ФИЛЬТРОСОРБИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ
FILTERING AND SORBING MATERIAL

Изобретение относится к отрасли целлюлозно-бумажной промышленности, в частности к производству фильтросорбирующего материала, используемого в средствах индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) для очистки воздуха от паров и аэрозолей аварийных химических опасных веществ (АХОВ), а именно аммиака, хлора, цианистого водорода, хлорциана, диметиламина, соединений тиоэфиров (сульфидов) и т.д.
Известен фильтровальный материал для защиты органов дыхания преимущественно от токсичных аэрозольных веществ (патент RU 2151628 С1). Композиция для изготовления фильтровального материала содержит смесь микротонких стеклянных волокон различного диаметра, хлопковую целлюлозу и активный уголь в количестве 20-30 мас.%.
Основными недостатками фильтровального материала на основе микротонких стеклянных волокон является значительное сопротивление потоку воздуха (от 63 до 74 Па), что не отвечает современным требованиям к СИЗОД, и недостаточная сорбционная емкость материала при введении сорбента от 20 до 30 мас.%.
Известен также фильтросорбирующий элемент, выполненный в виде лицевой маски и состоящий из сложенных слоев. Фильтросорбирующий элемент содержит слои тканных и нетканых активированных углеродных волокон. Слои отделены один от другого частицами, содержащими термопластический материал, например поливинилхлорид, полиэтилен и активированный уголь, и соединены по крайней мере с одним из соседних слоев. Фильтросорбирующий элемент может иметь слой стекловолокна и в качестве армирующего - сетчатый холст из хлопка (заявка №1476761, Великобритания, МКИ В01D 46/00, 48/10, 46/52).
Используемая в данной лицевой маске в качестве сорбционного слоя адсорбционная ткань из активированных углеродных волокон характеризуется высокими сорбционными свойствами. Однако такая ткань имеет низкую прочность, что затрудняет ее использования при изготовлении многослойных материалов, а значительная стоимость адсорбционной ткани неприемлема при создании СИЗОД широкого применения в условиях катастроф.
Кроме того слабой стороной такой лицевой маски является закрепление сорбента (активированного угля) с помощью полимерных соединений, что приводит к потере сорбционной емкости и резкому снижению физиолого-гигиенических свойств.
Наиболее близким к предложенному материалу по технической сущности и достигаемому результату является фильтросорбирующий материал (прототип) для средств индивидуальной защиты органов дыхания от паров и аэрозолей АХОВ, содержащий волокна целлюлозы, наполненные высокодисперсным активированным углем и проклеенный связующим (патент RU 2281798 С2).
Способ изготовления данного материала включает в себя приготовление композиции из смеси целлюлозы сульфатной небеленой со степенью помола 28±2°ШР и целлюлозы мерсеризованной с введением в массу активированного угля смесового состава, проклейку композиции связующим, отлив материала и сушку его.
Основными недостатками сорбирующего материала - прототипа являются его недостаточная прочность и эластичность, что в практическом применении снижает срок эксплуатации готовых изделий - респираторов, защитных капюшонов и других дыхательных устройств.
Кроме того, несмотря на большой спектр опасных химических веществ, от которого данный материал обеспечивает защиту, при использовании его в СИЗОД остается открытым вопрос обеспечения защиты от серосодержащих соединений, а в частности соединений тиоэфиров (сульфидов).
Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в получении эластичного, хорошо драпируемого фильтросорбирующего материала для СИЗОД с высокими физико-механическими и адсорбционными свойствами при низком аэродинамическом сопротивлении дыханию.
Фильтросорбирующий материал изготавливали известным в целлюлозно-бумажной промышленности способом из сульфатной небеленой целлюлозы с введением в массу высокодисперсного угля и связующего.
Согласно предлагаемому методу получения материала поставленная задача решается введением на стадии размола небеленой сульфатной целлюлозы (степень размола 20±2°ШР) полимерных волокон в количестве 5…10% от общей массы в композицию фильтросорбирующего материала. Далее продолжается размол до 28±2°ШР.
Высокие адсорбционные свойства фильтросорбирующего материала обеспечиваются использованием в качестве поглотителя (до 45 мас.%) механической смеси высокодисперсных угля-катализатора типа КТ и газового угля типа СКТ, распределенной и зафиксированной в объеме материала при отношении объема угля-катализатора типа КТ к объему газового угля типа СКТ как 1,15:3,5, либо как 3:1, а также обработкой бумажного полотна пропиточным раствором, содержащим смесь катализаторов и хемосорбентов, на основе галогенидов металлов переменной валентности - хлоридов никеля (II), железа (III), меди (II).
Отличием предлагаемого изобретения от известных является:
1. Наличием в композиции фильтросорбирующего материала полимерных (полипропиленовых) волокон, добавление которых происходит на стадии размола небеленой сульфатной целлюлозы.
2. Пропиткой фильтросорбирующего материала раствором смеси катализаторов и хемосорбентов на основе галогенидов металлов переменной валентности.
Добавление в композицию полипропиленовых волокон на стадии размола небеленой сульфатной целлюлозы имеет очень важное значение, так как этим достигается хорошая фибриляция полимерных волокон (расщепление на более тонкие волоконца) и равномерное распределение их в угольно-целлюлозной массе. Совместный с целлюлозой размол полимерных волокон от степени помола 20±2 до 28±2°ШР позволил оптимизировать процесс их введения при получении фильтросорбирующего материала.
При введении полимерных волокон в ролл одновременно с небеленой сульфатной целлюлозой с самого начала размола (от степени помола 15…16°ШР) и совместном размоле до достижения степени помола 28±2°ШР значительно повышается плотность материала и, соответственно, аэродинамическое сопротивление потоку воздуха, что недопустимо для СИЗОД.
Введение полимерных волокон в конце размола не позволяет волокнам равномерно распределиться в угольно-целлюлозной массе. При этом волокна распределяются пучками, что приводит к налипанию полотна к горячей поверхности при термопластификации и, в целом, ухудшает качество фильтросорбирующего материала.
Пропитка фильтросорбирующего материала раствором смеси катализаторов и хемосорбентов на основе галогенидов металлов переменной валентности позволяет придать материалу высокие сорбционные свойства по отношению к парам соединений тиоэфиров. Известно, что за счет ненасыщенности атома серы сульфиды способны образовывать с галогенидами металлов переменной валентности комплексные соединения, представляющие собой кристаллические продукты, не растворимые в воде. Данное обстоятельство позволяет рассматривать галогениды металлов переменной валентности в качестве активных хемосорбентов для улавливания паров тиоэфиров.
Пропитка фильтросорбирующего материала, принципиальная схема которой приведена на чертеже, осуществлялась в сушильной части бумагоделательной машины «Фойт» после отлива угольно-целлюлозной композиции, слабой запрессовки и сушки при температуре 80…95°С. Полотно материала (1), проходящее через правильные валики (2), поступает в зону пропитки (3) на пропиточный рефленный вал (4), который вращается полотном материала за счет натяжения, и далее на сушильный цилиндр (5). Объем пропиточного раствора в пропиточной ванне (6) составляет 7 литров, концентрация пропиточного раствора - 30%, в том числе: хлорид никеля (II) - 10%, хлорид железа (III) - 10%, хлорид меди (II) - 10%. В результате пропитки привес катализаторов на фильтросорбирующем материале составляет около 3%.
2
2
Далее материал подвергали термопластификации на гладком горячем цилиндре с электрообогревом при температуре 180…200°С и минимальном давлении прижима - 0,1…0,2 кгс/см. Основная цель термопластификации при минимальном давлении (0,1…0,2 кгс/см) - прогреть без давления сжатое полотно материала до 180…200°С, создавая тем самым условия для скрепления термоплавких волокон. При этом материалу придается эластичность, гибкость, хорошая драпируемость, что очень важно для изготовления дыхательных устройств различной конфигурации - респираторов, капюшонов и т.д.
Применение при изготовлении фильтросорбирующего материала добавления в композицию полимерных волокон на стадии размола небеленой сульфатной целлюлозы, а также пропитка материала раствором смеси катализаторов и хемосорбентов на основе галогенидов металлов переменной валентности из научно-технической литературы авторам неизвестно.
Оценку свойств заявляемого образца фильтросорбирующего материала осуществляли по утвержденным методикам.
Время защитного действия по парам аммиака, хлора, гидразина, диметиламина и тиоэфиров определяли на модельном пакете материалов следующего состава:
покровный слой;
сорбционный слой;
гигиенический слой.
В качестве сорбционного слоя был испытан образец заявляемого материала.
Результаты испытаний защитных и физико-механических свойств заявляемого материала, а также значения соответствующих свойств материала-прототипа приведены в таблице.
Ввиду того что композиционный состав материала-прототипа может содержать различное соотношение компонентов (см. описание материала-прототипа), для проведения сравнения определяемых характеристик в таблице для материала-прототипа приведен интервал возможных значений.
Таблица
Защитные и физико-механические свойства фильтросорбирующих материалов
Показатели, характеризующие прототип и заявляемый материал
Материал-прототип
Заявляемый фильтросорбирующий материал
Масса 1 м, г
127…131
129
Толщина, мм
0,46…0,49
0,49
Разрушающее усилие при растяжении в машинном направлении, Н
7,7…12,2
14,5
Влагопрочность, %
29…30
30
Сопротивление потоку воздуха, Па
2,9…3,9
3,0
Время защитного действия по парам АХОВ, мин,
исходного материала:
аммиак
5…17
15
хлор
49…73
70
диметиламин
15…30
25
гидразин
10…25
25
диметилсульфид
Менее 10
31
этиленсульфид
Менее 10
28
Время защитного действия по парам АХОВ, мин,
материала после 120 часов эксплутационной носки:
аммиак
----
14
хлор
----
61
диметилсульфид
----
27
этиленсульфид
----
24
Примечание:
1. Воздействующие концентрации АХОВ, мг·л<sup>-1</sup>, взяты в соответствии с ГО.СТ Р 22.9.09.-05:
аммиак-0,1;
хлор - 0,36;
диметиламин - 0,2;
гидразин - 0,04.
2. Воздействующие концентрации диметилсульфида и этиленсульфида составляли 0,1 мг·л<sup>-1</sup>.
3. «----» - означает отсутствие данных.
Как следует из приведенных в таблице данных, фильтросорбирующие материалы имеют близкие значения массы 1 м, толщины и сопротивления дыханию. При этом заявляемый материал характеризуется более высокими прочностными свойствами и обеспечивает эффективную защиту от паров АХОВ. При этом по защитным свойствам по парам аммиака, хлора, гидразина, диметиламина заявляемый материал находится на уровне прототипа, а по парам тиоэфиров - значительно превосходит. Кроме того, следует отметить, что заявляемый материал сохраняет свои защитные свойства (при небольшом снижении) и после эксплутационной носки в течение 120 часов, что свидетельствует о высоких физико-механических свойствах и хорошей эластичности.
Главным преимуществом предлагаемого изобретения является получение эластичного, хорошо драпируемого фильтросорбирующего материала для СИЗОД с высокими механическими и адсорбционными свойствами при низком аэродинамическом сопротивлению дыханию. Использование неселективного сорбента, усиленного катализаторами и сорбентами на основе хлоридов никеля (II), железа (III), меди (II), обеспечивает высокие адсорбционные свойства, а введение в угольно-целлюлозную композицию полипропиленовых волокон на стадии размола небеленой сульфатной целлюлозы обеспечивает высокие механические свойства заявляемого фильтросорбирующего материала.