Фильтрующий пакет, способ получения мембраны для него и способ изготовления противоаэрозольного фильтра противогаза
FILTERING PACKAGE, METHOD FOR PRODUCING A MEMBRANE FOR IT AND METHOD OF MANUFACTURING A GAS MASK PARTICLE FILTER

Группа изобретений относится к области получения и применения фильтрующих материалов из нановолокон, предпочтительно используемых для сверхтонкой очистки воздуха от высокодисперсных аэрозолей в противоаэрозольных фильтрах противогазов и респираторов. Изобретения могут быть использованы при изготовлении противоаэрозольного фильтра противогаза.
В старых моделях противогазов в качестве противоаэрозольного фильтра использовался материал из асбесто-целлюлозного картона. Такой фильтр имеет сравнительно невысокую эффективность фильтрации мелкодисперсных аэрозолей, кроме того, его материал обладает канцерогенными свойствами. В современных моделях используют пакеты, обладающие более высокой эффективностью фильтрации (коэффициент проницаемости аэрозоля с диаметром частиц 0,3 мкм вплоть до 0,0002% при аэродинамическом сопротивлении порядка 200 Па). Однако дальнейшее снижение сопротивления даже вдвое ведет к резкому увеличению проницаемости (до 0,01%, противогаз М50, США). Как правило, состав фильтра и способ его изготовления в коммерческих документах и в открытой печати не приводятся.
Одной из технологических задач в области конструирования противогазов является способ укладки сравнительно большого по площади фильтрующего материала в компактную фильтрующе-поглощающую коробку. Как правило, плоский материал складывается в подобие «гармошки», и проблема заключается в том, чтобы такое устройство было механически прочным, легким, а дополнительные элементы не ухудшали фильтрационных характеристик. Существует ряд технических решений, направленных на преодоление подобных трудностей.
Известен, например, аэрозольный сорбирующий фильтр, который содержит корпус, в котором размещен зигзагообразно сложенный фильтровальный материал, в складки которого вставлены разделители-сепараторы из гофрированного алюминиевого листа. Фильтровальный материал выполнен из крупноволокнистого материала, содержащего высокодисперсный сорбент с высокопористыми частицами диаметром 1-100 мкм, упакованный в слои. Последний по ходу очищаемого потока воздуха слой в этом материале выполнен из тонковолокнистого материала и не содержит сорбента (см. патент на изобретение RU 2192914, МПК B01D 39/16, опубл. 20.11.2002).
Эффективность фильтрации в описании патента не приводится.
Известен аэрозольный фильтр, который содержит корпус и высокоэффективный фильтрующий материал, установленный герметично по поверхности соприкосновения с корпусом, выполненный из плиссированного листа с микроскладками, расположенными поперек основного потока воздуха и сформированными в макроскладки, набранными в один или более рядов по высоте фильтра. При числе рядов более одного они изолируются друг от друга по глубине фильтра непроницаемыми перегородками (см. патент на полезную модель RU 61585, МПК B01D 46/54, опубл. 10.03.2007).
2
2
Подробное описание химического состава фильтра и способа его изготовления встречается довольно редко. Так, например, известен патент RU 2529829, МПК A61L 15/22, опубл. 27.09.2014, в котором предлагается многослойный нетканый материал с полиамидными волокнами. Изобретение относится к медицине, конкретно к области нетканых материалов, предназначенных для изготовления одноразовых изделий медицинского и санитарно-гигиенического назначения, фильтровальных материалов. Описан нетканый материал, который состоит из нескольких слоев и включает скрепленные между собой путем точечного склеивания подложку с полиамидными нановолокнами, содержащими, по меньшей мере, одно антимикробное вещество, и защитный слой. Полиамидные слои могут быть фиксированы на подложке с помощью жидкого адгезива. В качестве подложки для нановолокон и защитного слоя используются нетканые волокнистые материалы с плотностью от 15 до 90 г/м: полипропиленовый, полиэфирный, целлюлозно-полиэфирный, целлюлозный или бумага. Полиамидные нановолокна содержат, по меньшей мере, одно антимикробное вещество в количестве от 0,4 до 35% от массы нановолокон из ряда: гуанидины, наночастицы металлов, стабилизированные соли серебра, соли четвертичных аммониевых оснований. Материал обладает антимикробной активностью до 100%, высокой воздухопроницаемостью до 1300 л/м ч, устойчив к разрывным нагрузкам.
Недостатком изобретения является то, что применимость фильтра для улавливания мелкодисперсных аэрозолей (частицы размером менее 0,4 мкм) в нем не рассматривается.
5
2
Известен способ получения фильтрующего материала (см. патент на изобретение RU 2385177, МПК B01D 39/16, опубл. 27.03.2010), включающий электроформование волокна из раствора высокохлорированного полиэтилена или высокохлорированного полипропилена (5,0-20,0 мас. %) при вязкости 3,5-5,0 Па и напряжении электроформования 60-140 кВ. При этом образуется фильтрующий материал, состоящий из слоя полидисперсных электрически заряженных ультратонких полимерных волокон с молекулярным весом (2-15)⋅10. С его использованием предложено средство для защиты органов дыхания, содержащее рабочий слой из полимерных волокон с диаметром 1-10 мкм, защитный слой из марли и фильтродержатель. Заявлено, что рабочий слой выполнен из волокон с поверхностной плотностью 20-50 г/м и сопротивлением потоку воздуха 3-60 Па при скорости потока воздуха 1 см/с. Фильтр используют в средствах для защиты органов дыхания в качестве рабочего слоя, нанесенного на подложку из аппретированной марли.
Недостатком описываемого материала является недостаточно высокая эффективность фильтрации аэрозолей (для лучших образцов коэффициент проницаемости 0,0004%). Кроме того, показано, что материал может быть применен в составе респиратора, но не упоминается его использование как противоаэрозольного фильтра для противогаза.
2
Известен нетканый материал, получаемый электростатическим формованием по капиллярной технологии на металлическом заземленном электроде, выполненном в виде цилиндра, из двух рабочих растворов полисульфона в дихлорэтане. 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 около 30 Па. Поверхностная плотность материала 27-29 г/м. Эффективность фильтрации по частицам диаметром 0,3 мкм более 99,999% (RU 2492912, МПК B01D 39/16, опубл. 20.09.2013). Изобретение может быть использовано при создании противоаэрозольных фильтров для средств индивидуальной и коллективной защиты органов дыхания. Материал также может использоваться в комбинации с другими материалами в качестве финишного слоя.
Недостатками данного материала и способа его получения являются недостаточная эффективность фильтрации при сверхтонкой очистке воздуха от наиболее опасных загрязняющих веществ, которая соответствует только фильтрам класса U15 (по ГОСТ Р 51251-99); необходимость применения токсичного дихлорэтана и использования двух прядильных растворов в недостаточно стабильной капиллярной технологии формования, что обусловливает технологическую и техническую сложность внедрения способа в производство. Кроме того, в патенте описан лишь фильтрующий материал; не показан принцип использования его в фильтрующе-поглощающей коробке противогаза и, как следствие, не приведены фильтрационные характеристики такого изделия.
2
Наиболее близким по технической сущности к достигаемому результату является изобретение, описанное в патенте RU 2524936, МПК B01D 39/16, опубл. 10.08.2014. Изобретение относится к области получения фильтрующих материалов для тонкой очистки воздуха и газовых сред. Фильтрующий 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/м. Защитные слои 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 галогенидов тетраэтиламмония и тетрабутиламмония. Для осуществления заявленного способа могут быть использованы устройства для электрокапиллярной технологии электроформования или устройства для технологии электроформования со свободной поверхности Nanospider.
Показано, что изобретение позволяет эффективно очищать газы при температурах до 350°С. В то же время очевидно, что наличие защитных слоев из нетканого кварцевого материала могло бы позволить изготовить противоаэрозольный фильтр и для применения в противогазах. Этому способствует сравнительно невысокое сопротивление потоку воздуха (20-40 Па). Однако эффективность фильтрации мелкодисперсных аэрозолей описываемым материалом при обычных условиях не приводится, а после выдерживания при температуре 350 С° она оказывается невысока (порядка 99,9%).
Технической проблемой настоящего изобретения является повышение эффективности фильтрации высокодисперсных аэрозолей нановолокнистым нетканым материалом до сверхвысокого уровня, разработка способа получения такого материала, сборки фильтрующего пакета на его основе и укладывания его в стандартную фильтрующе-поглощающую коробку противогаза.
Техническим результатом, полученным при реализации изобретения, является достижение значений эффективности фильтрации вплоть до 99,99999% для частиц диаметром 0,3 мкм при аэродинамическом сопротивлении не более 30 Па.
Поставленная техническая проблема решается фильтрующим пакетом, материалом для мембраны пакета, способом его получения, и способом изготовления противоаэрозольного фильтра противогаза на основе фильтрующего пакета.
Фильтрующий пакет содержит средний фильтрующий слой - мембрану, выполненную из нановолокон полиакрилонитрила и обеспечивающую роль фильтрующей составляющей, нижний слой, выполняющий роли армирующей подложки и предфильтра, выполненного из воздухопроницаемой фильтровальной бумаги, и покровной слой из спандбонда, предназначенный для предохранения фильтрующего слоя от негативного воздействия влаги.
Нановолокнистый фильтрующий слой получают методом электроформования при конкретно определенных технологических режимах и параметрах процесса, приведенных ниже.
Способ изготовления противоаэрозольного фильтра противогаза включает сборку фильтрующего пакета, с последующим гофрирированием ее с шагом 3 см и помещением в стандартную фильтрующе-поглощающую коробку противогаза, герметизируя силиконовым герметиком.
Изобретения поясняются фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 изображена схема противоаэрозольного фильтра, где позициями обозначены:
1 - покровный слой;
2 - мембрана;
3 - предфильтр.
На фиг. 2 изображен макет фильтрующего элемента в разрезе, где позицией 4 обозначен противоаэрозольный фильтр.
Для получения мембраны пакета осуществляют электростатическое формование полиакрилонитрильных нановолокон в электрическом поле высокого напряжения, равном 70 кВ, созданном за счет разности потенциалов между формующим и осадительным электродами, и одновременно укладывают образующееся нановолокно на движущуюся в межэлектродном пространстве нетканую подложку из плотного спанбонда с последующим переносом нановолокнистого слоя на предфильтр и накрывают слоем легкого полипропиленового спанбонда. Электроформование осуществляют из раствора полиакрилонитрила в диметилформамиде при концентрации полимера 13,0-13,5 мас. %, вязкости раствора 1,3…1,4 Па⋅с, температуре 30-35°С, относительной влажности 8-15% и расстоянии между формующим и осадительным электродами 170-180 мм.
2
2
При этом предфильтром служит непропитанная воздухопроницаемая фильтровальная бумага ВФБ 380 с поверхностной плотностью 100 г/м, на которую полиакрилонитрильную мембрану переносят с помощью аэрозольного клея «Permatex» с одновременным удалением нетканой подложки, использованной для электроформования, а покровным слоем - полипропиленовый спанбонд с поверхностной плотностью 15 г/м.
2
Получаемый фильтрующий материал представляет собой трехслойную композицию, в которой один из слоев (мембрана) выполнен из полимерных нановолокон и размещен между двумя слоями (покровным и предфильтром) и отличается тем, что полимерный слой выполнен из полиакрилонитрильных волокон диаметром 100-150 нм с поверхностной плотностью 1-2 г/м. Материал имеет следующие характеристики:
- эффективность фильтрации частиц диаметром 0,3 мкм не менее 99,99999%;
- воздухопроницаемость при перепаде давления 200 Па не менее 45 мм/с;
2
- масса единицы площади, равная 120-125 г/м.
При необходимости, фильтрующий материал настоящего изобретения может быть использован в комбинации с другими фильтрующими материалами или дополнен другими покрытиями или слоями, например, внутренним сорбционным слоем.
Противоаэрозольный фильтр из описываемого материала представляет собой пакет, имеющий гофрированную конструкцию (для помещения в фильтрующе-поглощающую коробку противогаза ГП5), имеет в развернутом состоянии форму эллипса с размерами осей 186,6×10,2 см и толщину не более 1 мм.
2
2
Фильтрующий материал получают на установке «Nanospider» NS LAB 200S или аналогичной. Проводят электроформование полимерных нановолокон в электрическом поле высокого напряжения, созданном за счет разности потенциалов между формующим и осадительным электродами, и одновременно укладывают образующееся нановолокно на движущуюся в межэлектродном пространстве нетканую подложку из плотного спанбонда. В качестве полимера используют полиакрилонитрил, формование осуществляют из раствора полиакрилонитрила в диметилформамиде. Полученный материал выдерживают на воздухе (сушат) при комнатной температуре в течение 24 часов. Изготовляемый таким образом нановолокнистый фильтрующий слой (мембрану) наклеивают аэрозольным клеем на непропитанную воздухопроницаемую фильтровальную бумагу ВФБ 380 с поверхностной плотностью 100 г/м. При этом одновременно удаляют нетканую подложку из спанбонда. Сверху мембрану накрывают полипропиленовым спанбондом с поверхностной плотностью 15 г/м. Полученный пакет выдерживают на воздухе (сушат) при комнатной температуре в течение 30-40 минут.
Изготавливают лекало из плотной бумаги или картона в форме правильного эллипса с размерами осей 186,6×10,2 см. С его помощью из фильтрующего пакета острыми ножницами вырезают заготовку. Складывают заготовку по линиям гофрирования в форме «гармошки». Из фильтровального картона вырезают полосу шириной 3,0 см достаточной длины и склеивают из нее кольцо с диаметром 10,2 см, соответствующим внутреннему диаметру фильтрующе-поглощающей коробки противогаза ГП5. Вкладывают в полученное кольцо фильтрующий пакет и герметизируют по периметру кольца силиконовым герметиком. Дают высохнуть на воздухе в течение суток.
Условия электроформования имеют существенное значение. Приведенные режимы получены по результатам экспериментов более чем на 200 образцах.
Так, при использовании растворов с концентрацией ниже 13 мас. % образуются более тонкие волокна с более плотной упаковкой, что приводит к существенному росту аэродинамического сопротивления. При концентрации выше 13,5 мас. % резко возрастает вязкость прядильного раствора, что приводит к образованию дефектов в структуре волокна в виде капель, вызывающих ухудшение эффективности фильтрации.
Предпочтительно формование осуществляют при температуре в зоне формования 30-35°С и относительной влажности 8-15%. Несоблюдение этих условий приводит к нестабильности процесса формования и получению неоднородного материала с неудовлетворительными фильтрационными характеристиками.
При формовании расстояние между формующим и осадительным электродами может составлять от 170 мм до 180 мм. При меньших расстояниях образуются волокна большего диаметра, эффективность фильтрования снижается. При расстояниях выше 180 мм получается материал, обладающий меньшим аэродинамическим сопротивлением, однако при этом снижается выход волокон из формовочного раствора.
Использование воздухопроницаемой фильтровальной бумаги позволяет получить достаточно жесткий материал, пригодный для гофрирования, в отличие от полимерных подложек типа спанбонда. Кроме того, такая бумага обладает высокой пылезадерживающей способностью, позволяющей нановолокнистой мембране служить лишь для фильтрации мелкодисперсных аэрозолей.
В совокупности всех отличительных признаков предлагаемого изобретения достигается заявленный технический результат, поскольку получен новый высокоэффективный противоаэрозольный фильтр из нетканого нановолокнистого материала, имеющий высокие фильтрационные характеристики.
Ниже приведен конкретный пример осуществления заявленного способа получения предложенного противоаэрозольного фильтра, обладающего указанными выше характеристиками.
Пример 1.
2
Готовят 13,5%-ный раствор полиакрилонитрила в диметилформамиде с вязкостью 1,4 Па⋅с (при 30°С) для получения нановолокнистого материала с массой единицы площади слоя 2,0 г/м.
2
Этот раствор наносится на поверхность заряженного струнного электрода при его вращении со скоростью 7,3 об/мин по технологии Nanospider при напряжении между электродами 70 кВ и при температуре в зоне формования 33°С и относительной влажности воздуха 8%. Образующиеся в поле высокого напряжения полиакрилонитрильные нановолокна укладывают на нетканую подложку из спанбонда (с поверхностной плотностью 90-100 г/м), движущуюся в межэлектродном пространстве на расстоянии 0,2 см от осадительного электрода со скоростью 0,13 м/мин. Расстояние между электродами составляет 170 мм. После извлечения полученного материала из установки его сушат при комнатной температуре в течение 24 часов.
2
Для предохранения от нежелательных механических воздействий нановолокнистую мембрану накрывают слоем полипропиленового спанбонда (с поверхностной плотностью 15 г/м). Для этого вырезают ножницами полотно спанбонда необходимого размера (на 3-5 см со всех сторон превышающего размер полотна нетканого материала). Разложив полотно на столе, в течение 6-8 с орошают его из баллончика универсальным аэрозольным клеем Permatex. Через 10-20 с наклеивают спанбонд на мембрану, аккуратно расправляя его и прижимая руками. Дают высохнуть в течение 30-40 минут.
Для изготовления противоаэрозольного фильтра изготавливают лекало из плотной бумаги или картона в форме правильного эллипса с размерами осей 186,6×10,2 см. Аккуратно накладывая лекало на готовый материал со стороны фильтровальной бумаги, шариковой ручкой обводят его по всему периметру. Затем острыми ножницами вырезают заготовку. Вручную складывают заготовку по линиям гофрирования в форме «гармошки». Из фильтровального картона вырезают полосу шириной 3,0 см достаточной длины и склеивают из нее кольцо с диаметром 10,2 см, соответствующим внутреннему диаметру фильтрующе-поглощающей коробки противогаза ГП5.
Вкладывают в полученное кольцо фильтрующий пакет и герметизируют по периметру кольца силиконовым герметиком. Дают высохнуть на воздухе в течение суток. Помещают полученный фильтр в корпус фильтрующе-поглощающей коробки противогаза ГП5.
2
Технический результат, полученный при реализации изобретения, состоит в получении высокоэффективного противоаэрозольного фильтра (эффективность фильтрации аэрозоля диоктилфталата с диаметром частиц 0,3 мкм составляет не менее 99,99999% при сопротивлении потоку воздуха при расходе 30 л/мин, равном 25…30 Па) с массой единицы площади фильтрующего пакета не более 125 г/м. Полученные значения показателей эффективности фильтрации, сопротивления потоку воздуха и поверхностной плотности свидетельствуют о достижении необходимого и достаточного уровня защитных свойств у материала, пригодного для изготовления высокоэффективного противоаэрозольного фильтра для противогаза.