Фильтрующий термостойкий нановолокнистый материал и способ его получения

Авторы патента:

B82B3/00 - Изготовление или обработка наноструктур

B01D39/16 - из органического материала, например синтетических волокон

Владельцы патента RU 2524936:

Филатов Юрий Николаевич (RU)

Изобретение относится к области получения фильтрующих материалов для тонкой очистки воздуха и газовых сред. Фильтрующий термостойкий нановолокнистый материал содержит внутренний рабочий слой и два внешних защитных слоя, размещенных с обеих сторон рабочего слоя. Рабочий слой выполнен методом электроформования из волокон полидифениленфталида с диаметром 200-400 нм, имеет массу единицы площади, равную 0,5-3,5 г/м². Защитные слои с массой единицы площади 6-8 г/м² выполнены из нетканого кварцевого материала с диаметром волокон 1-7 мкм. Электроформование нановолокон рабочего слоя осуществляют в электрическом поле с напряженностью 2-6 кВ/см из раствора полидифениленфталида в циклогексаноне, содержащем добавку, выбранную из галогенидов тетраэтиламмония и тетрабутиламмония. Образующиеся нановолокна укладывают на подложку из защитного нетканого кварцевого материала, после чего на рабочий слой накладывают второй защитный слой из того же нетканого материала. Для осуществления заявленного способа могут быть использованы устройства для электрокапиллярной технологии электроформования или устройства для технологии электроформования со свободной поверхности Nanospider™. Изобретение позволяет эффективно очищать газы при температурах до 350°С. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 пр.

Изобретение относится к области получения фильтрующих материалов из нановолокон, преимущественно используемых для тонкой очистки воздуха и других газовых сред от дисперсных частиц при повышенных температурах.

Известен сорбционно-фильтрующий материал для бактериальных фильтров на основе нетканого материала из волокон с диаметром 0,1-10 мкм, выполненных путем электроформования из раствора полидифениленфталида в циклогексаноне (RU 2055632, 10.03.1996).

Известный материал, из-за низкого относительного удлинения волокон, обладает недостаточной механической прочностью, что особенно характерно при малых диаметрах волокон.

Известен также фильтрующий материал, который содержит микроволокна из полисульфона диаметром 5-10 мкм и нановолокна из полидифениленфталида диаметром 300-500 нм при массовом отношении волокон из полидифениленфталида к волокнам из полисульфона, равном 1:(5-25). Предложен также способ получения материала методом электроформования волокон из раствора, который включает осаждение на электроде микроволокон с диаметром 5-10 мкм из системы полисульфон-дихлорэтан-электролит, и одновременное осаждение на электроде нановолокон с диаметром 300-500 нм из системы полидифениленфталид-циклогексанон-диметилформамид-электролит (RU 2429048, 20.09.2011).

Однако известный материал обладает термостойкостью не выше 160°C и не может быть использован в высокотемпературных фильтрах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является фильтрующий нановолокнистый материал, выполненный из волокон полидифениленфталида со средним диаметром волокна 500 нм, материал имеет массу единицы площади, равную 1,6 г/м². Данный материал получен методом электростатического формования волокон при напряженности поля 2,0·10⁵ В/м. Нановолокна формуют из раствора полидифениленфталида в циклогексаноне, имеющего вязкость 0,5-3,0 Пз, удельную электропроводность 2,5·10^-3 См/м (Гуляев А.И. «Технология электроформования волокнистых материалов на основе полисульфона и полидифениленфталида», Автореферат дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук, Москва, 2009, стр.15-20).

Недостатки известного нановолокнистого материала, полученного электроформованием из раствора полидифениленфталида в циклогексаноне, заключаются в низкой механической прочности слоя нановолокон, что не позволяет использовать его в фильтрах.

Задачей настоящего изобретения является разработка термостойкого композиционного фильтрующего материала, пригодного для сборки фильтров и высокоэффективной очистки газовых сред от аэрозолей при температурах до 350°C в течение длительного времени.

Поставленная задача решается описываемым фильтрующим термостойким нановолокнистым материалом, содержащим внутренний рабочий слой и два внешних защитных слоя, размещенные с обеих сторон рабочего слоя, причем рабочий слой содержит волокна полидифениленфталида с диаметром 200-400 нм, выполнен методом электроформования из раствора полидифениленфталида в циклогексаноне и имеет массу единицы площади, равную 0,5-3,5 г/м², а защитные слои выполнены из нетканого кварцевого материала.

Защитные слои содержат кварцевые волокна, имеющие диаметр 1-7 мкм, а их масса единицы площади 6-8 г/м².

Материал характеризуется аэрородинамическим сопротивлением потоку воздуха с линейной скоростью 1 см/с, равному 20-40 Па.

Поставленная задача решается также заявленным способом получения материала, который заключается в следующем. Осуществляют электроформование нановолокон рабочего слоя в электрическом поле с напряженностью 2-6 кВ/см из раствора полидифениленфталида в циклогексаноне, при концентрации полидифениленфталида 11-14 масс.%, при содержании электролитической добавки, выбранной из галогенидов тетраэтиламмония и тетрабутиламмония, в количестве 0,1-0,2 масс.%, при вязкости раствора 0,3-0,9 Па·с и удельной электропроводности раствора 50-100 мкСм/см. Образующиеся при этом нановолокна укладывают на подложку из защитного нетканого кварцевого материала, после чего на сформованный на подложке рабочий слой накладывают второй защитный слой из того же нетканого материала.

Электроформование нановолокнистого рабочего слоя может быть осуществлено с использованием двух известных типов устройств.

В одном случае электроформование осуществляют с использованием устройства, снабженного формующим электродом, выполненным в виде гребенки, состоящей из дозирующих раствор капилляров, и осадительным электродом с размещенной на нем подложкой из нетканого кварцевого материала, на который под действием электростатических сил укладываются образующиеся в межэлектродном пространстве нановолокна из полидифениленфталида.

Альтернативно, электроформование осуществляют с использованием устройства, снабженного формующим электродом, выполненным в виде заряженного струнного коллектора с возможностью его вращения в емкости с формовочным раствором или в виде струны, с перемещающимся по ней дозирующим устройством, и осадительным электродом, при этом между формующим и осадительным электродами размещен нетканый кварцевый материал, на который под действием электростатических сил укладываются образующиеся в межэлектродном пространстве нановолокна из полидифениленфталида.

В объеме совокупности вышеуказанных признаков достигается заявленный технический результат, поскольку полученный материал не теряет эффективности фильтрации при работе в условиях высоких температур вплоть до 350°C.

Ниже приведены конкретные примеры осуществления заявленного способа получения предложенного фильтрующего композиционного термостойкого материала, а также фильтрующие характеристики полученного материала.

Для осуществления заявленного способа использованы известные из уровня техники устройства. В первом примере использовано устройство для электрокапиллярной технологии электроформования (ЭК-ЭФВ), которое описано, например, в монографии «Филатов, Ю. Н. Электроформование волокнистых материалов (ЭФВ-процесс) / Под ред. В.Н. Кириченко. - М.: Нефть и газ, 1997. - 298 с.». Во втором примере использовано устройство для технологии электроформования со свободной поверхности Nanospider™ (NS-ЭФВ), которое описано, например, в RU 2365686, 2009 или в US 7615427, 2010.

Пример 1

Приготавливают 14% раствор полидифениленфталида в циклогексаноне с добавкой тетрабутиламмония йодида 0,1 масс.% с вязкостью 0,9 Па·с и электропроводностью 50 мкСм/см для получения волокон со средним диаметром 400 нм.

Этот раствор продавливают через соответствующие дозаторы, помещенные в поле высокого напряжения при напряженности поля между электродами 2 кВ/см и получают методом электроформования на подложку из кварцевого нетканого материала, размещенную на осадительном электроде, нановолокнистый фильтрующий материал из волокон со средним диаметром 400 нм, массой единицы площади 3,5 г/м². Затем на слой нановолокон накладывают слой кварцевого нетканого материала.

Полученный материал выдерживает температуру воздуха 350°C в течение 50 часов, при этом эффективность фильтрации по частицам 0,4 мкм в разряженном состоянии составляет 99,5% при линейной скорости фильтрации 50 см/с при стандартном аэроодинамическом сопротивлении 40 Па (при 1 см/с).

Пример 2

Приготавливают 11% раствор полидифениленфталида в циклогексаноне с добавкой тетрабутиламмония йодида 0,2 масс.% с вязкостью 0,3 Па·с и электропроводностью 100 мкСм/см для получения волокон со средним диаметром 200 нм.

Этот раствор наносят на поверхность вращающегося заряженного струнного электрода-коллектора, по технологии Nanospider™ при напряженности поля между электродами 6 кВ/см. Образующиеся в поле высокого напряжения нановолокна со средним диаметром 200 нм укладываются на нетканый кварцевый материал, расположенный в межэлектродном пространстве на расстоянии 2 см от осадительного электрода. При этом массой единицы площади нановолокнистого слоя составляет 0,5 г/м². Затем на слой нановолокон накладывают слой кварцевого нетканого материала.

Полученный материал выдерживает температуру воздуха 350°C в течение 50 часов, при этом эффективность фильтрации по частицам 0,4 мкм в разряженном состоянии составляет 98,5% при линейной скорости фильтрации 50 см/с при стандартном аэроодинамическом сопротивлении 20 Па (при 1 см/с).

Примеры при других заявленных параметрах сведены в таблицу 1.

Таблица 1
Параметр	№примера (метод электроформования)
1 (ЭФВ-ЭК)	2 (ЭФВ-NS)	3 (ЭФВ-ЭК)	4 (ЭФВ-NS)
Концентрация полидифениленфталида, масс.%	14	11	13	11
Концентрация тетрабутиламмония йодида, масс.%	од	0,2	0,15	0,2
Вязкость раствора, Па·с	0,9	0,3	0,7	0,3
Удельная электропроводность, мкСм/см	50	100	70	100
Напряженность поля между электродами, кВ/см	2	6	3	5
Средний иаметр волокон, мкм	400	200	300	200
Масса ед. площади рабочего слоя нановолокон, г/м²	3,5	0,5	1,7	1,0
Сопротивление потоку воздуха при 1 см/с, Па	40	20	35	39
Эффективность фильтрации частиц диаметром 0,4 мкм после 50 ч при 350°C, %	99,93	98,5	99,8	99,97

Как видно из приведенных данных, предложенный материал является высокоэффективным средством для очистки газов от аэрозолей при повышенных температурах и не теряет своей эффективности в условиях длительной эксплуатации при температурах до 350°C.

1. Фильтрующий термостойкий нановолокнистый материал, содержащий внутренний рабочий слои и два внешних защитных слоя, размещенных с обеих сторон рабочего слоя, причем рабочий слой содержит волокна полидифениленфталида с диаметром 200-400 нм, выполнен методом электроформования, и имеет массу единицы площади, равную 0,5-3,5 г/м², а защитные слои выполнены из нетканого кварцевого материала.

2. Материал по п.1, характеризующийся тем, что защитные слои имеют массу единицы площади 6-8 г/м² и содержат кварцевые волокна с диаметром 1-7 мкм.

3. Материал по п.1, отличающийся тем, что аэродинамическое сопротивление материала потоку воздуха с линейной скоростью 1 см/с составляет 20-40 Па.

4. Способ получения фильтрующего термостойкого нановолокнистого материала, охарактеризованного в п.1, заключающийся в том, что электроформование нановолокон рабочего слоя осуществляют в электрическом поле с напряженностью 2-6 кВ/см из раствора полидифениленфталида в циклогексаноне при концентрации полидифениленфталида 11-14 масс.%, при содержании электролитической добавки, выбранной из галогенидов тетраэтиламмония и тетрабутиламмония, в количестве 0,1-0,2 масс.%, при вязкости раствора 0,3-0,9 Па·с и удельной электропроводности раствора 50-100 мкСм/см, при этом образующиеся нановолокна укладывают на подложку из защитного нетканого кварцевого материала, после чего на сформованный на подложке рабочий слой накладывают второй защитный слой из того же нетканого материала.

5. Способ по п.4, характеризующийся тем, что электроформование нановолокнистого рабочего слоя осуществляют с использованием устройства, снабженного формующим электродом, выполненным в виде гребенки, состоящей из дозирующих раствор капилляров, и осадительным электродом с размещенной на нем подложкой из нетканого кварцевого материала, на который под действием электростатических сил укладываются образующиеся в межэлектродном пространстве нановолокна из полидифениленфталида.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что электроформование нановолокнистого рабочего слоя осуществляют с использованием устройства, снабженного формующим электродом, выполненным в виде заряженного струнного коллектора с возможностью его вращения в емкости с формовочным раствором или в виде струны с перемещающимся по ней дозирующим устройством, и осадительным электродом, при этом между формующим и осадительным электродами размещен нетканый кварцевый материал, на который под действием электростатических сил укладываются образующиеся в межэлектродном пространстве нановолокна из полидифениленфталида.

Изобретения могут быть использованы в области нанотехнологий и неорганической химии. Способ получения боридной наноплёнки или нанонити включает осаждение на корундовую нанонить или на стекловолокно из легкоплавкого стекла в вакууме несколько чередующихся слоев титана и бора, после чего полученную композицию постепенно нагревают до температуры 1500°С.

Сырьевая смесь для получения газобетона // 2524361

Изобретение относится к области строительных материалов, а именно к составам для производства ячеистого бетона и изделий на его основе, которые могут применяться в промышленном и гражданском строительстве.

Изоляционное покрытие металлической проволоки // 2524232

Изобретение относится к изоляционным покрытиям, наносимым на металлическую проволоку, и может быть использовано для покрытия проволок, используемых для изготовления сетчатых конструкций, например габионов.

Способ получения азафуллерена c48n12 нитрацией β-нафтола разбавленной азотной кислотой // 2523826

Изобретение относится к способу получения азафуллерена C48N12, при котором взвесь β-нафтола в воде нитруют азотной кислотой с концентрацией 5-6% при температуре 96-98°С на водяной бане в течение 2÷2,5 часов в присутствии уксусной кислоты в количестве 25-30 мл/л в пересчете на ледяную уксусную кислоту, образовавшуюся реакционную массу отфильтровывают, измельчают, промывают водой от азотной кислоты до нейтральной среды и сушат при температуре 70-80°С, затем для получения азафуллерена C48N12 чистотой 96-98% подвергают селективной отмывке в аппарате типа Сокслет, после чего азафуллерен перекристаллизовывают, промывают и сушат при температуре 70-80°С.

Огнестойкое теплозащитное покрытие и способ его получения // 2523818

Изобретение относится к огнестойким теплозащитным покрытиям для поверхностей различной природы и формы, требующих тепло- и огнезащиты, применяемым в различных отраслях промышленности в качестве пожаробезопасного теплозащитного покрытия трубопроводов тепловых сетей, котлов и других тепловых аппаратов, для покрытия оборудования с целью защиты персонала от контактных ожогов горячими и холодными металлическими поверхностями, для холодильного оборудования, эксплуатируемого в помещениях с неблагоприятным влажностно-температурным режимом в качестве антиконденсатного и антикоррозионного покрытия, для наружной теплоизоляции зданий и сооружений и внутренней обработки помещений с целью предотвращения обмерзания и сырости стен.

Способ получения наномодифицированных полимерных материалов // 2523716

Изобретение относится к способу получения полимерных материалов. Способ получения наномодифицированных полимерных материалов включает конденсацию паров мономера.

Способ упрочнения углеродного волокна // 2523483

Изобретение относится к технологии получения углеродных волокнистых композиционных материалов, в частности к способу упрочнения углеродного волокна, и имеет широкий спектр применения от спортивного инвентаря до деталей самолетов.

Способ получения сверхтвердого композиционного материала // 2523477

Изобретение может быть использовано при изготовлении инструментов для горнодобывающей, камнеобрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности. Готовят исходную композицию, состоящую из следующих компонентов, мас.%: фуллерены С-60 или С-70 - 30-50; теплопроводящий компонент - 10-60; связующая добавка - остальное.

Способ получения нанодисперсных порошков нитрида бора и диборида титана // 2523471

Изобретение относится к области получения нанодисперсных порошков неорганических материалов и соединений. Плазмохимические реакции инициируют импульсным микроволновым разрядом, воздействующим на исходные реагенты, в качестве которых используют смесь порошков титана и бора в атмосфере азота, при этом в качестве исходных реагентов используют порошок аморфного бора с размером частиц 1 мкм-100 мкм и порошок титана с размером частиц 1 мкм-100 мкм, причем используется микроволновой разряд мощностью от 50 кВт до 500 кВт и длительностью импульса от 100·10-6 с до 100·10-3 с, а рабочее давление азота составляет от 0,1 до 1 атмосферы.

Способ изготовления изделий сложной формы из цветных металлов или сплавов с помощью сверхпластического деформирования // 2523159

Изобретение относится к технологии изготовления изделий сложной формы из металлов и сплавов, способных приобретать нано- и микрокристаллическую структуру с регламентированно минимизированным размером зерна в результате предварительной интенсивной пластической деформации заготовок.

Фильтровальный нетканый волокнистый материал для микроагрегатной и лейкофильтрации гемотрансфузионных сред // 2522626

Изобретение относится к области изготовления фильтровальных материалов для микроагрегатной и лейкофильтрации гемотрансфузионных сред и предназначено для использования в составе лейкоцитарных фильтров.

Способ получения нетканого волокнистого материала и нетканый материал // 2493006

Изобретение относится к области получения полимерных микроволокнистых фильтрующих материалов, которые могут использоваться для очистки воздуха, в т.ч. в средствах индивидуальной защиты органов дыхания.

Способ получения фильтрующего полимерного материала и фильтрующий материал // 2492912

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.

Способ разделения смесей двух несмешивающихся жидкостей типа масло-в-воде // 2492905

Изобретение относится к технологии разделения смесей двух несмешивающихся жидкостей типа масло в воде и может быть использовано в нефте- и газоперерабатывающей, нефтехимической, химической, пищевой отраслях промышленности для разделения смесей сырой нефти и нефтепродуктов, а также органических растворителей и растительных масел с водой.

Фильтрующий материал // 2478005

Изобретение относится к области фильтрующих материалов, предназначенных для применения в аналитических лентах непрерывно действующих приборов для отбора аэрозолей с последующим измерением содержания альфа-активных изотопов методом спектрометрии.

Способ изготовления электретных изделий, основанный на использовании зета-потенциала // 2472885

Изобретение относится к способу изготовления волокнистого электретного изделия из полимерного материала, имеющего зета-потенциал, больший или меньший -7,5 мВ. .

Многослойный нетканый фильтрующий материал // 2465034

Изобретение относится к области очистки углеводородного топлива и касается многослойного нетканого фильтрующего материала. .

Нетканый фильтровальный материал для бактериально-вирусных дыхательных фильтров и способ его изготовления (варианты) // 2461675

Изобретение относится к области изготовления фильтровальных материалов для дыхательных фильтров и предназначено для использования в медицине, в частности в процессе анестезии и искусственной вентиляции легких.

Способ получения полимерного фильтроэлемента тонкой очистки пищевых жидкостей, преимущественно молока // 2461409

Изобретение относится к области производства материалов и изделий, используемых в качестве фильтров для очистки пищевых жидкостей. .

Состав и способ получения фильтра на основе пористого поливинилформаля // 2445147

Изобретение относится к фильтрующим устройствам, с помощью которых осуществляется разделение неоднородных систем, точнее к способам изготовления фильтрующего материала на основе пористого поливинилформаля, и может быть использовано для очистки жидкостей и газов от воды, механических примесей и биозагрязнений.

Способ получения антибиотического покрытия на фильтрующем материале // 2525486

Изобретение относится к области получения и производства фильтрующих материалов для очистки воздуха промышленных помещений на основе полимерных волокон, обладающих антибиотическими свойствами. Осуществляют синтез полимера на фильтрующем материале в низкотемпературной плазме тлеющего разряда в парах адамантана. Вначале камеру с фильтрующим материалом вакуумируют, подают аргон и проводят газоразрядную очистку материала. После очистки камеру вновь вакуумируют и напускают пары адамантана с последующим зажиганием тлеющего разряда для получения тонкого покрытия на поверхности материала. Изобретение позволяет придать поверхности фильтрующего материала антибиотические (антифунгальные) свойства. 1 пр.