Способ получения пористого материала

 

Изобретение относится к способу получения пористого материала, который может быть применен в производстве фильтров для очистки жидких и газообразных веществ, а также для капсулирования репеллентов, ядохимикатов, душистых веществ, тары, стелек для обуви и т.д. Пористый материал формуют из композиции, состоящей из водной суспензии целлюлозы и наполнителя, в качестве которого используют порошок термопластичного полимера с размером частиц не более 0,4 мм в количестве 0,1 - 25,0 мас.% или его в смеси с 0,1 - 65,0 мас. %, минерального наполнителя (шунгит, цеолит, апатит, диатомит, перлит, трепел или их смесь с размером частиц не более 0,074 мм). Отформованный материал обезвоживают самотеком и вакуумированием, прессуют под давлением, сушат при 180 - 140 ^oC в течение 10 - 40 мин и термообрабатывают 10 - 25 мин при температуре расплава полимера. Перед сушкой одну из сторон могут покрывать латексом (сополимер винилхлорида с винилиденхлоридом) с концентрацией по крайней мере 10% в количестве 2,5 - 3,5 мас.% от массы абсолютно сухого покрываемого материала. Способ позволяет получить пористый целлюлозный материал широкого назначения. 4 з.п.ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к получению пористых материалов, например применяемых в качестве фильтров для очистки жидких и газообразных сред, а также может быть использовано в производстве материалов для капсулирования репелентов, ядохимикатов, душистых веществ, тары, стелек для обуви, предотвращающих развитие плесени и грибковых заболеваний.

Известны различные способы получения пористых материалов из полимеров путем введения газовой фазы в полимерную среду, например в растворы полимеров, в расплавы полимеров, в сырые резиновые смеси, например газом (N₂, CO₂) при высоком давлении (в автоклаве) насыщают резиновые смеси, расплавы полимеров или насыщают термопластичные полимеры (в виде гранул) низкошипящими жидкостями (изопентаном, метиленхлоридом). Насыщенные таким образом гранулы засыпают в форму и нагревают насыщенным паром до температуры, превышающей температуру стеклования полимера, и при этом проводят вспенивание гранул под давлением пара, образовавшегося из низкокипящей жидкости (см. Энциклопедия полимеров, т.2, М., 1974, с. 549-555).

Эти способы не лишены недостатков: использование сложного технологического оборудования; токсичность, пожароопасность из-за использования летучих веществ, например, растворителей; полученные материалы невозможно использовать для очистки пищевых продуктов из-за наличия в этих материалах химических веществ, неразрешенных для контакта с пищевыми продуктами; материалы не обладают антисептическими свойствами без специальной обработки.

Известен способ получения пористых материалов из полиэтилена высокой плотности с индексом расплава 0,5 г/10 мин путем смешения его (600 г) с двууглекислым калием (300 г), этиленгликолем, четыреххлористым углеродом в течение одного часа при комнатной температуре, таблетирование (формование) при давлении 150 кг/см² и обработкой током высокой частоты (см. авт. свид. СССР N 296483, кл. C 08 J 9/24, 1979).

Этим способом получают материал с размером пор 2-5000 мкм и газопроницаемостью 20-3000 см²/атм-сек. Однако он имеет достаточно сложную технологию.

Известен способ изготовления пористых изделий из полиэтилена путем смешения полиэтилена высокой плотности, облученного ионизирующим излучением и необлученного, последующего уплотнения, спекания и охлаждения (см. авт. свид. СССР N1666476, кл. C 08 J 9/24, 1988).

Известно получение пористых материалов на основе целлюлозы. Так известен способ получения пористой пленки и волокон путем растворения эфира целлюлозы в органическом растворителе и формование в осадительной ванне, содержащей осадитель или смесь осадителя с растворителем полимера. Пленка имеет поры с радиусом 0,22 мкм при максимальном размере пор 0,6 мкм (см. авт. свид. СССР N446513, кл. C 08 L 1/10, 1975) или способ получения пористого гранулированного целлюлозного сорбента (см. авт. свид. СССР N931727, кл. C 08 J 9/00, 1982, авт. свид. СССР N1031966, кл. C 08 J 9/00, 1983).

Однако эти способы не позволяют получить пористый целлюлозный материал широкого назначения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения пористого материала (см. Технологический регламент N0707-K-14A-202 производства картона фильтрованного для пищевых жидкостей. Концерн Беллеспром. АО "Светлогорский целлюлозно-картонный комбинат", январь 1994). Технологический процесс изготовления пористого материала фильтровального картона состоит в следующем: предварительном роспуске целлюлозы марки ЦА или целлюлозы кордной или вискозной сульфатной или сульфитной или сульфатной для производства натрийкарбоксилцеллюлозы по ТУ 13-730-8001-518 или сульфатной или сульфитной беленой облагороженной по ТУ 13-730-8001-592 или ГОСТ 5982; предварительном роспуске и размоле до 18^oШР хлопковой целлюлозы по ГОСТ 595; предварительном роспуске (рубке) наполнителя - асбест хризотиловый нормальной прочности марок П-3-50 или П-30-60 или П-3-70 ГОСТ 12871 или асбест обезжелезненный марки АХО-2 ТУ 21-83-3.

Предварительно подготовленные компоненты смещают (для фильтра марки КМФ) в соотношении: 12 мас.% хлопковой целлюлозы, 68 мас.% целлюлозы кордной или вискозной или ацетатной или беленой облагороженной, 20 мас.% асбеста на 100 мас. % абсолютно сухого пористого материала и готовят водную суспензию смеси с концентрацией 0,2-1,4%.

Далее на картоноделательной машине К-14А производится отлив картонного полотна - материала, например из вышеуказанной композиции (смеси). Сначала происходит обезвоживание полотна самотеком, затем вакуумированием при остаточном давлении 0,2-0,8 кгс/см² с последующим прессованием при давлении 0,5-1,0 кгс/см² и сушкой при 80-140^oC. Перед сушкой одна из поверхностей покрывается латексом, например ВХВД-65 по ТУ 6-01-1170-87 - сополимер винилхлорида с виниденхлоридом в количестве 2,5 - 3,5 мас.% латекса на 100 мас.% абсолютно сухого материала фильтровального картона или иной полимерной эмульсией.

Недостатком этого способа является то, что при контакте с водной средой целлюлозные волокна набухают и фильтр теряет свою форму и прочность, при этом не исключается вымывание в фильтрат волокон асбеста, обладающего канцерогенными свойствами. Покрытие картона латексом снижает возможность попадания волокон целлюлозы и асбеста в фильтрат, но при этом не устраняет контакта рабочих с асбестовым волокном проведения подготовительных операций.

Из-за набухания пористого материала и потери им формы невозможна его регенерация ни противотоком, ни смывом, что и определяет его одноразовое использование.

Кроме того, материал, полученный по данной технологии, обладает низкой стойкостью к истиранию, особенно во влажном состоянии.

Технической задачей заявленного изобретения является придание целлюлозному материалу формостабильности (сохранение геометрической формы), повышенной прочности и стойкости к истиранию в процессе эксплуатации, устранение его токсичности, а также получение пористого материала с порами различного размера, вплоть до обеспечения грубой, осветляющей и стерилизующей очистки жидкости, в частности пищевой.

Поставленная техническая задача по повышению прочности и формостабильности пористого материала, в частности фильтракартона, решается тем, что в способе получения материала путем формования его из 0,2-1,4%-ной водной суспензии, содержащей целлюлозу и наполнитель, и последующего обезвоживания самотеком, а потом вакуумированием при остаточном давлении 0,2-0,8 кгс/см², прессованием под давлением и сушкой при нагревании, в качестве наполнителя используют порошок термопластичного полимера с размером частиц не более 0,4 мм предпочтительно 0,1-0,2 мм в количестве 0,1-25 мас.% на 100 мас.% абсолютно сухой композиции, прессование осуществляют под давлением с усилием 0,5-5,0 кгс/см², а сушку при температуре 80-140^oC в течение 10-40 мин, после чего отформованный материал термообрабатывают воздухом или паром при температуре расплава термопластичного полимера в течение 10-25 мин.

Для регулирования размера пор целлюлозу предварительно можно размалывать от роспуска до 40^oШР.

В качестве наполнителя дополнительно используют минеральный наполнитель в количестве 0,1-65 мас.% на 100 мас.% абсолютно сухой композиции с размером частиц не более 0,074 мм, предпочтительно 0,001-0,006 мм, выбранный из группы, включающей шунгит, цеолит, апатит, диатомит, перлит, трепел или их смесь.

Термообработку готового материала можно осуществлять под давлением от 0,5-5,0 кгс/см². Перед сушкой одна из сторон, получаемого материала, может быть покрыта латексом марки ВХВД-65 (сополимер винилхлорида с винилиденхлоридом), например марки B по ТУ 6-01-1170-87 с концентрацией не менее 10% в количестве 2,5-3,5 мас.% от массы абсолютно сухого покрываемого материала. Покрытие должно быть равномерным по всей поверхности.

В качестве термопластичного полимера в заявленном способе используют, например, полиэтилен высокого давления (ПЭВД) или полиэтилен низкого давления ПЭНД, отходы полиэтилена, полистирола, поливинилхлорида в виде порошков с размерами частиц не более 0,4 мм и другие.

В качестве целлюлозы при приготовлении водной суспензии используют хлопковую целлюлозу и различные марки хвойной целлюлозы, такие, например, как целлюлоза марки ЦА, мерсеризованная, целлюлоза водная и вискозная, сульфатная, целлюлоза сульфитная ацетатная, беленая облагороженная.

Целлюлозу предварительно подготавливают в диапазоне от роспуска до помола (40^oШР), из подготовленной целлюлозы и наполнителя готовят суспензию.

Используемые минеральные наполнители являются известными природными минералами: цеолит водный т, в котором цеолитовая вода может удаляться при нагревании и вновь поглощаться минералом во влажной среде; шунгит - природный минерал, представляющий собой элементарный углерод, отличающийся от антрацита малым содержанием летучих компонентов, а от графита - отсутствием кристаллической структуры; апатит - основные безводные фосфаты; диатомит - остатки кремнистых панцырей или скелетов, синтезированнных диатомовыми водорослями, рацихлериями или жгутиковыми (диатомовый кремнезем); трепел-опаловый кремнезем, представляющий собой чрезвычайно мелкие неправильной формы или более крупные округлой формы тельца диаметром от 0,002 до 0,02 мм; - перлит - природный силикат опалового типа.

Образование пористого материала происходит следующим образом: при сушке водной суспензии из целлюлозы различного помола и наполнителя - термопластичного полимера или смеси его с минеральным наполнителем образуется пористая структура, размеры пор которой регулируются как размером частичек минерала и его концентрацией в композиции, так и частицами термопластичного полимера, который при термообработке расплавляется, скрепляя между собой целлюлозные волокна, а также и частички минерала (в случае использования их смеси), обеспечивая фильтр-картону формостабильность, прочность в водной среде и препятствуя выносу минерала и целлюлозных волокон в фильтрат.

В процессе перемешивания в суспензию, включающую целлюлозу и термопластичный полимер или целлюлозу, термопластичный полимер и минеральный наполнитель, можно вводить раствор сернокислого глинозема, способствующего понижению электрокинетического потенциала, имеющего одинаковый знак у целлюлозы и наполнителей, что приводит к значительному повышению коэффициента удержания наполнителей при отливе образцов и образованию более равномерной смеси компонентов.

Увеличение размола целлюлозы до 40^oШР также приводит к увеличению коэффициента удержания наполнителей за счет более мелкопористой системы из волокон целлюлозы, образующейся при ее осаждении на сетке картоноделательной машины.

К такому же эффекту приводит и увеличение концентрации компонентов в водной суспензии.

Преимущества заявленного способа заключаются в следующем: материал стоек в водной среде, что устраняет вынос волокон целлюлозы и частичек минеральных наполнителей в фильтрат; материал не содержит токсичных или канцерогенных веществ.

Примеры конкретного осуществления способа.

Предварительно производят роспуск или при необходимости размол целлюлозы до заданной величины помола. Готовят водную суспензию целлюлозы заданной концентрации и в нее вводят при перемешивании порок термопластичного полимера или смесь порошков термопластичного полимера и минерального наполнителя - природного минерала. Для получения равномерности суспензии в нее вводят раствор сернокислого глинозема до получения значения pH 5,5-5,7, после чего перемешивание продолжают еще 20-30 мин.

Приготовленную суспензию выливают в листоотливной аппарат, где происходит обезвоживание за счет свободного стекания воды самотеком и вакуумированием с остаточным давлением 0,2-0,8 кгс/см², после чего осуществляется прессование под давлением с усилием 0,5-5 кгс/см², после образец сушат при температуре 80-140^oC в течение 10-40 мин. После сушки образец термообрабатывают при температуре расплава термопластичного полимера в течение 10-25 мин и давлении 0,5-5,0 кгс/см².

На одну сторону полученного образца наносят латексное покрытие из сополимера винилхлорида с винилиденхлоридом в количестве 2,5-3,5 мас.% на 100 мас.% абсолютно сухого материала фильтркартона или иную полимерную эмульсию.

Полученные образцы подвергают испытаниям.

Конкретные примеры изготовления пористого материала и его свойства представлены в таблице.

В таблице приведены конкретные примеры изготовления образцов пористых материалов, где переменными величинами были содержание термопластичного полимера, гранулометрический состав и количество минерального наполнителя, размол целлюлозы и величина давления при термообработке.

В таблице приведены примеры для цеолита, для других видов минералов свойства пористого материала, приготовленного по программе для цеолита, имеют те же значения.

Как видно из таблицы по каждому виду переменных наблюдается область, в которой свойства достигают максимальных значений. Так, например, для получения максимальной формостабильности предпочтительно вводить в пористый материал 5 мас.% термопластичного полимера на 100 мас.% абсолютно сухого пористого материала.

При дальнейшем изменении параметров, например, гранулометрического состава минерального наполнителя и его процентного состава в композиции в таблице показаны примеры с содержанием в составе 5 мас.% термопластичного полимера. А для установления зависимости свойств пористого материала от давления при термообработке в таблице приводятся примеры по одному количественному составу минерального наполнителя. В таблице (примеры 1, 2, 3) показаны свойства материала изготовленного по технологии ,изложенной в прототипе. Как видно из таблицы этот материал полностью теряет форму через трое суток пребывания в водной среде. В примере 8 показаны свойства материала, содержащего 28% термопластичного полимера. Как видно из таблицы пористость этого материала составляет 30% и, как следствие, скорость воды в этом материале очень низка. Применение материала с такой низкой пористостью возможно в виде строительного материала.

Формула изобретения

1. Способ получения пористого материала путем формования его из 0,2 - 1,4%-ной водной суспензии, содержащей целлюлозу и наполнитель, последующего обезвоживания его самотеком и вакуумированием при остаточном давлении 0,2 - 0,8 кгс/см², прессованием под давлением и сушкой при нагревании, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используют порошок термопластичного полимера с размером частиц не более 0,4 мм в количестве 0,1 - 25%, прессование осуществляют под давлением с усилием 0,5 - 5,0 кгс/см², а сушку при 80 - 140^oC в течение 10 - 40 мин, после чего отформованный материал термообрабатывают воздухом или паром при температуре расплава термопластичного полимера в течение 10 - 25 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя дополнительно используют 0,1 - 65,0 мас. % минерального наполнителя с размером частиц не более 0,074 мм, выбранного из группы, включающей шунгит, цеолит, апатит, диатомит, перлит, трепел или их смеси.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в водной суспензии используют целлюлозу, которую предварительно размалывают от роспуска до 40^oШР.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что термообработку осуществляют под давлением от 0,5 до 5,0 кгс/см².

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед сушкой одну из сторон отформованного материала покрывают латексом, являющимся сополимером винилхлорида с винилиденхлоридом с концентрацией по меньшей мере 10%, взятым с количестве 2,5 - 3,5 мас.% от массы абсолютно сухого пористого материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3