Способ изготовления фильтрующего материала для фильтров очистки воздуха

 

Изобретение относится к производству фильтров тонкой очистки воздуха и может найти применение в радиоэлектронной, атомной, химической, медицинской и биотехнологической промышленности. Сущность изобретения: в способе изготовления фильтрующего материала (ФМ) для фильтров очистки воздуха, включающем диспергирование стекловолокна (СВ), приготовление композиции ФМ, отлив и последующую обработку ФМ, операцию диспергирования СВ осуществляют путем воздействия на суспензию стекловолокна вынужденных колебаний в газожидкостной среде в режиме резонансного вибродиспергирования, характеризующегося наличием вынужденных колебаний равна или кратна резонансной частоте собственных колебаний стеклянных волокон требуемой длины. 3 з. п. ф-лы, 3 ил. 1 табл.

Изобретение относится к производству фильтровальных материалов (ФМ) для фильтров тонкой очистки воздуха (ФТОВ) и может найти применение в радиоэлектронной, атомной, химической, медицинской промышленности.

В настоящее время для современных высокочистых и прецизионных технологий требуются чистые производственные помещения (ЧПП), где используют ФТОВ типа НЕРА и ULРА со степенью очистки воздуха 99,99% и более, задерживающие частицы размером 0,5-0,3-0,1 мкм и менее. При этом известно, что наиболее распространены ФТОВ, в которых фильтрующие элементы в основном состоят из стекловолокна [1] Известен способ изготовления листового ФМ, включающий диспергирование стекловолокна в размалывающем ролле в присутствии растворимого стекла в количестве от 0,01 до 10% от веса сухого стекловолокна и отлив при рН дисперсии 6-7 [2] Недостатками получаемого по данному способу ФМ являются его недостаточно высокая эффективность очистки воздуха, недостаточно высокие конструкционные свойства и его низкая гидрофобность, что особенно важно для ФТОВ, используемых в медицинской и микробиологической промышленности, где требуется периодическая стерилизация фильтров, которая чаще всего производится при помощи перегретого водяного пара.

Известен способ повышения диспергируемости стеклянных волокон в воде путем добавки водного раствора аппретирующего состава, содержащего 0,1-1,5% водной композиции, 1-10% пленкообразующего вещества крахмала, поливинилацетатный спирт и желатин. Причем в суспензию стекловолокна перед отливом дополнительно добавляют эфиры полиоксиэтиленалкилового спирта и фосфорной кислоты, полиамин и органическую кислоту [3] Способ позволяет сократить разрушение стекловолокна в процессе диспергирования, однако он отличается повышенным расходом химикатов и относительно низкой задерживающей способностью фильтровального материала.

Известны различающиеся по конструкции размалывающие роллы периодического и непрерывного действия, характеризующиеся перемещением непрерывного потока волокнистой суспензии между зазором, образованным неподвижно закрепленными на статоре ножами и закрепленными на барабанах, конусах или дисках вращающимися ножами. Проходя между регулируемым зазором между ножами, волокна подвергаются режущему действию кромок ножей, укорачиваются или расщепляются в продольном направлении, раздавливаются торцевыми поверхностями ножей, расчесываются и фибриллируются [4] Известны способы позволяют эффективно диспергировать волокно, однако при этом происходят неконтролируемое измельчение волокна и образование значительного количества мелких осколков стекловолокна, что, в свою очередь, ухудшает фильтрационные свойства материала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ изготовления двухслойного ФМ для тонкой очистки воздуха, включающий операцию предварительной обработки стекловолокна на размалывающем ролле (диспергирование) и приготовление композиции фильтровального материала [5] Недостатком является невысокая пропускная способность материала.

Таким образом, возникает изобретательская задача, связанная с тем, что известные в науке и технике и применяемые на практике способы и аппараты для диспергирования и размола на роллах стекловолоконного фильтровального материала не позволяют получать высококачественный фильтровальный материал для фильтров тонкой очистки воздуха, что в свою очередь сдерживает расширение их производства и потребления.

Целью изобретения (требуемым техническим результатом) является уменьшения пылимости материала, улучшение его конструкционных свойств при одновременном сохранении эффективности очистки воздуха и снижении сопротивления фильтрации.

Это достигается тем, что по способу изготовления фильтрующего материала для фильтров тонкой очистки воздуха, включающему операции диспергирования стекловолокна, приготовление композиции фильтрующего материала, согласно изобретению операцию диспергирования стекловолокна осуществляют путем воздействия на суспензию стекловолокна вынужденных колебаний.

Кроме этого, воздействие вынужденных колебаний на суспензию стекловолокна осуществляют в газожидкостной среде.

Кроме этого, воздействие вынужденных колебаний на суспензию стекловолокна осуществляют в режиме резонансного вибродиспергирования, характеризующегося наличием резонансных колебаний в газожидкостной среде.

Кроме этого, частота вынужденных колебаний равна или кратна резонансной частоте собственных колебаний стеклянных волокон требуемой длины.

По сравнению с прототипом изобретение содержит новую совокупность существенных признаков, поэтому изобретение соответствует требованиям критерия "Новизна".

В изобретении же выполнение операции диспергирования стекловолокна путем воздействия на газожидкостную среду суспензии стекловолокна вынужденных колебаний в резонансном режиме позволяет не только равномерно диспергировать стекловолокно и тем самым повысить равномерность фильтровального материала, но и одновременно получать стекловолокна заданной длины и тем самым полностью исключить традиционную операцию размола на роллах. Это позволяет существенно улучшить качественные показатели фильтрующего материала, а именно обеспечивать заданные механические показатели, пылеемкость и эффективность пылеулавливания.

Таким образом, можно утверждать, что отличительные существенные признаки изобретения позволяют получить новый технический результат.

Кроме этого, общая совокупность существенных признаков изобретения в объеме проведенного поиска не обнаружена. Поэтому можно утверждать, что изобретение соответствует критериям "Существенные отличия" и "Изобретательский уровень".

Совокупность общих и частных существенных признаков изобретения обеспечивает возможность достижения цели изобретений (требуемого технического результата), а именно уменьшение пылимости фильтрационного материала, улучшение его конструкционных свойств при одновременном сохранении эффективности очистки воздуха и снижении сопротивления фильтрации.

Действительно, как будет более подробно показано ниже на примерах конкретной реализации изобретений, предложенное изобретение позволяет не только при сохранении и даже улучшении эффективности очистки воздуха существенно снизить сопротивление фильтрации воздуха, но и уменьшить пылимость материала в процессе эксплуатации и улучшить его конструкционные свойства формоустойчивости.

Таким образом, можно утверждать, что совокупность существенных признаков изобретения соответствует требованиям критерия "Промышленная собственность", а проведенный анализ показывает также, что все общие и частные признаки изобретения являются существенными, так как каждый из них необходим, а все вместе они достаточны для достижения цели изобретений.

На фиг. 1 изображена общая схема операций способа изготовления фильтровального материала для фильтров тонкой очистки воздуха; на фиг. 2 изображена схема устройства для диспергирования стекловолокна; на фиг. 3 изображены графики дисперсионного распределения длин стеклянных волокон при диспергировании волокна на традиционном ролле (I) и при использовании способа по изобретению (II, III, IV).

Способ изготовления фильтровального материала для фильтров тонкой очистки воздуха осуществляют следующим образом (фиг. 1): Штапельное стекловолокно диаметром 0,25 и 0,45 мкм обрабатывают в специальном аппарате для диспергирования стекловолокна (фиг. 2) при концентрации 0,1-1,5% до достижения заданной средней длины волокна, например 100-120 дг по аппарату Иванова.

В подготовленную стекломассу вводят связующее, например поливинилацетатную дисперсию или поливиниловый спирт, или жидкое стекло, в количестве до 2% (по сухому) от массы сухого волокна, затем суспензию разбавляют водой до концентрации 0,1-0,2% и подают на отлив, где отливают слой фильтровального материала такой формы, какая необходима для фильтрующего элемента, например, гофрированной или иной рельефной формы.

После отлива и формирования слоя ФМ его сушат горячим воздухом при температуре 100-120^оС до полного удаления влаги, а затем в случае необходимости подвергают поверхностной обработке. Затем фильтровальный материал отделяют от формы и направляют в виде готового фильтрующего элемента на сборку фильтров.

Операцию диспергирования стекловолокна проводят в горизонтальной герметичной цилиндрической емкости (камере) 1 (фиг. 2), внутри которой расположены суспензия 3 (стекловолокна и средства создания вынужденных колебаний (рабочие органы) выполненные, например, в виде поршней 2, связанных с источником создания возвратно-поступательного колебательного движения, например, двигателем с регулируемым числом оборотов и кривошипно-шатунным механизмом (не показаны). При этом герметичная емкость 1 снабжена сообщающимися с ней посредством трубопроводов регулятором 4 уровня, емкостью 5 для концентрированной суспензии стекловолокна и емкостью 6 для раствора связующего, например поливинилацетатной дисперсии.

В исходном состоянии рабочую камеру заполняют суспензией стекловолокна из емкости 5 при добавлении связующего из емкости 6 и разбавлении до требуемой концентрации. При этом в верхней части камеры 1 создают газовую прослойку, например заполняют камеру неполностью с сохранением определенного оптимальными режимами диспергирования объема воздуха.

После заполнения рабочей камеры 1 приводят в колебательное движение рабочие органы 2 и осуществляют воздействие колебательных движений на газожидкостную среду стекловолокнистой суспензии 3 с образованием внутри рабочей емкости 1 специфических нелинейных колебаний, в которых упругим элементом является газ, а инерционным суспензия стекловолокна. Резонансные колебания этой системы являются рабочим режимом операции диспергирования и называются режимом вибродиспергирования.

Резонансный режим вибродиспергирования характеризуется распределением газовых пузырей по всему объему камеры 1, существованием в газожидкостной среде активных течений, максимальной амплитудой динамического давления и существенным увеличением статического давления. Требуемый технологический эффект диспергирования осуществляется в результате взаимодействия потоков газожидкостной среды и стеклянных волокон. Изменение резонансных режимов в камере 1 осуществляется путем изменения уровня суспензии 3 в рабочей камере посредством регулятора 4 уровня. При этом на первой стадии диспергирования осуществляют резонансную обработку для роспуска стекловолокна, а на второй стадии осуществляют резонансную обработку для получения волокон заданной длины.

Эффективность вибродиспергирования стекловолоконной суспензии обусловливается наличием резонансного характера рабочего процесса, отсутствием развитых кавитационных режимов, а также использованием для возбуждения колебаний низкочастотных, близких к гармоничным колебаниям постоянной частоты, имеющих высокую энергетическую эффективность за счет получения полигармонических полей колебаний в рабочем объеме емкости 1.

Выход на резонансные режимы осуществляют следующим образом: приводят в колебательное движение рабочие органы с частотой, большей чем частота в рабочем резонансном режиме. При этом вследствие распространения плоских волн, моды которых распространяются с большей скоростью, чем моды низких частот, происходят так называемое "опрокидывание" волны (волны Римана) и захватывание газовых пузырей с поверхности, которые опускаются против подъемной силы вниз и образуют газовые скопления непосредственно в суспензии стекловолокна, а сама газожидкостная среда приобретает свойства колебательной системы; постепенно уменьшают частоту колебаний рабочего органа до собственной частоты колебаний газожидкостной колебательной системы и/или собственной частоты колебаний волокон заданной длины, вследствие чего наступают требуемые резонансные колебания системы и образование волокон требуемой длины. При этом вначале происходит роспуск стекловолокна, а затем его укорачивание до заданной длины.

Отсутствие кавитационных явлений и обработка стекловолокна в резонансном режиме позволяют при минимальных затратах энергии производить ускоренное диспергирование стекловолокна и получение волокна заданной длины. Причем резонансный режим работы обеспечивает устойчивые режимы работы за счет динамического равновесия газовых пузырей в суспензии стекловолокна.

П р и м е р 1 (прототип). Изготавливают гофрированный ФМ с высотой гофр 3,75 мм и плоским углом при вершине гофр 90^о.

Для этого стекловолокна диаметром 0,25 мкм размалывают в ролле при рН 3 и концентрации суспензии 1,0% до получения суспензии с весовым показателем длины волокна 100-120 дг. Затем в суспензию вводят связующее, например поливинилацетатную дисперсию, в количестве до 2% (по сухому веществу) от массы сухого стекловолокна для придания необходимых при влажном формовании фильтрующих элементов конструкционных показателей формоустойчивости. Суспензию разбавляют до концентрации 0,15% и подают в аппарат формования, представляющий собой емкость с расположенной в ней перфорированной, соединенной с отсасывающей вакуумной системой формой, имеющей рельефную поверхность, соответствующую поверхности фильтрующих элементов, например, с высотой гофр 3,75 мм. Под действием вакуума (0,2 кг/см²) суспензия осаждается на рельефной поверхности перфорированной формы.

Сформованный фильтровальный элемент сушат на форме горячим воздухом при температуре 100^оС, отделяют от формы и направляют на сборку фильтра. Результаты испытаний фильтрующих материалов приведены в таблице и на фиг. 3 (график I).

Пылимость фильтровальных материалов определялась путем прососа воздуха через материал под постоянным вакуумом, количество пылинок при этом определялось фотометрическим методом при помощи прибора АЗ/6.

Формоустойчивость определялась путем определения величины плоского угла при вершинах гофр после окончательной сушки снятых с форм фильтровальных элементов, причем первоначальная (при формовании) величина плоского угла при вершинах гофр составляла 90^о.

П р и м е р 2. Изготавливают гофрированный материал на том же оборудовании, что и по примеру 1. Условия изготовления фильтровального материала аналогичны примеру 1, однако перед отливом и приготовлением композиции стекломассу вместо традиционного размола на ролле подвергают вибродиспергированию согласно заявляемому способу. Результаты испытаний фильтрующих материалов приведены в таблице и на фиг. 3 (график III).

П р и м е р 3. Условия опыта аналогичны примеру 2, но вибродиспергирование производили до достижения весового показателя длины стекловолокна 60-90 дг по аппарату Иванова. Результаты опыта приведены в таблице и на фиг. 3 (график II).

П р и м е р 4. Условия опыта аналогичны примеру 2, но вибродиспергирование производили до достижения весового показателя длины стекловолокна 130-160 дг по аппаpату Иванова. Результаты опыта приведены в таблице и на фиг. 3 (график IV).

Анализ приведенных в таблице физико-механических и эксплуатационных свойств материалов показывает, что предлагаемый способ по сравнению со способом-прототипом и другими известными аналогичными способами позволяет получить новый ФМ с уменьшенной пылимостью, улучшенными конструкционными свойствами и заданным дисперсным распределением длины волокон. При этом одновременно снижается и сопротивление фильтрации вследствие уменьшения количества обломков волокон и повышения равномерности дисперсного состава волокна.

Анализ дисперсионного распределения длины волокон (фиг. 3) показывает, что изобретение позволяет получать из однородного по диаметру стекловолокна волокна заданной длины. Это в свою очередь позволяет получать из одного и того же исходного стекловолокна многослойные фильтрационные материалы с различными фильтрационными характеристиками отдельных слоев, поскольку известно, что фильтрационные показатели фильтровального материала наряду с другими параметрами зависят и от длины волокон. Так размер пор фильтровального материала находится для волокон одного диаметра в прямой зависимости от длины волокон, то есть чем меньше длина волокон, тем меньше средний разрез пор, и наоборот. Таким образом, изобретение позволяет регулировать свойства фильтрационных материалов путем обеспечения заданной длины волокон.

Использование изобретения позволяет изготавливать фильтры тонкой очистки воздуха класса 10 и менее по стандарту США 209 В.

Экономический эффект от использования изобретения может быть получен как за счет организации промышленного выпуска остродефицитных не производящихся в настоящее время высококачественных ФТОВ, так и за счет экономического эффекта от использования этих фильтров в промышленности, например за счет увеличения процента выхода качественных изделий, получаемых в ЧПП микроэлектронной промышленности.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФИЛЬТРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ФИЛЬТРОВ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА, включающий диспергирование волокнистого материала и приготовление композиции фильтрующего материала, отличающийся тем, что в качестве волокнистого материала используют стекловолокно, а диспергирование стекловолокна осуществляют путем воздействия на суспензию стекловолокна вынужденными колебаниями.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие вынужденными колебаниями на суспензию стекловолокна осуществляют в газожидкостной среде.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что воздействуют на суспензию стекловолокна резонансными вынужденными колебаниями в газожидкостной среде.

4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что частота вынужденных колебаний равна или кратна резонансной частоте собственных колебаний стеклянных волокон требуемой длины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4