 21 по переливной трубе самотеком поступает в сборную барку осадительной ванны 22. Осадительная ванна, циркулирующая по замкнутому контуру, с машины формования 17 постоянно укрепляется. Количество промывной воды, поступающей в барку осадительной ванны 22, в новой схеме позволяет поддерживать постоянное содержание ДМФ в осадительной ванне без ухудшения качества промывки. Таким образом, процесс осаждения волокна и формирования холста материала осуществляется в оптимальных условиях. Промытый холст волокнистого материала из промывной машины с помощью тянущих вальцев подается на сушку в сушильную машину.

Введение циркуляционных контуров, дополняющих систему противотока, позволяет интенсифицировать процесс отмывки холста от растворителя и тем самым улучшить качество готового материала.

Существенное улучшение качества формуемых многослойных нетканых материалов, отличающихся однородностью по структуре и поверхностной плотности, в настоящем изобретении достигается оптимизацией процесса их сушки в сушилке, конструкция которой позволяет избежать излишнего увлажнения, или пересушивания в данном процессе.

Это достигается наличием в составе установки усовершенствованной трехсекционной сушилки, оснащенной новой системой поддержания температуры заданной для каждой секции, а также реализующую условия поддержания точного соотношения температур между секциями сушилки благодаря использованию схемы плавного изменения расхода пара для нагрева воздуха в сушилке с помощью ПИД-регулятора.

Сушильная машина настоящего изобретения состоит из трех сушильных секций, каждая из которых включает регулирующий клапан, два центробежных вентилятора и два калорифера. В каждую секцию сушилки подается пар давлением Р=3 атм с температурой t=140°С через регулирующий клапан с пневмоприводом, обеспечивающим положение открытого или закрытого клапана.

В известной конструкции сушилки прототипа в результате достижения температурой заданного значения t_зад. клапан подачи пара для обогрева воздуха в калорифере закрывался. Однако, по инерции температура успевала превысить установленное значение, показанное точкой А на Фиг. 6. После выключения клапана происходило охлаждение воздуха до температуры в точке С ниже заданного значения точки В. Для подачи нагретого пара клапан вновь открывался, температура нагреваемого воздуха начинала возрастать. Через определенное время t_факт. вновь начинала превышать t_зад.. В результате периодически наблюдалось пересушивание (при t_факт.>t_зад.), либо недосушивание (при t_факт.<t_зад.) композиционного многослойного нетканого сорбционно-фильтрующего материала (КМНСФМ). В этом случае возникала необходимость выбора минимально допустимой температуры, обеспечивающей проведение процесса сушки до минимальной остаточной влажности, гарантирующей отсутствие пересушивания, усадки и коробления материала.

Клапан для каждой из трех секций подачи пара сушильной машины настоящего изобретения закрывается постепенно посредством пропорционально-интегрального регулятора. Подача пара устанавливается различной для каждой секции в зависимости от величины заданной температуры и уменьшается путем более плавного частичного закрытия клапана для необходимого снижения расхода пара по мере приближения фактической температуры (t_фaкт.) к заданной (t_зад.). Уменьшение расхода пара обеспечивает снижение интенсивности нагрева воздуха в каждой секции сушилки. В результате достигается режим подачи расхода пара, обеспечивающий максимальное приближение t_фaкт. к t_зад. (Фиг. 7). За счет снижения давления пара в калориферах I, II, III секций сушилки обеспечиваются различные соотношения температур между секциями, а наличие промежуточных положений при закрытии или открытии клапана для каждой секции гарантирует поддержание температуры с точностью до 2°С.

Совершенный процесс сушки настоящего изобретения реализуется за счет поддержания определенного соотношения температур между секциями сушилки, причем отношение температуры первой секции ко второй составляет от 1,2 до 1,3, второй секции к третьей от 1,3 до 1,4. В первом случае при t_1секц./t_2секц. больше 1,3 происходит локальное пересушивание КМНСФМ, при соотношении t_1секц./t_2секц. меньше 1,2 наблюдается увлажнение материала за счет неудаленной поверхностной влаги и увеличения на поверхности волокна поступившей сорбированной влаги.

Во втором случае при t_2секц./t_3секц. больше 1,4 имеют место локальные перегревы материала при относительно низких температурах вследствие уменьшения поверхностной влаги на волокнах в материале КМНСФМ. Перегрев КМНСФМ в отдельных местах может превысить 60°С вследствие наличия избыточной влаги менее 100%. При t_2секц./t_3секц. меньше 1,3 происходит переувлажнение материала из-за недостаточного удаления гидратационной влаги в поровых каналах материала КМНСФМ и порах самих волокон.

Как известно, в процессе сушки из текстильных материалов последовательно удаляется свободная (избыточная) влага, захваченная механически и диффузионно, затем - сорбированная, на третьем этапе - гидратационная (Г.Н. Кукин, А.Н. Соловьев «Текстильное материаловедение», ч. II, Москва, Легкая индустрия, 1964, с. 38-39, 377 с.).

В соответствии с действующими закономерностями на Фиг. 8 представлен механизм удаления влаги у «отмытого» КМНСФМ, поступившего на сушку из промывной машины. В первой секции уменьшается избыточная влага у КМНСФМ примерно с 500% до 100%. При этом материал остается влажным с t_{материала}=60-70°С. Во второй секции сушилки избыточная влага продолжает удаляться из материала, но с несколько меньшей скоростью, уменьшаясь со 100% до 20%. Одновременно начинает удаляться влага сорбированная волокнами КМНСФМ. В секции III влажность материала дополнительно уменьшается с 20% до 0,5-1,0% в основном за счет удаления влаги из пор на поверхности волокон КМНСФМ (сорбированная и гидратационная влага).

Установка работает следующим образом.

Вначале в аппаратах-растворителях и суспензаторах приготавливается прядильная композиция, представляющая собой суспензию мелкодисперсного наполнителя в растворе волокнообразующего полимера. Раствор приготавливают на основе полиакрилонитрила (ПАН) или полиуретана (ПУ) в диметил-формамиде (ДМФ) или диметилацетамиде (ДМАА) при повышенной температуре и перемешивании.

Для приготовления полимерной композиции в каждый из четырех суспензаторов в зависимости от необходимости добавляют одинаковый наполнитель-сорбент, либо наполнители различной природы: активированные угли, отличающиеся объемом пор и сорбционной активностью (кокосовый 208СР или каменноугольный АГ-5, либо древесный БАУ-МФ), катиониты (цеолит NaX или ионообменную смолу КБ-4), аниониты (селикагель КСМГ, либо ионообменную смолу ЭДЭ-10П).

Отличия в работе установки связаны с возможностью получения в одну стадию в процессе формования многослойных разнородных или однородных сорбционно-фильтрующих нетканых материалов, содержащих угленаполненные, либо чередующиеся угленаполненные и иононаполненные слои.

При наличии наполнителей различной дисперсности, химической природы и концентрации приготавливают композиционные полимерные растворы различной вязкости от 21 до 36 Па⋅с с содержанием наполнителя до 200% от массы полимера (до 66% от массы полимерной композиции). Полученные прядильные композиции шестеренчатыми насосами через фильтры подают на формующие блоки машины формования. Имеющаяся следящая система гарантирует точную заданную скорость истечения раствора суспензии из капилляров прядильных блоков.

Прядильные блоки совершают с повышенной скоростью в пределах 10-20 м/мин возвратно-поступательное движение в направлении, перпендикулярном движению транспортерной ленты со скоростью 0,25-0,5 м/мин, на которую принимается формуемое волокно. Струи различных полимерных композиций или полимерного раствора, выходящие из капилляров, вытягиваются потоками сжатого воздуха дутьевых устройств при кратности от 2000 до 3400. Одновременно со сжатым воздухом на прядильные блоки в зону формования подается осадительная ванна, представляющая водный раствор ДМФ либо ДМАА. Подачу осадительной ванны осуществляют параллельно формуемым струям, выходящим из дутьевых устройств. В результате процесс растяжения струй раствора сопровождается процессом осаждения полимера. Путем изменения величины вязкости прядильного раствора, состава композиции, степени дисперсности и природы наполнителя, условий вытягивания возникает возможность формировать в каждом отдельном фильерном блоке композиционные нити диаметром от 10 до 80 мкм.

Одновременно с вытяжкой нитей происходит их упорядоченная укладка с формированием структуры волокнистого холста на поверхности транспортера. Сформированный таким образом однородный многослойный либо разнородный многослойный холст нетканого материала, соответственно содержащий один наполнитель или несколько наполнителей различной химической природы, поступает в промывную машину, где осуществляется его отмывка от растворителя промывной водой с использованием одновременно двух принципов отмывки нетканого материала. С помощью циркуляционных контуров и противотоком.

Отмытый от растворителя холст нетканого материала подают на сушку в трехсекционную сушилку конвекционного типа с плавной регулировкой подачи пара для обогрева воздуха в каждой секции, обеспечивающей максимальное приближение фактической температуры подогреваемого воздуха (t_факт.) к заданной температуре (t_зад.), поддержание температуры с точностью до 1°С, а также реализацию определенного соотношения температур между зонами сушилки, исключающего нежелательные процессы недосушки и пересушивания, обеспечивающего последовательное удаление свободной, сорбированной и гидротационной влаги. Высушенный готовый нетканый материал наматывается в рулон заданного размера в узле намотки установки.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1

Установка для получения композиционных многослойных нетканых сорбционно-фильтрующих материалов (КМНСФМ) из однородных слоев содержит три линии приготовления прядильных растворов и суспензий на их основе на базе активированного угля СКТ-6. Указанная марка угля обладает высокой сорбирующей способностью благодаря повышенному объему суммарных пор (микро- и мезопор), находящихся в диапазоне 0,99÷1,1 см³/г.

В процессе формования приготовленные различные суспензии в трех суспензаторах поступают по коллекторам на прядильные блоки. Суспензии отличаются размером частиц наполнителя (уголь СКТ-6) и составом прядильного раствора (СПАН, полиуретан, растворитель ДМФ, уголь СКТ-6). На прядильные блоки по армированным шлангам одновременно подается прядильная композиция, сжатый воздух и осадительная ванна. В результате проведенных одновременных вытяжки, осаждения и укладки композиционных нитей в сформованный волокнистый холст, конечный продукт представляет собой последовательность наложенных друг на друга сорбционно-упрочненных и сорбционно-активных слоев. Слои располагаются в следующем порядке. При движении транспортера слева направо (Фиг. 4) первый из трех движущихся возвратно-поступательно прядильных блоков формирует первый подстилающий сорбционно-упрочненный слой, наполненный частицами твердого наполнителя (угля СКТ-6) с размером частиц 40-80 мкм, расположенных на поверхности волокон. При этом сам подстилающий волокнистый сорбционно-упрочненный слой получен из наполненной прядильной суспензии на основе ПАН и полиуретана с преобладающим (более 50%) содержанием последнего.

Второй (при движении слева направо) прядильный блок, двигаясь возвратно-поступательно относительно транспортера, формирует промежуточный сорбционно-активный слой, наполненный частицами угля СКТ-6. При этом второй слой накладывается на первый в процессе формования. Промежуточный слой наполнен частицами угля размером 10-40 мкм, преимущественно расположенных внутри волокон. Получение данного слоя происходит при формовании композиционных нитей из раствора с преобладающим содержанием (более 50%) полиакрилонитрила относительно полиуретана.

Третий прядильный блок, совершая возвратно-поступательное движение относительно транспортера, формирует покрывной сорбционно-упрочненный слой в условиях и с характеристиками, адекватными подстилающему слою.

Образованный в одну стадию композиционный трехслойный нетканый сорбционно-фильтрующий материал имеет поверхностную плотность 250-300 г/м². При его получении реализуется принцип сложения защитных, физико-механических свойств, входящих составляющих слоев. Присутствие сорбционно-упрочненных слоев в КМНСФМ с находящимся между ними сорбционно-активным слоем дополнительно увеличивает содержание наполнителя до 70%, что обеспечивает рост динамической сорбционной активности до 170 мг/г, повышает драпируемость до 9-11%. Наличие поверхностного расположения наполнителя в волокнах в сорбционно-упрочненных слоях дополнительно увеличивает стойкость КМНСФМ к знакопеременным нагрузкам.

Система контроля пульсации подачи раствора на стадии формования позволяет выдерживать заданную кратность вытяжки с точностью до 4%. Покрывной и подстилающий слои получают с кратностью фильерной вытяжки 2500, промежуточный сорбционно-активный слой с кратностью фильерной вытяжки 2900. При этом для обеспечения равномерности отдельных слоев отношение скорости движения прядильных блоков подстилающего и покрывного слоев относительно скорости движения транспортера равно 32, скорости движения прядильных блоков для промежуточного сорбционно-активного слоя равно 50. Образующийся трехслойный наполненный волокнистый материал отмывается от остатков растворителя ДМФ в промывной машине водой с температурой 18-20°С. Получение сорбционно-фильтрующего материала низкой поверхностной плотности (до 300 г/м²) дополнительно облегчает процесс отмывки.

Сушка отмытого от растворителя сорбционно-фильтрующего материала (КМНСФМ), гарантирующая отсутствие увлажненных и пересушенных участков, происходит благодаря точному поддержанию температуры в каждой из трех секций сушилки, а также за счет точного соотношения температур между секциями сушилки благодаря реализации схемы плавной подачи пара для обогрева воздуха в сушилке с помощью ПИД-регулятора. При этом отношение температуры первой секции (t_1секц.) ко второй (t_2секц.) находится в пределах от 1,2 до 1,3; второй секции (t_2секц.) к третьей (t_3секц.) от 1,3 до 1,4. Абсолютные значения температур на первой секции сушилки находятся в пределах 99-101°С, на второй - 79-81°С, на третьей - 59-61°С.

После проведения упрочнения материала на стадии двухстороннего дублирования полученный композиционный многослойный нетканый фильтровально-сорбционный материал имеет строго фиксированную ширину от 1000 до 1500 мм, обладает повышенной драпируемостью до 10%, воздухопроницаемостью от 140 до 160 дм³/м²⋅с, прочностью на раздир (по длине и ширине) от 30 до 40 Н, поверхностной плотностью 260-280 г/м² и используется за счет повышенного содержания в 60% угольного наполнителя для защитной одежды (костюмы ОЗК-Ф) для обеспечения защиты от аэрозолей органических аварийно-химических опасных веществ ингаляционного действия (АХОВИД). Время защитного действия от органических соединений по тест-веществу циклогексану по ГОСТ Р 22.9.14-2014 33-35 минут, динамическая сорбционная активность по тест-веществу циклогексану составляет 170 мг/г, является повышенной для класса органических веществ (ГОСТ 12.4.159-90, ГОСТ 12.4.158-90).

Пример 2

Установка для получения композиционных многослойных нетканых сорбционно-фильтрующих материалов (КМНСФМ) из разнородных слоев содержит четыре линии приготовления прядильных растворов и суспензий на их основе на базе активированного угля БАУ-А для защиты от органических веществ и NH₃, а также катионита КБ-4 для дополнительной селективной сорбции (защиты) от паров аммиака. Активированный уголь указанной марки обладает повышенной поглотительной способностью, суммарный объем пор (микро- и мезопор) составляет 1,65-1,80 см³/г.

В первом и четвертом суспензаторах готовят композиционные растворы, представляющие собой суспензию мелкодисперсного наполнителя (диаметр частиц БАУ-А 40-80 мкм) в растворе волокнообразующего полимера. Раствор приготавливают на основе ПАН и ПУ в ДМФ. Во втором и третьем суспензаторах приготавливают композиционные растворы, содержащие ПАН, полиуретан, ДМФ и в качестве наполнителя катионит КБ-4 с дисперсностью 10-40 мкм, что гарантирует его расположение внутри волокон, образующих второй и третий промежуточные слои.

На каждый из четырех прядильных блоков подается прядильная композиция, осадительная ванна и сжатый воздух. В результате проведения одновременной вытяжки, осаждения и раскладки сформированный волокнистый холст представляет собой многослойный материал.

При этом, как и в примере 1, подстилающий сорбционно-упрочненный слой, формуемый первым прядильным блоком, содержит частицы твердого наполнителя (угля БАУ-А) размером 40-80 мкм, расположенными на поверхности волокон. Процесс формования осуществляется из наполненной прядильной суспензии на основе ПАН, полиуретана с преобладающим содержанием последнего (более 50%).

Второй и третий прядильные блоки формируют соответственно второй и третий промежуточные сорбционно-активные слои, содержащие катионит КБ-4 размером 10-40 мкм, который располагается внутри волокон, образующих указанные слои. Формирование композиционных нитей при образовании их осуществляется из раствора с преобладающим содержанием (более 50%) ПАН относительно полиуретана.

Четвертый прядильный блок формирует покрывной (четвертый) сорбционно-упрочненный слой в условиях и с характеристиками адекватными подстилающему слою. В результате образованный в одну стадию композиционный четырехслойный нетканый сорбционно-фильтрующий материал имеет поверхностную плотность 280-300 г/м². При его получении реализуется принцип сложения сорбционных (защитных) свойств, а также увеличение физико-механических свойств композиционного четырехслойного нетканого сорбционно-фильтрующего материала в целом за счет наличия сорбционно-упрочненных подстилающего и покрывного слоев.

Как и в примере 1 действующая система контроля пульсации давления подачи раствора позволяет выдерживать заданную кратность вытяжки при получении подстилающего и покрывного слоя, содержащих АУ марки БАУ-А с характеристиками, аналогичными в примере 1, соответственно составляющую 2500 и 2600. Вытяжка при получении второго и третьего промежуточных слоев, последовательно наносимых на подстилающий слой с наполнителем БАУ-А, содержащих катионит КБ-4, производится при кратностях К=2000 и К=2200.

Равномерность отдельных слоев обеспечивается системой раскладки настоящего изобретения. Отношение скорости движения прядильных блоков при формировании подстилающего и покрывного слоев относительно скорости движения транспортера равно 40. Указанное соотношение при формировании второго и третьего промежуточных слоев, содержащих катионит КБ-4, равно 80. Полученный четырехслойный наполненный волокнистый материал представляет собой эластичный сорбент, обладающий дополнительной селективной сорбирующей способностью по NH₃.

Стадия отмывки полученного эластичного сорбента от остатков растворителя ДМФ водой и последующая сушка осуществляется также как в примере 1.

Готовый продукт представляет собой композиционный многослойный нетканый сорбционно-фильтрующий материал (КМНСФМ) шириной 1000-1500 мм, повышенной драпируемостью (до 11%), воздухопроницаемостью 145-155 дм³/м²⋅с, прочностью на раздир от 28 до 42 Н, поверхностной плотностью 280-300 г/м², применяется в качестве защитных экранов, магистральных поглотительных фильтров органических веществ и аммиака. За счет присутствия АУ БАУ-А динамическая сорбционная активность по тест-веществу циклогексану составляет 130 мг/г. Присутствие активированного угля и катионита КБ-4 за счет эффекта сложения защитных свойств обеспечивает динамическую сорбционную активность по парам аммиака до 60 мг/г.

Пример 3

Установка для получения КМНСФМ из разнородных слоев содержит четыре линии приготовления прядильных растворов и суспензий с наполнителями на базе активированного угля СКТ-6 для защиты от органических АХОВИД и токсичного диоксида серы, а также на основе анионита ЭДЭ-10П, обладающего дополнительной селективной сорбцией токсичного газа диоксида серы.

Получение подстилающего и покрывного слоев осуществляется в условиях, аналогичных примерам 1 и 2. Как и в примерах 1 и 2 действует система контроля пульсации давления подачи раствора и фиксации заданной кратности вытяжки. Во втором и третьем суспензаторах приготавливают прядильные композиции для получения двух промежуточных слоев КМНСФМ, содержащие ПАН, полиуретан, ДМФ и в качестве наполнителя анионит ЭДЭ-10П. Частицы наполнителя с диаметром 10-40 мкм расположены внутри волокон, образующих промежуточные сорбционно-активные слои, и служат для селективного поглощения диоксида серы. Указанные два сорбционно-активных слоя получены растворным аэродинамическим формованием из смеси дисперсных растворов полимеров ПАН и ПУ с преобладающим содержанием ПАН (более 50%) путем последовательного их нанесения в одну стадию на подстилающий слой при соответствующих кратностях К=2100 и К=2300.

Равномерность отдельных слоев обеспечивается системой раскладки настоящего изобретения. Отношение скорости движения прядильных блоков при формировании подстилающего и покрывного слоев относительно скорости движения транспортера равно 32. Указанное соотношение при формировании второго и третьего промежуточных слоев, содержащих анионит ЭДЭ-10П, равно 80. Полученный композиционный четырехслойный нетканый сорбционно-фильтрующий материал представляет собой эластичный сорбент, обладающий дополнительной селективной сорбирующей способностью по SO₂.

В независимости от вида сорбента механизм промывки КМНСФМ и удаления влаги (сушка) сохраняется идентичным примерам 1 и 2.

Готовый продукт представляет собой КМНСФМ шириной 1000-1500 мм, повышенной драпируемостью (10,5%), воздухопроницаемостью 140-160 дм³/м²⋅с, прочностью на раздир от 32 до 43 Н, поверхностной плотностью 260-300 г/м², применяется для изготовления СИЗОД с преимущественной защитой от АХОВИД. За счет присутствия активированного угля (АУ) динамическая сорбционная активность по тест-веществу циклогексану составляет 120 мг/г. Присутствие АУ и анионита ЭДЭ-10П за счет эффекта сложения защитных свойств придает динамическую сорбционную активность по диоксиду серы до 70 мг/г.

Приведенные примеры работы установки иллюстрируют возможности повышения сорбционной емкости по конкретному веществу (пример 1), а также расширения защитных свойств по отношению к веществам различной природы (примеры 2, 3), например, катеонитами, либо анионитами различного химического состава.

Установка настоящего изобретения позволяет получать композиционные многослойные нетканые сорбционно-фильтрующие материалы в виде эластичных сорбентов с различными активными твердыми наполнителями (пат. РФ 2607585, опубл. 10.01.2017), реализует принцип сложения защитных свойств различных сорбентов, находящихся в составляющих слоях, при формировании многослойного холста в одну стадию.

Изобретение относится к области получения нетканых материалов, а именно к установке для получения многослойных сорбционно-фильтрующих композиционных нетканых материалов из растворов полимеров аэродинамическим формованием. Установка для получения сорбционно-фильтрующих нетканых материалов из растворов полимеров методом аэродинамического формования содержит узел приготовления прядильных растворов, машину формования с прядильными блоками, узел промывки, сушилку для сушки материала и узел намотки готового нетканого материала, при этом включает в себя систему предотвращения пульсации давления прядильного раствора, подаваемого на формовочные блоки, сохраняющую отношение максимальной фильерной вытяжки и минимальной фильерной вытяжки не более 1,04, раскладочное устройство, обеспечивающее отношение скорости движения прядильных блоков относительно скорости движения транспортера в пределах от 16 до 80, узел промывки, оснащенный системой отмывки растворителя водой методом противотока и дополнительными циркуляционными контурами, трехсекционную сушилку для удаления влаги с отношением установленной температуры первой секции ко второй от 1,2 до 1,3, а температуры второй секции к третьей от 1,3 до 1,4, при этом материал может быть получен в одну стадию. 3 пр., 8 ил.

Установка для получения сорбционно-фильтрующих нетканых материалов из растворов полимеров методом аэродинамического формования, содержащая узел приготовления прядильных растворов, машину формования с прядильными блоками, узел промывки, сушилку для сушки материала и узел намотки готового нетканого материала, включает в себя систему предотвращения пульсации давления прядильного раствора, подаваемого на формовочные блоки, сохраняющую отношение максимальной фильерной вытяжки и минимальной фильерной вытяжки не более 1,04, раскладочное устройство, обеспечивающее отношение скорости движения прядильных блоков относительно скорости движения транспортера в пределах от 16 до 80, узел промывки, оснащенный системой отмывки растворителя водой методом противотока и дополнительными циркуляционными контурами, трехсекционную сушилку для удаления влаги с отношением установленной температуры первой секции ко второй от 1,2 до 1,3, а температуры второй секции к третьей от 1,3 до 1,4, при этом материал может быть получен в одну стадию.