Влияние электретирования на деформационные и прочностные свойства бумажных фильтров

УДК 676.274:678.5

Л. Р. Мусина, М. Ф. Галиханов, А. Р. Нафикова

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРЕТИРОВАНИЯ НА ДЕФОРМАЦИОННЫЕ

И ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА БУМАЖНЫХ ФИЛЬТРОВ

Ключевые слова: фильтровальная бумага, фильтры обеззоленные, электретный эффект, разрыв, разрывная длина, модуль

упругости.

Исследовано влияние поверхностной обработки униполярным коронным разрядом на свойства фильтровальных бумаг. Установлено, что воздействие электрического поля способствует улучшению прочностных характеристик различных видов фильтровальных бумажных материалов при приложении нагрузки на разрыв. Приведены объяснения механизма воздействия коронного разряда на структуру бумаги.

Keywords: filter paper, de-crystallized filters, electret effect, breaking, breaking elongation, elasticity modulus.

The influence of surface treatment by unipolar corona discharge on the properties offilter papers was studied. It was found that the exposure of the electric field contributes to the improvement of the strength characteristics of various types offilter paper materials as the tensile stress is applied. The mechanism of corona discharge influence on the paper structure was explained.

Введение

Фильтровальные материалы представляют собой одну из важнейших составных частей фильтров. От их качества во многом зависит работа фильтровальных установок и качество получаемых фильтратов. Наиболее распространенными фильтровальными материалами являются: нетканые полимерные материалы, фильтровальные ткани, металлические сетки и т.п. Но, также во многих отраслях промышленности особое распространение получили фильтровальные виды бумаги и картона [1].

Ввиду постоянного роста потребления фильтровальных бумаг и картонов особое значение уделяется их качеству. К основным характеристикам фильтровальной бумаги относят тонкость фильтрации, характеристики пор и т.д. Но, при этом весьма актуальным является и изучение вопросов повышения механической прочности материала при воздействии различных видов нагрузок, понимание механизма разрушения. На сегодняшний день имеются исследования по изучению закономерностей изменения механических свойств от составных компонентов фильтровальной бумаги, ее поровой структуры, свойств очищаемой жидкости, воздуха, газов [1].

В данной работе предложен способ повышения механической прочности фильтровальных материалов на примере лабораторной фильтровальной бумаги и обеззоленных фильтров, которые изготовлены на основе фильтровальной бумаги, обработанных кислотной смесью. Обеззоливание производится путем обработки бумаги смесью кислот с последующими операциями нейтрализации аммиаком, многократной промывки дистиллированной водой, сушки и кондиционирования [2]. В основе предложенного способа улучшения свойств фильтровального материала лежит его обработка в постоянном коронном разряде (электретирование). Данный метод является одним из перспективных способов решения задач упрочнения структуры бумаги, который зарекомендовал себя при обработке многих других видов бумаги и картона [3-6]. В результате

действия постоянного коронного разряда бумажный материал становится источником постоянного электрического поля.

Таким образом, целью настоящей работы явилось изучение изменения прочностных и деформационных свойств электретированных бумажных фильтров.

Экспериментальная часть

В качестве объектов исследования в работе были использованы фильтровальная бумага (ФБ) марки ФС типа III по ГОСТ12026-76 и фильтры обеззоле-ные «Синяя лента» (ФО), выпускаемые по ТУ 6-091678-95.

Термическую обработку образцов проводили в термошкафу при 100оС в течение 600 с. Часть образцов подвергали воздействию электрического поля, которое проводилось в отрицательном коронном разряде при напряжении, подаваемом на корониру-ющий электрод в виде набора игл 30 кВ, в течение 30 с (ЭФБ, ЭФО).

Измерение потенциала поверхности Уэ, напряженности электрического поля Е и эффективной поверхностной плотности заряда аэф бумаги осуществляли компенсационным методом (экранирование приемного электрода) на приборе ИПЭП-1 через час после действия коронного разряда.

Для оценки качества исследуемых материалов использовалось комплексное изучение прочностных и деформационных характеристик материала при испытании на растяжение. Испытания проводились на разрывной машине ТЕСТСИСТЕМА 101*.

Результаты и их обсуждение

Механическая прочность является основным свойством для всех видов целлюлозно-бумажных

* Работа выполнена в инновационно-технологическом центре «Современные технологии переработки биоресурсов Севера» на базе Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова

материалов, в том числе и для фильтровальной бумаги. Механическая прочность при разных направлениях приложения нагрузки (разрыв, изгиб, про-давливание и т.д.) определяют во многом ее возможность сохранения целостности фильтрующего элемента в период эксплуатации [2]. Поведение материалов при механическом воздействии во многом складывается из способности к деформированию (жесткости при растяжении и разрыву). При этом на механическую прочность могут оказывать влияние прочность и длина волокон, характер переплетений, состав бумаги и т.п. [7].

В бумажной промышленности принято сопротивление бумаги разрыву характеризовать не только показателем разрывного груза, но и разрывной длиной бумаги, пределом прочности, разрушающем усилием, удельным сопротивлением разрыву и индексом прочности при растяжении [8]. Поэтому в данной работе был определен комплекс механических свойств материалов при разрыве. Результаты данных испытаний представлены в таблицах 1, 2. Анализ этих данных показывает, что электретирова-ние материалов ведет к увеличению всех прочностных показателей, характеризующих поведение бумажных фильтров при разрыве.

Объяснение наблюдаемого упрочнения элек-третированных образцов, можно объяснить с точки зрения их состава. Известно, что из всех видов бумаги и картона фильтровальные виды являются самыми гетерогенными по составу. В их составе помимо растительного сырья могут содержаться минеральные, синтетические и другие виды волокон, связующие, сорбенты [1]. Под действием поля коронного разряда в целлюлозно-бумажном материале происходит ориентация дипольных групп структурных элементов бумаги. Наличие ориентированного состояния элементов бумаги способствует увеличению сопротивления прочности при приложении разрывной нагрузки. При этом, во многих научных работах уже показано упрочняющее действие элек-третного эффекта для полимеров и особенно в волокнистых материалах на их основе [9, 10]. Наличие синтетических компонентов в составе материала усиливает проявление электретных свойств. Так, для фильтровальной бумаги Уэ, = 0,12 кВ, Е = 7,36 кВ/м, аэф = 0,063 мкКл/м2, а для обеззоленного фильтра Уэ, = 0,10 кВ, Е = 6,14 кВ/м, аэф = 0,053 мкКл/м2.

Таблица 1 - Результаты комплексных физико-механических испытаний фильтровальных материалов в машинном направлении

Наименование ФБ ЭФБ ФО ЭФО

показателей

Напряжение при 35,6 36,5 39,4 42,8

разрушении, МПа

Разрывная дли- 8100 8450 7100 7725

на, м

Жесткость при 540 550 565 615

растяжении, кН/м

Таблица 2 - Результаты комплексных физико-механических испытаний фильтровальных материалов в поперечном направлении

Наименование ФБ ЭФБ ФО ЭФО

показателей

Напряжение при 3,9 4,9 17 18,3

разрушении, МПа

Разрывная дли- 950 1150 3100 3350

на, м

Жесткость при 60 80 220 230

растяжении, кН/м

Если сравнивать фильтровальную бумагу с другими видами бумажных материалов важно отметить высокоразвитую пористую структуру (рис. 1), которая приводит к снижению сил связи между элементами структуры рассматриваемого материала. Воздействие на структуру бумаги коронного разряда приводит реализация сил электростатических связей между волокнами и другими структурными элементами в бумаге. Обработка фильтровальной бумаги в поле коронного разряда способствует росту сил связи между волокнами. С увеличением межволоконных сил связей в бумаге жесткость ее повышается. Предложенное обоснование изменения свойств при электретировании нашло подтверждение и на других видах целлюлозно-бумажных материалов [3-6].

б

Рис. 1 - Фотография поверхности обеззоленных фильтров с увеличением: а - 200*, б - 1000*

Заключение

Таким образом, результаты проведенных исследований доказали эффективность применения элек-третирования для увеличения прочности бумажных фильтров при воздействии на них растягивающих нагрузок. Это связано, во-первых, с ориентацией дипольных групп структурных элементов бумаги и, во-вторых, с увеличением межволоконных сил связей в фильтровальной бумаге.

Литература

1. Канарский А.В. Фильтровальные виды бумаги и картона для промышленных технологических процессов - М.: Экология, 1991. - 272 с.

2. Комаров В.И. Технология целлюлозно-бумажного производства. Т. II. Производство бумаги и картона. Ч. 2. Основные виды и свойства бумаги, картона, фибры и древесных плит / В.И. Комаров. Л.А. Галкина, Л.Н. Лаптев и др. - СПб.: Политехника, 2006. - 499 с.

3. Мусина Л.Р. , Галиханов М.Ф. Практические решения повышения физико-механических и барьерных свойств целлюлозно-бумажного материала с применением полимерного покрытия // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 2. - С. 86-90.

4. Перепелкина А.А., Галиханов М.Ф., Мусина Л.Р. Влияние термической обработки и электрофизического воз-

действия на сопротивление продавливанию целлюлозно-бумажного материала // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т.16, № 7. - С. 113-114.

5. Перепелкина А.А., Мусина Л.Р., Галиханов М.Ф. Модификация бумаги в целях повышения ее эксплуатационных свойств // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. - 2013. - № 6 (336). - С. 129-134.

6. Мусина Л.Р., Галиханов М.Ф. Применение поверхностной обработки и электретирования для увеличения показателей качества гофрированного картона // Химия растительного сырья. - 2012. - № 3. - С. 189-192.

7. Дубовый В.К. Лабораторный практикум по технологии бумаги и картона / В.К. Дубовый, А.В. Гурьев, Я.В. Казаков, В.И. Комаров и др. - СПб.: Изд-во Политехн. унта, 2006. - 230 с.

8. Комаров В.И. Деформация и разрушение волокнистых целлюлозно-бумажных материалов - Архангельск: Изд-во Архангельского государственного технического университета, 2002. - 440 с.

9. Кравцов А.Г., Зотов С.В., Самсонова А.С., Хван С.В., Короткий М.В. К вопросу устойчивости электретного заряда полимерных волокон в жидких средах // Пластические массы. - 2004. - №6. - С. 15-19.

10. Кравцов А.Г. Электретный эффект в волокнах на основе полипропилена обработанных коронным разрядом // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. - 2000. -Т. 42, № 6. - С. 1074-1077.

© Л. Р. Мусина - канд. техн. наук, доцент каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, e-mail: l.musina@yandex.ru; М. Ф. Галиханов - д-р техн. наук, профессор каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, e-mail: mgalikhanov@yandex.ru, тел. (843) 231-40-74; А. Р. Нафикова - студ. гр. 526-М3 той же кафедры, nafikova9494@mail.ru.

© L. R. Musina - candidate of Tech. Sciences, associate professor of polymers and composite materials of Kazan national research technological university, e-mail: l.musina@yandex.ru; M. F. Galikhanov - professor, Dr. Tech. Sci., professor of the Department of processing technology of polymers and composite materials of Kazan national research technological university, e-mail: mgalikhanov@yandex.ru, tel.: +7 (843) 231-40-74; A. R. Nafikova, student of group 526-M3, faculties of plastics and Composite Materials Technology, Processing and Certification of Kazan national research technological university, nafikova9494@mail.ru.