Объемный фильтр из нетканого самонесущего материала
DEPTH FILTER FROM NONWOVEN SELF-SUPPORTED MATERIAL

Изобретение относится к области получения высокоэффективных фильтрующих материалов для очистки воздуха или газов и может быть использовано для изготовления объемных самонесущих фильтров, в частности, цилиндрической формы.
Известны фильтрующие нетканые материалы (см., например, патенты RU №№: 2418615, МПК B01D 39/16, опубл. 20.05.2011 г.; 2477165, МПК B01D 39/02, опубл. 10.03.2013 г.; 2477644, МПК B01D 39/00, опубл. 20.03.2013 г.; 2492912, МПК B01D 39/16, опубл. 20.09.2013 г.; 2524936, МПК B01D 39/16, опубл. 10.08.2014 г.), состоящие из слоя полиамидных нановолокон диаметром от 50 до 500 нм, полученных электроформованием, размещенного на нетканой подложке из полимерных микроволокон диаметром от 1 мкм.
Известные материалы могут быть использованы в фильтрах для высокоэффективной очистки воздуха или других газовых сред, однако имеют ряд недостатков. В частности, такие материалы не являются самонесущими, то есть могут быть использованы исключительно на каркасных конструкциях, например, в качестве респираторов или пробоотборных лент. Кроме того, вследствие однослойности, при изготовлении фильтров из таких материалов необходимо производить либо их плиссирование (для увеличения поверхности фильтрации), либо набирать определенное количество слоев (для получения фильтрации в объеме), не связанных между собой по площади соприкосновения, что в обоих случаях будет существенно снижать механическую надежность фильтров.
2
2
Наиболее близким по конструкции и достигаемым техническим результатам является трубчатый объемный фильтр (патент RU 2563273, МПК B01D 29/11, B01D 39/16, опубл. 20.09.2015 г.), состоящий из фильтрующих элементов, содержащих неплиссированное трубчатое кольцо из объемного материала, имеющего толщину по меньшей мере около 1/4 сантиметра и содержащего несущие волокна и тонкие волокна, при этом тонкие волокна являются полимерными; несущие волокна имеют средний размер примерно свыше 600 нанометров; и тонкие волокна имеют средний размер менее 800 нанометров и опираются на несущие волокна, в котором размер тонких волокон по меньшей мере в 4 раза меньше размера несущих волокон; несколько слоев тонких волокон расположено по толщине объемного материала, и объемный материал имеет заполнение тонкими волокнами, проходящими по толщине по меньшей мере 0,1 г/м и по меньшей мере около 10000 км/м.
Известный объемный фильтр является самонесущим, то есть не требует каркаса, и может эффективно использоваться при фильтрации воздуха или газов. Однако он имеет существенный недостаток, заключающийся в невозможности полноценного использования всего объема фильтра.
Данный недостаток обусловлен тем, что при прохождении через объем фильтра очищаемого воздуха (или газа) осаждение частиц происходит в первую очередь в слоях, прилежащих к поверхности, обращенной к набегающему потоку (для удобства формулирования назовем ее «поверхность входа»). Соответственно, при стандартном равномерном распределении слоев тонких волокон в объеме фильтра часть объема, прилежащая к поверхности входа, через определенное время «забивается», что приводит к снижению расхода воздуха через фильтр, либо к росту перепада давления на фильтре, если расход воздуха удерживается постоянным (фильтр подлежит замене). При этом часть объема фильтра, расположенная ближе к поверхности, через которую выходит очищенный воздух (назовем ее «поверхность выхода»), остается практически полностью работоспособной, то есть имеющийся ресурс пылеемкости фильтрующего материала полноценно не используется.
Кроме того, выполнение фильтра сборным из отдельных полос, накладываемых друг на друга и соединяемых между собой прессованием под действием высоких температур, либо термоспеканием связующих волокон (при их наличии в составе каждой полосы), создает в плоскостях соединения зоны повышенной плотности, требующие большего перепада давлений для прохождения через фильтр очищаемой среды.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является получение самонесущего фильтрующего материала объемной фильтрации, обеспечивающего очистку воздуха с определенным уровнем качества в течение длительного времени.
Техническим результатом изобретения является равномерное распределение в объеме фильтра загрязнений, улавливаемых в процессе очистки газов от примесей, и, как следствие, увеличение срока его эксплуатации с заявленными параметрами.
Технический результат достигается тем, что в объемном фильтре из нетканого самонесущего материала, состоящего из полимерных несущих волокон с диаметрами микроразмеров и встроенных в несущие волокна полимерных фильтрующих волокон с диаметрами наноразмеров, несущие волокна образуют связный трехмерный каркас фильтра, а фильтрующие волокна в объеме фильтра распределены таким образом, что их плотность в объеме фильтра различна и увеличивается от поверхности фильтра, обращенной к входящему потоку очищаемой среды к поверхности фильтра, через которую выходит очищаемая среда.
При этом отношение диаметров несущих волокон к диаметрам фильтрующих может быть не менее чем 50:1.
При этом толщина фильтра может составлять не менее 3 мм.
При этом фильтр может иметь форму полого цилиндра.
При этом фильтр может иметь форму призмы (материал является плоским).
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематически изображено продольное сечение фильтра цилиндрической формы; на фиг. 2 - схема технологической линии изготовления такого фильтра (вид сверху и сбоку); на фиг. 3 - раздув полимерной нити из экструдера (схематически).
Объемный фильтр 1 из нетканого самонесущего материала содержит несущие волокна 2 и фильтрующие волокна 3. Линия по изготовлению фильтра 1 цилиндрической формы содержит устройство 4 электроформования, экструдер 5 и намоточный барабан 6.
Изготовление заявляемого фильтра осуществляют следующим образом.
Несущие волокна 2 получают путем экструзии термопластичного полимера с последующим раздувом выдавливаемого из фильеры расплава коаксиальным вращающимся потоком воздуха на намоточный барабан 6. При этом средний диаметр несущих волокон 2 задается размером фильеры экструдера 5, через которую выдавливают расплавленную полимерную нить, характеристиками потока воздуха, раздувающего нить в несущие волокна 2, а также температурой материала нити на выходе из фильеры, и может варьироваться в диапазоне от 10 до 300 мкм. При этом следует отметить, что в более узком диапазоне (в пределах одного порядка) средний диаметр несущих волокон 2 можно регулировать только за счет изменения характеристик потока воздуха.
Получаемые при раздуве из расплавленной полимерной нити несущие волокна 2 осаждаются на намоточный барабан 6, который одновременно вращается и совершает возвратно-поступательные движения в направлении, перпендикулярном направлению падения волокон 2. В результате на намоточном барабане 6 формируется трехмерный цилиндрический каркас фильтра 1 из несущих волокон 2. Следует отметить, что осаждение несущих волокон 2 на намоточный барабан 6 производится в диапазоне температур, обеспечивающем монолитное термоскрепление между собой в процессе остывания минимум двух последовательно осаждаемых на барабан 6 слоев из волокон 2 и не позволяющем более горячему осаждаемому несущему волокну 2 глубоко проникать в ранее сформированный волокнистый материал (в частности, для полипропилена, волокно 2 в момент укладки на поверхность предыдущего слоя должно иметь температуру в пределах 180-250°C). Кроме того, изменением скорости вращения и возвратно-поступательных движений барабана 6, а также скорости осаждения на него волокон 2 возможно получение различной плотности каркаса фильтра 1 по толщине.
В отношении содержания предыдущего абзаца под термином «монолитное» понимается, что плотность каркаса фильтра 1 в зоне соединения соседних слоев волокон 2 приблизительна такая же, как и в самих слоях, то есть отсутствует выраженная граница - между соседними слоями осажденных волокон 2.
Одновременно с осаждением на намоточный барабан 6 несущих волокон 2 в получаемый из них слой при помощи устройства 4 осаждают фильтрующие волокна 3, полученные электроформованием волокнистых материалов (electrospinning), имеющие средний диаметр в диапазоне от 20 до 1000 нм. При этом скорость осаждения фильтрующих волокон 3 изменяют в течение всего времени изготовления фильтра 1 таким образом, чтобы их плотность в объеме фильтра 1 увеличивалась от поверхности фильтра 1, обращенной к входящему потоку очищаемой среды к поверхности фильтра 1, через которую выходит очищаемая среда. В случае если эксплуатация фильтра предполагает направление потока очищаемой среды изнутри  наружу, скорость осаждения волокон 3 в процессе изготовления увеличивают, иначе - уменьшают.
Контролируемое изменение скорости осаждения фильтрующих волокон 3 в объем несущих волокон 2 позволяет получать фильтр 1, имеющий локальную по толщине фильтрующую способность, увеличивающуюся в объеме фильтра 1 в направлении прохождения очищаемой среды через него.
Расчеты и последующие проведенные испытания показали, что наиболее равномерно осаждение загрязнений в объеме фильтра 1 происходит в случае, когда функция распределения плотности фильтрующих волокон 3 в материале фильтра 1 по толщине является гиперболической (либо сходной с ней).
Изготовление заявляемого фильтра, имеющего форму призмы (материал является плоским), производят аналогичным образом, используя вместо намоточного барабана 6 двусторонний поворотный стол для осаждения. В этом случае на одну поверхность стола осаждают несущие волокна 2, а на другую - фильтрующие волокна 3. После получения на каждой из поверхностей стола слоев заданных размеров стол поворачивают вокруг поперечной оси на 180° и продолжают процесс осаждения волокон 2 и 3 на соответствующих сторонах. После окончания процесса изготовления на каждой из поверхностей поворотного стола получают кусок фильтрующего материала заданной толщины, из которого любым известным способом (например, разрезанием) можно получить определенное количество фильтров с плоскопараллельными основаниями необходимых размеров и формы.
Заявляемый объемный фильтрующий материал является самонесущим и обеспечивает стабильно высокое качество очистки воздуха или газов в течение длительного времени.