многослойный сорбционно-фильтровальный материал

Формула изобретения

Многослойный сорбционно-фильтровальный материал, состоящий из слоев нетканого материала, полученного формованием из раствора полимера, отличающийся тем, что материал содержит 4-6 слоев нетканого материала, образованного содержащими твердые сорбционные частицы волокнами из смеси полиакрилонитрила и полиуретана, полученными способом аэродинамического формования раствора полимера, причем весовое отношение полиуретана к полиакрилонитрилу в волокне находится в пределах от 2 до 12, а отношение диаметра волокна к диаметру твердых сорбционных частиц составляет 0,5-5,0, при этом отношение толщины одного слоя к толщине материала составляет 0,1-0,3.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения нетканых материалов, а именно к многослойным сорбционно-фильтровальным нетканым материалам, полученным аэродинамическим формованием из растворов полимеров, содержащих твердые сорбционные наполнители.

Данные нетканые материалы обладают комплексом сорбционных и сорбционно-фильтрующих свойств и предназначены для фильтрации жидкостей и газов от вредных примесей, для очистки водоемов от нефтепродуктов во время экологических катастроф и т.п. Кроме того, материал может быть использован для изготовления медицинских изделий, например для новых видов респираторов для защиты органов дыхания от отравляющих веществ.

Известен многослойный фильтрующий волокнистый материал, полученный электростатическим формованием из раствора волокнообразующего полимера (пат. RU 2267347, В01D 39/16, публ. 10.01.2006 г. №1).

Недостатком этого материала является наличие у него только фильтрующей способности и невозможность его применения для сорбционных процессов, он не способен очищать жидкости от растворенных веществ и улавливать из воздуха газообразные токсичные примеси.

Известен фильтровально-абсорбционный нетканый материал, который содержит не менее двух слоев, один из которых образован поглощающим нетканым материалом, состоящим из химических волокон и порошкообразного активного угля, связующего и полиэлектролита, а другой слой образован нетканым материалом из 100% химических волокон (авт. свид. ЧССР 264945, D04H 13/00, публ. 15.12.88 г.). Недостатком этого материала является его ограниченное применение, т.к. он используется для очистки газообразной среды и имеет сложный состав.

Известен гибкий воздухопроницаемый фильтр из нетканого материала, содержащий нетканую подложку из беспорядочно ориентированных волокон и слой органических полимерных волокон, полученный на месте из раствора полимера в растворителе (заявка WO 85/03013, B01D 39/14, публ. 18.07.85 г.). В зазорах между волокнами расположены твердые сорбционные частицы, например активированный уголь. Этот материал взят в качестве прототипа. Известный материал имеет ограниченное применение. Его используют только в качестве газового фильтра при больших расходах газа. Материал не может быть использован в других областях, например в медицине, для очистки водоемов от разлива нефти и др. из-за высокой воздухопроницаемости, которая определяет большую скорость прохождения загрязненного газового потока, что приводит к низкой степени улавливания.

Целью настоящего изобретения является создание многослойного сорбционно-фильтровального нетканого материала, обладающего комплексом фильтровальных и сорбционных свойств, высокими физико-механическими свойствами, позволяющего использовать его в различных областях техники.

Поставленная цель достигается тем, что в многослойном сорбционно-фильтровальном материале, состоящем из 4-6 слоев нетканого материала, нетканый материал выполнен из содержащего твердые сорбционные частицы волокна, полученного из смеси полиакрилонитрила и полиуретана способом аэродинамического формования раствора полимера, причем весовое отношение полиуретана к полиакрилонитрилу в волокне находится в пределах от 2 до 12, а отношение диаметра волокна к диаметру твердых сорбционных частиц составляет 0,5-5,0, при этом отношение толщины одного слоя к толщине материала составляет 0,1-0,3.

При получении нетканого материала способом аэродинамического формования раствора полимера в условиях одновременного воздействия осадительной ванны удается получить холст нетканого материала, состоящий из пористых волокон. Одновременное введение в прядильный раствор твердых сорбционных частиц позволяет зафиксировать данные частицы наполнителя внутри и на поверхности волокна в процессе формирования холста нетканого материала. При этом происходит увеличение сорбционной динамической емкости материала при одновременном снижении их физико-механических свойств.

Установлено, что наличие наполнителя в волокне снижает прочность материала на разрыв и раздир соответственно в 5 и 10 раз. Количество двойных изгибов, выдерживаемых нетканым материалом при введении наполнителя, снижается в 4 раза с 2,4 млн до 0,6 млн циклов.

Использование для получения нетканых слоев сорбционно-фильтровального материала раствора смеси полиакрилонитрила и полиуретана значительно повышает физико-механические показатели материала. Это происходит за счет особенностей химического строения полиуретана, макромолекулы которого из-за наличия групп СО и NH образуют водородные химические связи, имитирующие сшивки. Кроме того, наличие в молекуле полиуретана полиэфирных блоков придает волокнам упругие обратимые деформации, что также увеличивает прочность материала.

Весовое отношение полиуретана к полиакрилонитрилу в волокне находится в пределах от 2 до 12. Если относительное содержание полиуретана в волокне будет меньше 2, то не наблюдается упрочнение нетканого холста, а при содержании полиуретана больше 12 не достигается устойчивого формования нитей и однородного формирования нетканого холста при осаждении его на приемной подложке.

Время защитного действия фильтров тонкой очистки из нетканых сорбционных материалов определяется величиной площади поверхности волокон нетканого материала, которая определяется толщиной холста и диаметром волокон, образующих холст.

Многослойный сорбционно-фильтровальный материал содержит 4-6 нетканых слоев. Сформировать нетканый материал, состоящий из наполненных твердыми сорбционными частицами волокон, удовлетворяющий необходимым требованиям по свойствам, в один монослой не представляется возможным технически, т.к. для получения большой поверхностной плотности монослойного материала его возможно сформировать только из толстых волокон. Получение холста из тонких волокон невозможно из-за высокой начальной скорости истечения раствора при формовании и невозможности реализовать кратность вытяжки в этих условиях более 800.

Поэтому для обеспечения необходимого времени защитного действия материала и большой сорбционной емкости его изготавливают многослойным.

При этом отношение толщины одного слоя к толщине материала находится в пределах от 0,1 до 0,3. Величина отношения менее 0,1 ограничена техническими возможностями получения большого количества составляющих слоев, каждый из которых формируется самостоятельным прядильным блоком. Величина отношения больше 0,3 ограничена минимальным допустимым количеством слоев. При минимальном количестве слоев возрастает показатель воздухопроницаемости материала, возрастает скорость течения загрязненного воздуха или жидкости через материал, снижается площадь боковой поверхности волокон, массовая доля содержащегося твердого наполнителя, что уменьшает время защитного действия и сорбционную емкость материала.

На эффективность защитного действия материала и его сорбционную емкость влияет соотношение диаметра волокна, образующего холст, и диаметра частиц наполнителя. Необходимые свойства материала достигаются при отношении диаметров в пределах от 0,5 до 5,0.

При отношении меньше 0,5 снижается воздухопроницаемость материала, растет сопротивление прохождению загрязненных газов или жидкостей. В этом случае присутствие крупных частиц наполнителя, значительно превышающих по размерам диаметр волокна, перекрывает частично воздушные поры, делает сами волокна хрупкими, ломкими, уменьшая чрезмерно прочность холста.

Отношение диаметра волокна к диаметру наполнителя больше 5 технически затруднено предельными возможностями измельчения наполнителя, а увеличение диаметра волокна приводит к росту поровых каналов, что увеличивает скорость прохождения загрязненного газа или жидкости и снижает время сорбции, уменьшая эффективность очистки. Кроме того, снижается прочность самого нетканого холста за счет меньшего числа образованных склеек.

Многослойный сорбционно-фильтровальный материал получают на установке аэродинамического формования из раствора смеси полиакрилонитрила и полиуретана в растворителе: диметилформамиде, диметилсульфоксиде и др. Раствор полимера содержит твердые сорбционные частицы, в качестве которых может быть использован активированный уголь, ионообменные смолы, кремнийуглерод (термообработанная шелуха риса) и др. Установка содержит несколько аппаратов для приготовления прядильных растворов полимера, что позволяет получать несколько слоев нетканого материала с различными наполнителями. Раствор полимера, вытекая из фильеры, подвергается растяжению потоком сжатого воздуха и затем воздействию тонко распыленной осадительной ванны. После отмывки растворителя и осаждения полимера волокно собирается на сетчатой подложке, где формируется многослойная структура нетканого материала. При этом происходит склеивание волокон на стадии образования холста при взаимном наложении нитей, находящихся в студнеобразном состоянии, и дальнейшем взаимодействии с осадительной ванной.

Поскольку получаемый многослойный сорбционно-фильтровальный материал используют для улавливания токсичных газов, паров органических растворителей в газоочистительных фильтрах, а также для эффективной очистки водоемов от нефтепродуктов при экологических катастрофах, к нему предъявляют особые требования. Материал должен обладать хорошей воздухопроницаемостью, высокой степенью поглощения вредных веществ, достаточной прочностью. Указанные показатели определяют по известным методикам.

Воздухопроницаемость материала определяют по ГОСТ 12088-77 на приборе FF-12 фирмы «Метримпекс» при перепаде давления от 50 до 1000 Па.

Средний диаметр волокна определяют с помощью микроскопа МБИ-15 по ГОСТ 8074-82. Толщину слоя материала измеряют по ГОСТ 12023-66, используя микрометр по ГОСТ 4380-86.

Прочность материала на разрыв определяют по ГОСТ 15.902.3-79 на разрывной машине РТ-250-М-2.

Степень поглощения вредных веществ материалом определяют по ГОСТ 12.4.15890.

Изобретение иллюстрируется примерами.

Пример 1.

Многослойный сорбционно-фильтровальный материал состоит из 6 нетканых слоев, полученных из волокон из смеси полиуретана и полиакрилонитрила, наполненных активированным углем марки АГ-3. Весовое соотношение полиуретана и полиакрилонитрила в волокне равно 12. Толщина одного слоя равна 0,7 мм, общая толщина всех слоев 4,2 мм. Диаметр волокон 15 мкм, диаметр наполнителя 7 мкм. Удельная поверхность материала 800 м²/г, прочность 7-10 кгс/см ².

Материал используют для изготовления изделий для защиты органов дыхания. Время защитного действия материала составляет 50-60 мин.

Пример 2.

Многослойный сорбционно-фильтровальный материал состоит из 4 нетканых слоев, полученных из волокон из смеси полиуретана и полиакрилонитрила, наполненных кремнийуглеродом (термообработанная шелуха риса). Весовое соотношение полиуретана и полиакрилонитрила в волокне равно 2. Толщина одного нетканого слоя равна 0,5 мм, общая толщина 2 мм. Диаметр волокон 40 мкм, диаметр наполнителя 30 мкм. Удельная поверхность материала 400 м²/г, прочность 5 кгс/см ².

Наличие в нетканом материале в качестве наполнителя термообработанной шелухи риса значительно снижает удельный вес материала до 0,5-0,6 г/см³. Многослойный нетканый материал обладает повышенной плавучестью в воде, а наличие в наполнителе 90% проходных пор диаметром 180-200 мкм и 10% микропор диаметром 0,5-1 мкм придает этому материалу способность сорбировать нефтепродукты в количестве до 45 кг/1 кг нетканого материала. При сборе нефти с поверхности водоема за 10 суток плавучесть нетканого материала теряется на 10%.

Предлагаемый многослойный сорбционно-фильтровальный материал обладает хорошими фильтрующими и сорбционными свойствами, высокой разрывной прочностью и высокой прочностью удержания сорбента в нетканом слое. Достаточная прочность и воздухопроницаемость, а также высокая скорость поглощения вредных веществ, позволяют использовать материал в качестве фильтров для индивидуальной защиты органов дыхания человека (СИЗОД). Высокая прочность материала обеспечивает необходимые конструкционные свойства, позволяющие легко перерабатывать его в изделия путем сшивания и сваривания с термопластичными материалами.

Материал обладает высокой разрывной прочностью и прочностью на раздир при воздействии знакопеременной нагрузки. Прочность материала в 2,5 раза выше, чем материала, изготовленного из чистого полиакрилонитрила, а эластичность в 20 раз выше.

Материал обладает высокой динамической сорбционной емкостью. Испытания показали, что при начальной концентрации паров бензола в воздухе 0,8 мг/л время защитного действия материала не менее 30 мин.

Высокая сорбция материала и наличие высокой капиллярности за счет присутствия наполнителя позволяют использовать его для очистки воды от нефтепродуктов. Материал сорбирует нефтепродукты в количестве до 45 кг на 1 кг материала, что делает пригодным его применение в технике защиты окружающей среды от вредных воздействий.

Благодаря применению аэродинамического формования растворов полимера, содержащих твердые сорбционные частицы, для получения нетканых холстов, технология получения многослойного сорбционно-фильтровального материала достаточно проста и позволяет варьировать свойствами материала в зависимости от вида наполнителя.