Термостойкий фильтрующий материал и способ его получения

 

Изобретение относится к области получения микроволокнистых фильтрующих материалов. Термостойкий фильтрующий материал на основе микроволокон полиимида на основе диаминодифенилоксида и диангидрида пиромеллитовой или 3,3', 4,4'-дифенилтетракарбоновой кислот или их смеси предназначен для фильтрации газов и органических жидкостей. Способ получения сорбционно-фильтрующего материала включает электростатическое формование микроволокнистого нетканого материала из растворов полимера в органическом растворителе с последующей термообработкой, в котором в качестве полимеров используют соединения из группы полиамидоэфир на основе бис-(триалкилсилилового) эфира диаминодифенилоксида, где алкил - метил, этил, пропил и и-пропил, и диангидрида пиромеллитовой или 3,3', 4,4'-дифенилтетракарбоновой кислот или их смеси при молярном соотношении 0,01: 0,99 - 0,99:0,01, полиамидокислота на основе диаминодифенилоксида и 3,3', 4,4'-дифенилтетракарбоновой кислоты, в качестве органического растворителя используют диметилформамид (ДМФА) или смесь ДМФА и ацетона в соотношении 1:0,1-1 по объему. Материал обладает комплексом свойств: радиационная стойкость не менее 100 Мрад, работоспособность при температурах до 430^oC, в области криогенных температур - по крайней мере до -196^oС, нерастворимость в любых органических растворителях. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области получения микроволокнистых фильтрующих материалов.

Известен сорбционно-фильтрующий материал, выполненный из пористого материала, например из пористой нержавеющей стали, работоспособный в широком диапазоне температур.

Недостатком известного материала является его высокое удельное гидродинамическое сопротивление.

Известен материал ФПП-15-1,7 для фильтров очистки воздуха из микроволокон перхлорвиниловой смолы диаметром 1,3-1,4 мкм, который может эксплуатироваться в диапазоне от температуры жидкого гелия (минус 250^oC) до 60-70^oC.

Недостатками вышеуказанного материала является то, что он не может быть использован при температурах выше 70^oC, а также его низкая радиационная стойкость.

Известен материал ФПАН-10-3,0 из микроволокон полиакрилонитрила диаметром 1 мкм, который предназначен для фильтрации горячих газов с температурой до 180^oC.

Недостатками вышеуказанного материала является то, что он не может быть использован при температурах выше 180^oC, а также при криогенных температурах, кроме того он имеет недостаточную радиационную стойкость.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является сорбционно-фильтрующий материал ФПАР-15-1,5 из микроволокон полиарилата диаметром 1,4 мкм, предназначенный для фильтрации горячих газов с температурой до 250-270^oC.

Недостатком известного материала является то, что он не может быть использован при температурах выше 270^oC.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения гидролитически стойкого микроволокнистого фильтрующего материала, включающий электростатическое формование из раствора полимера в органическом растворителе, в котором в качестве полимеров используют соединения из группы: политрифторстирол, полисульфон, поли-2,6-диметилфениленоксид, полифениленфталид, в качестве органических растворителей соединения из группы: дихлорэтан, циклогексанон, трихлорэтилен или метилэтилкетон.

Недостатком известного способа является то, что его использование ограничено кругом полимеров, растворимых в органических растворителях, из группы: дихлорэтан, циклогексанон, трихлорэтилен или метилэтилкетон. Эти растворители не могут быть использованы для получения полиимидных микроволокнистых материалов.

Техническим результатом изобретения является создание фильтрующего материала, обладающего комплексом свойств: 1) радиационная стойкость не менее 100 Мрад, 2) работоспособность при температурах до 430^oC, в области криогенных температур - по крайней мере до -196^oC, 3) нерастворимость в любых органических растворителях.

Этот результат достигается фильтрующим материалом, состоящим из микроволокон полиимида на основе диаминодифенилоксида и диангидрида пиромеллитовой (пример 1) или 3,3', 4,4'-дифенилтетракарбоновой (пример 2) кислот или их смеси (примеры 3 - 5) с диаметром волокон 0,8-2 мкм.

Результат достигается также способом получения сорбционно-фильтрующего материала для фильтрации газов, включающим электростатическое формование микроволокнистого нетканого материала из растворов полимера в органическом растворителе, в котором в качестве полимеров используют соединения из группы: полиамидоэфир на основе бис-(триалкилсилилового) эфира диаминодифенилоксида (SiДАДФО) (где алкил - метил, этил, пропил и и-пропил) и диангидрида пиромеллитовой (ПДА) или 3,3', 4,4'-дифенилтетракарбоновой (ДАДФТК) кислот, или их смеси (при мольном соотношении 0,01:0,99 - 0,99:0,01), полиамидокислота на основе диаминодифенилоксида (ДАДФО) и ДАДФТК; в качестве органического растворителя используют диметилформамид (ДМФА) или смесь ДМФА и ацетона в соотношении 1:0,1-1 по объему и формование осуществляют при динамической вязкости раствора 5-20 П, электропроводности раствора 10^-3-10^-6 Ом^-1см^-1 при объемной скорости раствора 1·10^-5-1·10^-1 см³/с. При динамической вязкости менее 5 П процесс волокнообразования неустойчив из-за дробления струи на капли, при более 20 П вязкий раствор неравномерно протекает через фильеру, что приводит к обрыву волокна и засорению капилляра. При электропроводности более 10^-3 Ом^-1см^-1 процесс волокнообразования неустойчивый, при менее 10^-6 Ом^-1см^-1 происходит образование неоднородных по толщине волокон и их обрыв. При малой объемной скорости раствора (менее 1·10^-5 см^-3/с) происходит неравномерное поступление раствора полимера и, как следствие, обрыв волокна, при слишком большой объемной скорости раствора (более 1·10^-1 см^-3/с) - утолщение волокна и прокапывание раствора через капилляр.

При этом для формования используют раствор полиамидоэфира на основе SiДАДФО и ПДА в смеси растворителей ДМФА и ацетона при содержании полимера 30-35 мас.%.

Также для формования используют раствор полиамидоэфира на основе SiДАДФО и ПДА в ДМФА при содержании полимера 30-35 мас.%.

Также для формования используют раствор полиамидокислоты на основе ДАДФО и ДАДФТК в смеси растворителей ДМФА и ацетона при содержании 15-20 мас.%.

Также для формования используют раствор полиамидоэфира на основе SiДАДФО и ДАДФТК в смеси растворителей ДМФА и ацетона при содержании 20-25 мас.%.

Также для формования используют раствор полиамидоэфира на основе SiДАДФО и смеси ПДА и ДАДФТК в смеси растворителей ДМФА и ацетона при содержании 30-35 мас.%.

После формования материал в натянутом виде подвергают термообработке в следующем режиме 30 мин - при 100-120^oC, 30 мин - при 180-200^oC, 30 мин - 300-320^oC, либо при непрерывном подъеме температуры от 20 до 320^oC со скоростью 1-10 град/мин.

Предлагаемый сорбционно-фильтрующий материал обладает высокой фильтрующей способностью в широком температурном диапазоне от -196^oC до 430^oC. Он устойчив к воздействию органических растворителей и радиации по крайней мере до поглощенной дозы γ-излучения 100 Мрад. Эксперименты при дозе выше 100 Мрад не проводили из-за слишком большой длительности эксперимента. Материал имеет следующие характеристики: поверхностная плотность 15-25 г/м²; сопротивление материала при скорости фильтрации воздуха 1 см/с - 4,0-5,0 мм рт.ст.; коэффициент проскока по частицам 0,3-0,4 (тест стандартный масляный туман) - 0,25-0,5%.

Данные по сохранению фильтрующей способности некоторых полимерных микроволокнистых материалов после обработки в различных условиях представлены в таблице. Фильтрующая способность микроволокнистых материалов определялась по стандартной методике [4, с. 49].

Пример 1. Приготавливают прядильный раствор полиамидокислоты на основе ДАДФО и ДАДФТК с логарифмической вязкостью η_ln = 1,12 в смеси растворителей ДМФА:ацетон=3:1 (объемные) с концентрацией полимера 20 мас.%, с динамической вязкостью раствора 12,0 П, электропроводностью 8,2·10^-5 Ом^-1см^-1. Затем проводят формование полимерного материала в электростатическом поле при разности потенциалов 35 кВ и объемном расходе прядильного раствора 1,5·10^-1 см³/с. Получают на металлическом заземленном электроде равномерный волокнистый слой из ультратонких волокон со средним размером волокна 1 мкм.

После формования материал в натянутом виде подвергают термообработке в следующем режиме 30 мин - при 100-120^oC, 30 мин - при 180-200^oC, 30 мин - 300-320^oC.

Пример 2. Приготавливают прядильный раствор полиамидоэфира на основе SiДАДФО и ПДА с логарифмической вязкостью η_ln = 0,76 в смеси растворителей ДМФА:ацетон=2:1 (объемные) с концентрацией полимера 32 мас.%, с динамической вязкостью раствора 14 П, электропроводностью 1,2·10^-5 Ом^-1см^-1. Затем проводят формование полимерного материала в электростатическом поле при разности потенциалов 35 кВ и объемном расходе прядильного раствора 1·10^-2 см³/с. Получают на металлическом заземленном электроде равномерный волокнистый слой из ультратонких волокон со средним размером волокна 1-1,5 мкм.

Материал подвергают термообработке, как в примере 1.

Пример 3. Прядильный раствор готовят как в примере 2 с тем отличием, что в качестве растворителя используют ДМФА. Получают раствор полимера с динамической вязкостью 10 П и электропроводностью 2,4·10^-5 Ом^-1см^-1. Формование полимерного материала проводят, как в примере 2. Получают на металлическом заземленном электроде равномерный волокнистый слой из ультратонких волокон со средним размером волокна 1-1,5 мкм.

Материал подвергают термообработке, как в примере 1.

Пример 4. Приготавливают прядильный раствор полиамидоэфира на основе SiДАДФО и ДАДФТК с логарифмической вязкостью η_ln = 0,55 в смеси растворителей ДМФА:ацетон=2:1 (объемные) с концентрацией полимера 25 мас.%, с динамической вязкостью раствора 11,4 П, электропроводностью 9,1·10^-5 Ом^-1см^-1. Затем проводят формование полимерного материала в электростатическом поле при разности потенциалов 35 кВ и объемном расходе прядильного раствора 2·10^-1 см³/с. Получают на металлическом заземленном электроде равномерный волокнистый слой из ультратонких волокон со средним размером волокна 1 мкм.

Материал подвергают термообработке, как в примере 1.

Пример 5. Прядильный раствор готовят как в примере 4 с тем отличием, что в качестве исходного полимера используют полиамидоэфир на основе SiДАДФО и смеси ПДА и ДАДФТК при их молярном соотношении 0,05:0,95 с логарифмической вязкостью η_ln = 0,5. . Условия формования полимера и средний размер волокон как в примере 4.

Пример 6. Прядильный раствор готовят как в примере 4 с тем отличием, что в качестве исходного полимера используют полиамидоэфир на основе SiДАДФО и смеси ПДА и ДАДФТК при их молярном соотношении 0,5:0,5 с логарифмической вязкостью η_ln = 0,45. Условия формования полимера и средний размер волокон как в примере 4.

Пример 7. Прядильный раствор готовят как в примере 4 с тем отличием, что в качестве исходного полимера используют полиамидоэфир на основе SiДАДФО и смеси ПДА и ДАДФТК при их молярном соотношении 0,95:0,5 с логарифмической вязкостью η_ln = 0,6. Условия формования полимера и средний размер волокон как в примере 4.

Формула изобретения

1. Полимерный сорбционно-фильтрующий материал из микроволокон полигетероарилена диаметром 0,8 - 2,0 мкм для фильтрации газов и жидкостей, отличающийся тем, что в качестве полигетероарилена используют полиимид на основе диаминодифенилоксида и диангидрида пиромеллитовой или 3,3',4,4'-дифенилтетракарбоновой кислот или их смеси при молярном соотношении 0,01 : 0,99 - 0,99 : 0,01.

2. Способ получения сорбционно-фильтрующего материала для фильтрации газов и жидкостей, включающий электростатическое формование волокнистого материала из раствора полимера в органическом растворителе с последующей термообработкой, отличающийся тем, что в качестве полимера используют полиамидоэфир на основе бис-(триалкилсилилового) эфира диаминодифенилоксида, где алкил - метил, этил, пропил и и-пропил, и диангидрида пиромеллитовой или 3,3', 4,4'-дифенилтетракарбоновой кислот или их смеси (при молярном соотношении 0,01 : 0,99 - 0,99 : 0,01), а также полиамидокислоту на основе диаминодифенилоксида и диангидрида дифенилтетракарбоновой кислоты, в качестве органического растворителя используют диметилформамид и формование осуществляют при динамической вязкости раствора 5 - 20 П, электропроводности 10^-4 - 10^-6 Ом^-1 см^-1 и объемной скорости раствора 1·10^-5 - 1·10^-1 cм³/с.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве органического растворителя используют смесь диметилформамида и ацетона в соотношении 1 : 0,1 - 1 по объему.

РИСУНКИ

Рисунок 1