Способ получения фильтрующего полимерного материала и фильтрующий материал

Изобретение относится к области получения высокоэффективных фильтрующих материалов для сверхтонкой очистки воздуха и газов и может быть использовано при создании аэрозольных фильтров, средств индивидуальной и коллективной защиты органов дыхания от различных аэрозолей, а в комбинации с другими фильтрующими материалами - в качестве финишного слоя. Материал со структурой смески из микронных и субмикронных волокон получают электростатическим формованием нетканого волокнистого материала из двух рабочих полимерных волокнообразующих растворов на основе полисульфона в электростатическом поле при разности потенциалов от 10 до 150 кВ с объемной скоростью формования на один капилляр для микроволокон 0,1-0,43 см³/мин, а для субмикронных волокон 0,01-0,12 см³/мин. Материал состоит из волокон полисульфона диаметром 2,5-4,6 мкм и 0,08-0,17 мкм при соотношении длин микронных и субмикронных волокон 1:17-25 и имеет гидродинамическое сопротивление при скорости фильтрации 1 см/с в пределах от 20 до 30 Па. 2 н. и з.п. ф-лы, 1 табл., 16 пр.

 

Изобретение относится к области получения высокоэффективных фильтрующих материалов методом электроформования для сверхтонкой очистки воздуха и газов волокнистыми фильтрующими материалами. Изобретение может быть использовано при создании аэрозольных фильтров, средств индивидуальной и коллективной защиты органов дыхания от различных аэрозолей. Материал может использоваться в комбинации с другими материалами в качестве финишного слоя.

Известен способ получения фильтрующего материала, включающий электростатическое формование нетканого волокнистого материала из рабочего полимерного волокнообразующего раствора на основе сополимера стирола с акрилонитрилом и метилметакрилатом с динамической вязкостью 1-30 Па, электропроводностью 10^-4-10^-7 Ом^-1см^-1 в электростатическом поле при разности потенциалов от 10 до 150 кВ (Патент РФ №2267347, МПК В01D 39/16, 2004 г.).

Однако известный способ при использовании имеет следующий недостаток: полученный фильтрующий материал обладает недостаточным качеством при фильтрации воздуха с ультратонкими частицами производственной пыли.

Известен фильтрующий материал ФПП-Д (Филатов Ю.Н. Электроформование волокнистых материалов (ЭФВ-процесс). Монография. М.: Нефть и газ, 1997. - 297 стр.), состоящий из волокон перхлорвиниловой смолы диаметром 4,0 и 0,5 мкм и имеющий структуру объемной смески. Этот материал, в незаряженном состоянии имеет эффективность, по частицам 0,3 мкм, равную 92-95%.

Однако известный фильтрующий волокнистый материал при своем использовании имеет следующие недостатки:

- фильтрующий материал обладает недостаточным качеством при фильтрации воздуха с ультратонкими частицами;

- отсутствие в настоящее время на рынке перхлорвиниловой смолы, удовлетворяющей санитарным нормам на фильтрующий материал.

Известны так же материалы марок ФПП-Ж-5 (смесь волокон 1 и 5 мкм); ФПП-Ж-1 (смесь волокон 0,5, 1,5, 5,0 мкм)(Лукьянова Н.Н., Ясминов А.А., Филатов Ю.Н., Володин В.Ф. Высокочистые вещества. (1989), №2, с.141-146.); ЛФС-2 (смесь волокон 0,5 и 5,0 мкм) (Филатов Ю.Н. Электроформование волокнистых материалов (ЭФВ-процесс)-М. РФ НИФХИ им. Л.Я.Карпова, 1997. - 297 стр.), ФПП-3/20-3,0 (смесь волокон 2,0 и 0,3 мкм) (Садовский Б.Ф., Дружинин Э.А., Петрянов И.В. ЖПХ. (1976), т.49, №11, с.2500-2504).

Эффективность этих материалов находится в пределах от 99,0% до 99,994%. Наибольшей эффективностью обладает фильтрующий материал ФПП-3/20-3,0, он изготовлен из волокон со средним диаметром 2,0 мкм и 0,3 мкм со структурой послойной смески. Все перечисленные материалы изготовлены из волокон перхлорвинила.

Однако известные фильтрующие волокнистые материалы при своем использовании имеют следующие недостаток - отсутствие в настоящее время на рынке перхлорвиниловой смолы, удовлетворяющей санитарным нормам на фильтрующий материал.

Наиболее близким по технической сущности, достигаемому результату и способу получения, является фильтрующий материал из волокон перхлорвинила с диаметром 2,0 и 0,3 мкм, ФПП-3/20-3,0, обладающий структурой объемной смески, который имеет поверхностную плотность 35-41 г/м² и стандартное сопротивление 29-30,5 Па. (Э.А.Дружинин, Производство и свойства фильтрующих материалов Петрянова из ультратонких полимерных волокон, М.: ИздАТ, 2007. - 280 с. - 76 илл.).

Фильтрующий материал ФПП-3/20-3,0 состоит из трех слоев: основной функциональный слой из волокон радиусом 0,15 мкм и 0,75-0,9 мкм при соотношении их длин в слое 20:1, соответственно, с поверхностной плотностью 2,9-3,5 г/м²; выравнивающий защитный подслой из однородных волокон радиусом около 0,5 мкм, с поверхностной плотностью 1,5-2,0 г/м²; подложка-основа из волокон диаметром 2,0 мкм с поверхностной плотностью 20-23 г/м². Этот материал получали по двух растворной схеме и использовали два технологических раствора. Для получения волокон радиусом 0,18-0,2 мкм, основного функционального слоя, используется раствор с вязкостью 0,7-0,9 П, электропроводностью (1-3)×10^-5 Ом^-1 см^-1, объемная скорость формования, в пересчете на один капилляр, составляла 8×10^-4 см³/с (4,8×10^-3 см³/мин). Межэлектродное расстояние 20-22 см. Для формования подложки-основы, защитного выравнивающего подслоя и волокон радиусом 0,75-0,9 мкм (основного функционального слоя) использовался раствор с вязкостью 4,9-5,1 пз и электропроводностью (5-7)×10^-6 Ом^-1 см^-1. Получение волокон велось со следующими значениями объемной скорости формования: подложка-основа - (3-4)×10^-3 см³/с, при межэлектродном расстоянии 25-27 см; защитный выравнивающий подслой (0,5-0,75)×10^-3 см³/с, при межэлектродном расстоянии 30 см; волокна радиусом 0,75-0,9 мкм (основного функционального слоя) (1,5-1,8)×10^-3 см³/с, при межэлектродном расстоянии 30-32 см;

Технической задачей изобретения является разработка способа получения высокоэффективного фильтрующего материала и сам фильтрующий материал, работающий по наиболее проникающим аэрозольным частицам при небольших значениях стандартного сопротивления.

Технический результат состоит в повышении качества фильтрации полученного предлагаемым способом фильтрующего материала за счет получения объемной смески из волокон микронного диапазона, которые обеспечивают механическую прочность волокнистого слоя, и субмикронного, которые обеспечивают высокую эффективность фильтрации. По сравнению с прототипом диаметр субмикронных волокон снижен до 0,08-0,17 мкм. Использование этого приема обеспечит >99,999% эффективность, по наиболее проникающим частицам диаметром 0,3 мкм, при стандартном сопротивлении до 30 Па и меньшей поверхностной плотности 15-35 г/м², вместо 35-41 г/м².

Технический результат при осуществлении изобретения состоит в получении нетканого волокнистого материала со структурой объемной смески из микроволокон и субмикронных волокон электростатического формования из двух новых рабочих полимерных волокнообразующих растворов в электростатическом поле при разности потенциалов от 10 до 150 кВ, с новым соотношением длин микронных и субмикронных волокон, структурой объемной смески и технологических параметров предложенного способа получения фильтрующего материала.

Среди существенных признаков, характеризующих фильтрующий волокнистый материал и способ его получения, отличительными являются:

- процесс формования материала ведут из полимерных волокнообразующих растворов полисульфона с объемной скоростью формования, на один капилляр, для микроволокон 0,1-0,43 см³/мин и для субмикронных волокон 0,01-0,12 см³/мин;

- процесс формования материала ведут из полимерных волокнообразующих растворов с динамической вязкостью 3,2-16,5 П и 12,0-16,4 П;

- процесс формования материала ведут из полимерных волокнообразующих растворов с электропроводностью 10^-5-10^-7 Ом^-1 см^-1 и 10^-4-10^-5 Oм^-1 см^-1;

- материал состоит из волокон диаметром 2,5-4,6 мкм и 0,08-0,17 мкм, причем соотношение длин этих волокон составляет 1:17-25;

- гидродинамическое сопротивление фильтрующего материала при скорости фильтрации 1 см/с находится в пределах от 20 до 30 Па, и эффективность 99,999%;

- материал имеет поверхностную плотность 15-35 г/м²;

- материал обладает структурой объемной смески;

Экспериментальные исследования предложенного фильтрующего волокнистого материала показали его высокую эффективность. С использованием всех отличительных признаков предложенного технического решения достигнуто повышение качества фильтрующего материала.

Предложенное изобретение иллюстрируется нижеприведенными примерами.

В приводимых примерах и в значениях указанных в таблице приведено среднее значение диаметра волокон, для микроволокон ±0,5 мкм, для субмикронных 0,05 мкм.

Пример 1. Приготавливают два рабочих полимерных волокнообразующих раствора. Первый: содержит в качестве полимера 14,0 мас.% полисульфона, в качестве растворителя дихлорэтан, в качестве электролитической добавки тетрабутиламмоний йодид, в количестве 5 мг на 100 г раствора, остальное до 100%. Рабочий полимерный волокнообразующий раствор имеет динамическую вязкость 4,9 пз, электропроводность 6,8×10^-6 ом^-1 см^-1. Второй содержит в качестве полимера 16,5 мас.% полисульфона, в качестве растворителя циклогексанон, в качестве электролитической добавки тетрабутиламмоний йодид, в количестве 50 мг на 100 г раствора, остальное до 100%. Рабочий полимерный волокнообразующий раствор имеет динамическую вязкость 13,1 пз электропроводность 1,2×10^-5 ом^-1 cм^-1. Формование проводят одновременно из двух растворов, при разности потенциалов 140 кВ при их истечении с расстояния 23 см (межэлектродное расстояние), для первого раствора, и 19 см для второго раствора. Объемная скорость формования составляет для первого раствора 0,11 см³/мин, для второго раствора 0,10 см³/мин. На металлическом заземленном электроде, выполненном в виде цилиндра, получают нетканый волокнистый материал, состоящий из волокон диаметром 2,9 мкм и 0,17 мкм, причем соотношение длин этих волокон составляет 1:19. Поверхностная плотность фильтрующего материала, изготовленного из волокон полисульфона, диаметром 2,9 и 0,17 мкм, составляет 29 г/м², его стандартное сопротивление составляет 25 Па, а эффективность по частицам диаметром 0,3 мкм, в разряженном состоянии более 99,999%.

Пример 2. Приготавливают два рабочих полимерных волокнообразующих раствора. Первый: содержит в качестве полимера 14,0 мас.% полисульфона, в качестве растворителя дихлорэтан, в качестве электролитической добавки тетрабутиламмоний йодид, в количестве 5 мг на 100 г раствора, остальное до 100%. Рабочий полимерный волокнообразующий раствор имеет динамическую вязкость 4,9 пз, электропроводность 6,8×10^-6 ом^-1 см^-1. Второй содержит в качестве полимера 15,0 мас.% полисульфона, в качестве растворителя циклогексанон, в качестве электролитической добавки тетрабутиламмоний йодид, в количестве 50 мг на 100 г раствора, остальное до 100%. Рабочий полимерный волокнообразующий раствор имеет динамическую вязкость 7,2 пз, электропроводность 1,2×10^-5 ом^-1 см^-1. Формование проводят одновременно из двух растворов, при разности потенциалов 140 кВ при их истечении с расстояния 18 см, для первого раствора, и 16 см, для второго раствора. Объемная скорость формования составляет для первого раствора 0,22 см³/мин, для второго раствора 0,04 см³/мин. На металлическом заземленном электроде, выполненном в виде цилиндра, получают нетканый волокнистый материал, состоящий из волокон диаметром 4,6 мкм и 0,11 мкм, причем соотношение длин этих волокон составляет 1:21. Поверхностная плотность фильтрующего материала, изготовленного из волокон полисульфона, диаметром 4,6 и 0,11 мкм, составляет 27 г/м², его стандартное сопротивление составляет 25 Па, а эффективность по частицам диаметром 0,3 мкм, в разряженном состоянии 99,99%.

Примеры 3-16.

Условия проведения процесса и характеристика полученного материала приведены в Таблице.

Таким образом, по предложенному способу получен новый фильтрующий высокоэффективный волокнистый материал, отличающийся лучшими эксплуатационными характеристиками. При этом экономические показатели нового фильтрующего материала и предложенного способа не отличаются от известных, использующихся в промышленности.

1. Способ получения фильтрующего полимерного материала, включающий получение нетканого волокнистого материала со структурой объемной смески из микроволокон и субмикронных волокон путем электростатического формования из двух рабочих полимерных волокнообразующих растворов в электростатическом поле при разности потенциалов от 10 до 150 кВ, отличающийся тем, что формование ведут из полимерных волокнообразующих растворов полисульфона с объемной скоростью формования на один капилляр для микроволокон 0,1-0,43 см³/мин и для субмикронных волокон 0,01-0,12 см³/мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формование ведут из полимерных волокнообразующих растворов с динамической вязкостью 3,2-16,5 П и 12,0-16,4 П.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что формование ведут из полимерных волокнообразующих растворов с электропроводностью 10^-5-10^-7 Ом^-1·см^-1 и 10^-4-10^-5 Ом^-1·см^-1.

4. Фильтрующий материал, полученный способом по п.1, состоящий из волокон полисульфона диаметром 2,5-4,6 мкм и 0,08-0,17 мкм и при соотношении длин микронных и субмикронных волокон 1:17-25.

5. Фильтрующий материал по п.4, отличающийся тем, что его гидродинамическое сопротивление при скорости фильтрации 1 см/с находится в пределах от 20 до 30 Па.

6. Фильтрующий материал по п.5, отличающийся тем, что его эффективность фильтрации составляет не менее 99,999%.