СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОДООТТАЛКИВАЮЩЕЙ ПЕРЕГОРОДКИ ДЛЯ ФИЛЬТРОВ-СЕПАРАТОРОВ Российский патент 2019 года по МПК B01D39/12 

Изобретение относится к фильтрующим материалам для жидкостей или жидкостей в газообразном состоянии, в частности к способам изготовления устройств для очистки углеводородных жидкостей, преимущественно моторных топлив, от свободной воды и может применяться во всех областях техники.

Как показала практика существующие водоотталкивающие перегородки имеют относительно небольшой срок службы, а также недостаточно эффективные водоотталкивающие свойства. Необходимость совершенствования способов изготовления водоотталкивающих перегородок обусловливается повышением требований к чистоте моторных и особенно авиационных топлив, вследствие повышения динамических и статических нагрузок на детали, узлы машин и механизмов при модернизации, а также для увеличения их надежности и срока службы.

Перед авторами стояла задача разработать способ изготовления водоотталкивающей перегородки, обладающей следующими свойствами:

- содержание свободной воды после прохождения через перегородку не более 0,001% масс;

- срок эксплуатации изделия не менее 2 лет;

- снижение вымываемости водоотталкивающего слоя;

- из материалов, производимых в РФ.

При просмотре источников научно-технической и патентной информации был выявлены изделия, частично решающие поставленную задачу.

Так, известен способ изготовления водоотталкивающей перегородки для фильтров-сепараторов, состоящий из напыления на пористую основу с прямыми открытыми порами водного раствора, содержащего фторопластовую суспензию и этилцеллозольв, высушивания перегородки на воздухе до полного высыхания и одноэтапной термообработки при температуре 355-365°С в течение 30-40 мин (А.с. СССР, №1063441, B01D 39/00; B01D 37/02, 1982).

Недостатком данного способа является относительно низкая устойчивость покрытия к истиранию и малый срок службы перегородки, вследствие недостаточной толщины покрытия (4 мкм).

Известен способ изготовления водоотталкивающей перегородки, включающий обезжиривание пористой основы, нагрев до 100-120°С и нанесение на нее суспензии фторопласта путем распыления при давлении сжатого воздуха на входе в пульверизатор 0,5-3 кгс/см² с последующим спеканием при температуре 300-420°С в течение 10-40 мин. (Патент РФ №2035968, B01D 39/00, 1995).

Недостатком данного способа являются относительно низкие водоотделяющие свойства перегородки, после прохождения через которую содержание свободной воды составляет 0,003% масс (Патент РФ №2035968, B01D 39/00, 1995, таблицы 1-4).

Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является способ изготовления водоотталкивающей перегородки, заключающийся в нанесении на пористую основу с прямыми открытыми порами со стороной квадрата 80 мкм водной суспензии фторопласта с добавлением диспергирующего вещества - моноэтаноламиновых солей алкилбензосульфокислот (с молекулярной массой 400-480), предварительно пропущенной через фильтровальную перегородку с тонкостью очистки 40 мкм для удаления из суспензии механических примесей, путем погружения перегородки в данную суспензию на 15-20 мин, ее сушки на воздухе при комнатной температуре до полного высыхания и дальнейшей одноэтапной термообработки при температуре 355-365°С в течение 30-40 мин (А.с. СССР, №1279654, B01D 39/00, 1984).

Недостатком известного способа является невысокая эффективность водоотделения, а также малый срок службы перегородки ввиду быстрого истирания водоотталкивающего покрытия (А.с. СССР, №1279654, B01D 39/00, 1984, таблица 3).

Технический результат изобретения - повышение эффективности водоотталкивающих свойств перегородки с одновременным увеличением ее срока эксплуатации.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления водоотталкивающей перегородки для фильтров-сепараторов, включающем нанесение на металлическую сетку с прямыми открытыми порами предварительно подготовленную гидрофобную смесь из фторопластовой суспензии и воды, путем выдержки сетки в приготовленной смеси в течение 15-20 мин, последующую ее сушку при комнатной температуре до полного высыхания и термообработку при заданной температуре, согласно изобретению, фторопластовую суспензию и воду берут в соотношении 1:3, термообработку осуществляют поэтапно, на первом этапе сетку с фторопластовым покрытием выдерживают при температуре 80±1°С в течение 25-30 мин, на втором этапе повышают температуру до 170°С и выдерживают при этой температуре 10-15 мин, а на третьем этапе повышают температуру до 380°С, при которой выдерживают перегородку в течение 15-20 мин, после чего снижают температуру до 60°С и извлекают готовую водоотталкивающую перегородку.

Фторопластовая суспензия, как вариант, Ф-4Д по ТУ 6-05-1246-81 (URL: http://www.halopolymer.ru, дата обращения 27.03.2019) - жидкость от белого до светло-коричневого цвета, имеющая следующие характеристики: массовая доля нелетучих веществ не менее 50%, массовая доля стабилизатора 6-12% к сухому веществу, прочность при разрыве свободных пленок не менее 30 МПа, относительное удлинение при разрыве не менее 300%, температура эксплуатации от минус 250°С до 260°С.

Такие суспензии обладают широкой областью применения: для армированных изделий, покрытий на металлических поверхностях, создания политетрафторэтиленовых волокон и паст, пропиток и др. Им характерны следующие свойства: электроизоляционные, антиадгезионные, антикоррозионные, химическая стойкость ко всем известным реагентам (за исключением газообразного фтора, трехфтористого хлора, расплавов щелочных металлов), термостойкость, атмосферостойкость, (URL: http://www.halopolymer.ru, дата обращения 27.03.2019).

Обоснование используемой фторопластовой суспензии с водой в соотношении 1:3 получено в результате проведения исследований водоотталкивающего слоя перегородки после ее сушки (равномерность нанесенного слоя, его толщина, доля закупоренных пор в перегородке), путем оптической микроскопии (на микроскопе Nikon AZ100). Результаты представлены в таблице 1.

Как видно из результатов исследований (таблица 1), соотношение 1:3 позволяет получить равномерную толщину слоя фторопластового покрытия и практически полное отсутствие закупоренных пор перегородки.

Для обоснования эффективности использования поэтапной термообработки полученную основу перегородки (с нанесенной суспензией в соотношении 1:3 с водой) после воздействия различных температур и продолжительности этого воздействия испытывали, пропуская через нее топливо, например, топливо для реактивных двигателей марки ТС-1 по ГОСТ 10227-86. Результаты представлены в таблице 2.

Эти испытания проводили следующим образом. На каждом этапе термообработки при различных температурных режимах в печь помещали по 8 одинаковых перегородок (с нанесенной суспензией). Через каждые 5 минут извлекали одну перегородку для определения стойкости фторопластового покрытия к воздействию топлива. После каждого этапа через полученные перегородки (полуфабрикат) прокачивали предварительно отфильтрованное топливо и отбирали пробы для возможности обнаружения в них вымытых частиц фторопласта. Перегородки с наибольшей стойкостью к вымыванию фторопластового покрытия использовали на следующем этапе. Исследования отобранных проб на наличие частиц фторопласта проводили на микроскопе Nikon AZ100 по ГОСТ ИСО 4407, результаты представлены в таблице 2.

Как видно из результатов исследований (таблица 2), наилучшей стойкостью к вымыванию фторопластового слоя (на первом этапе термообработки) обладают перегородки при времени термообработки 25 и 30 мин. При длительности менее 25 мин адгезия фторопластового слоя с пористой основой недостаточно высока, и поэтому происходит его вымывание с перегородки, при термообработке более 30 мин также происходит вымывание фторопластового слоя, он теряет эластичность, поэтому оптимальный режим первого этапа термообработки достигается при температуре 80°С и продолжительности ее воздействия 25-30 мин.

Лучшей стойкостью к вымыванию фторопластового слоя (на втором этапе термообработки) обладают перегородки при термообработке 10 и 15 мин. При длительности менее 10 мин адгезия фторопластового слоя с пористой основой недостаточно высока, и поэтому происходит его вымывание с перегородки, при термообработке более 15 мин также происходит вымывание фторопластового слоя, он теряет свою эластичность, поэтому оптимальный режим второго этапа термообработки достигается при температуре 170°С и продолжительности ее воздействия 10-15 мин.

Только после третьего этапа термообработки получена водоотталкивающая перегородка, обладающая наилучшей стойкостью к вымыванию фторопластового слоя, при длительности термообработки 15 и 20 мин. При длительности менее 15 мин адгезия фторопластового слоя с пористой основой также недостаточно высока, и поэтому происходит его вымывание с перегородки, при термообработке более 20 мин также происходит вымывание фторопластового слоя, он теряет свою эластичность, поэтому оптимальный режим третьего этапа термообработки достигается при температуре 380°С и продолжительности ее воздействия 15-20 мин.

Осуществление способа изготовления водоотталкивающей перегородки для фильтров-сепараторов поясняется примером.

Пример. Необходимо изготовить водоотталкивающую перегородку, отвечающую следующим требованиям: содержание свободной воды после перегородки не более 0,001% масс, срок эксплуатации не менее 2 лет, низкая вымываемость водоотталкивающего слоя (по отношению к прототипу), из материалов произведенных в РФ. Для этого берут суспензию фторопласта Ф-4Д и тщательно перемешивают путем взбалтывания, после чего наливают 10 литров в отдельную емкость и добавляют 30 литров воды (соотношение 1:3 - обоснование таблица 1). Полученный раствор тщательно перемешивают путем взбалтывания, наливают в емкость, после чего подготовленную (сухую) сетку номер 008 по ТУ 14-4-507-99 (URL: http://https://metall-office.ru) из нержавеющей стали (размером 1000×1000 мм) со стороной квадрата ячейки 80 мкм погружают в горизонтальном положении в данную емкость на 1±0,05 см от поверхности раствора, выдерживают в течение 20 мин и медленно поднимают вверх, исключая наклон образца относительно горизонтальной плоскости. Покрытую раствором суспензии сетку вывешивают на кронштейне для стекания лишнего раствора в течение 10 мин (до полного высыхания, оцениваемого по прекращению падения капель).

Далее проводят термообработку покрытой раствором сетки в три этапа при определенных температурных режимах на каждом этапе, что обеспечивает требуемый результат (таблица 2).

На первом этапе сетку (образец) помещают в разогретую до температуры 80±1°С печь, фиксируют время и выдерживают при данной температуре в течение 30 мин.

На втором этапе, не извлекая образец из печи, повышают температуру до 170°С и выдерживают в течение 10 мин.

На третьем этапе, не извлекая образец из печи, повышают температуру до 380°С и выдерживают образец при данной температуре в течение 15 мин. Отсчет времени начинают после достижения указанной температуры.

По окончании третьего этапа термообработки нагрев прекращают и при достижении температуры печи 60°С извлекают водоотталкивающую перегородку, готовую к эксплуатации.

Полученная заявляемым способом водоотталкивающая перегородка прошла испытания по основным показателям качества, которые подтвердили получение требуемого технического результата (таблицы 4-5). Не смотря на то, что толщина водоотталкивающего слоя несколько больше, это не влияет на возможность установки данной перегородки в фильтры-сепараторы. Она обладает лучшими свойствами по отношению к существующим: уменьшено содержание свободной воды после перегородки до 0,001% масс; увеличен срок эксплуатации перегородки от 2 лет, снижено вымывание фторопластового покрытия, все материалы изготовлены в РФ.

Таким образом, заявляемую совокупность существенных признаков, изложенную в формуле изобретения, авторы не выявили из источников информации. Применение изобретения позволит очищать топливо от свободной воды до степени, установленной нормативными документами.

Изобретение относится к фильтрующим материалам для жидкостей или жидкостей в газообразном состоянии, к способам изготовления устройств, в частности водоотталкивающей перегородки, для очистки углеводородных жидкостей, преимущественно моторных топлив, от свободной воды и может применяться во всех областях техники. Согласно способу приготавливают раствор из фторопластовой суспензии и воды, взятых в соотношении 1:3, металлическую сетку с размером ячеек 80 мкм погружают в данный раствор, выдерживают заданное время, сушат, а термообработку осуществляют поэтапно. На первом этапе сетку с фторопластовым покрытием выдерживают при температуре 80±1°С в течение 25-30 мин, на втором этапе при 170°С и выдерживают при этой температуре 10-15 мин, а на третьем этапе повышают температуру до 380°С, при которой выдерживают перегородку в течение 20 мин, после чего снижают температуру до 60°С и извлекают из печи готовую к эксплуатации водоотталкивающую перегородку. Технический результат - повышение эффективности водоотталкивающих свойств перегородки (не более 0,001% мас.), увеличение ее срока эксплуатации (не менее 2 лет), снижение вымывания фторопластового покрытия при сохранении пропускной способности, все материалы изготовлены в РФ. 5 табл.

Способ изготовления водоотталкивающей перегородки для фильтров-сепараторов, включающий нанесение на металлическую сетку с прямыми открытыми порами предварительно подготовленной гидрофобной смеси из фторопластовой суспензии и воды путем выдержки сетки в приготовленной смеси в течение 15-20 мин, последующую ее сушку при комнатной температуре до полного высыхания и термообработку при заданной температуре, отличающийся тем, что фторопластовую суспензию и воду берут в соотношении 1:3, термообработку осуществляют поэтапно, на первом этапе сетку с фторопластовым покрытием выдерживают при температуре 80±1°С в течение 25-30 мин, на втором этапе повышают температуру до 170°С и выдерживают при этой температуре 10-15 мин, а на третьем этапе повышают температуру до 380°С, при которой выдерживают перегородку в течение 15-20 мин, после чего снижают температуру до 60°С и извлекают готовую водоотталкивающую перегородку.