ФИЛЬТРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ
FILTRATION MATERIAL

Изобретение относится к прикладной химии, а именно к фильтрующим материалам (ФМ) на основе природного песка, предназначенным для фильтров для очистки высокотемпературных газов от мелкодисперсных частиц и шлаковых образований в газогенераторах на твердых топливах (ГГТТ), используемых в средствах оперативного наддува различных спасательных устройств (спасательных лодок, плотов, оболочек аварийного подъема из водных глубин различных объектов и т.п.), для использования в качестве источника сжатого газа в различных исполнительных механизмах (газовых домкратах, в устройствах аварийного перекрытия газо- и нефтепроводов и т.д.), для средств газового пожаротушения (электронных шкафов связи и управления, помещений с ценными материалами, важными документами и т.д.) и во многих других областях.
2
Основными характеристиками указанных ФМ, определяющими работоспособность и эффективность фильтров и газогенераторов в целом, являются пористость, газопроницаемость и размер пор. Чем выше пористость и газопроницаемость материала (и, соответственно, ниже газодинамическое сопротивление) и меньше размер пор (и, соответственно, меньше размер улавливаемых им частиц в фильтруемом газе), тем эффективнее ФМ. Важную роль для ФМ, используемых в фильтрах ГГТТ, играют также такие характеристики, как термостойкость, прочность и деформативность. Чем выше температура плавления и разложения, чем больше прочность при сжатии и ниже деформативность, тем эффективнее ФМ. Это обусловлено особенностью функционирования фильтров в газогенераторах на твердых топливах, которая заключается в том, что они должны работать в условиях высоких температур фильтруемого газа (примерно от 300 до 800°C, а в некоторых случаях и выше), больших перепадов давления на фильтре (от десятков до сотен кгс/см) и относительно больших газорасходов (от единиц до сотен литров в секунду). Под действием указанных факторов в процессе работы ГГТТ используемые в фильтрах ФМ могут плавиться, разлагаться и деформироваться, соответственно, уменьшая размер пор, пористость и газопроницаемость фильтра, что может приводить к скачкам внутрикамерного давления, неуправляемым изменениям режима газорасхода и другим аномальностям в работе ГГТТ, а в некоторых случаях - к его разрыву. Поэтому для исключения таких эффектов ФМ должен иметь температуру плавления и разложения выше температуры фильтруемого газа и высокую прочность при отсутствии (или низкой величине) деформации при перепадах давления на фильтре, реализуемых в ГГТТ. Возможность применения ФМ в фильтрах твердотопливных газогенераторов зависит также от их стоимости, доступности сырья, технологичности, стабильности и ряда других факторов.
К настоящему времени в мире разработано и используется в практике большое количество различных ФМ. Однако основная масса из них имеет или низкие температуры плавления и разложения (фильтровальные ткани, нетканные волокнистые среды, намывные слоевые материалы, насыпные фильтрующие слоевые материалы и другие ФМ, состоящие из органических соединений или содержащие таковые) или весьма малую газопроницаемость, низкую прочность, относительно большую деформативность и высокую стоимость (фильтрующие обратноосмотические мембранные материалы, анизотропные гиперфильтрационные материалы, ультрапористые материалы и т.п.), или весьма большие размеры пор (высокопористые ячеистые материалы (ВПЯМ), пористые сетчатые материалы (ПСМ), металлические и полимерные сетки и т.п.), или способность к расслоению по размерам и плотности с неуправляемым изменением газопроницаемости при вибрационных воздействиях (насыпные порошкообразные и зерненные ФМ), или высокую токсичность (ФМ на основе асбеста) и, как правило, предназначена для фильтрации либо жидкостей, либо газов и парообразных веществ и их смесей при нормальных или близких к нормальным условиях. Поэтому по своим свойствам указанные ФМ не могут применяться в фильтрах твердотопливных газогенераторов.
В настоящее время известен ряд ФМ моноблочного вида на основе природного песка, применяемых в фильтрах газогенераторов на твердых топливах, свидетельство РФ на полезную модель №28223 (опубл. 10.03.2003 г.), заявка на изобретение РФ №2005137240 (опубл. 10.08.2007 г.).
Эти ФМ уступают в прочности наилучшим известным фильтроматериалам из стали, никеля, латуни и других металлов и сплавов (пористым проницаемым материалам, ППМ). Но имеют преимущества по ряду других характеристик. В частности, они имеют больший уровень пористости и газопроницаемости при приемлемом размере пор. Важно отметить, что ФМ этого вида используются в применяемых в практике газогенераторах на твердых топливах и подтвердили свою работоспособность при воздействиях всего комплекса факторов, присущих работе ГТТТ. Кроме того, они включают более доступные и на порядок более дешевые компоненты и существенно более технологичны, позволяя простыми способами изготавливать из них фильтры различных форм и размеров.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является фильтрующий материал по свидетельству РФ на полезную модель №28223, принятый за прототип, включающий природный песок, новолачную фенолформальдегидную смолу (НФФС).
-ll
-9
2
2
Испытания образцов из этого ФМ показали, что они имеют размер пор - от 0,1 до 0,5 мм, пористость - от 38 до 57%, коэффициент газопроницаемости - от 9·10дo 1·10 м, механическую прочность - на уровне 19-34 кгс/см, относительную деформацию - на уровне 2,3-5,8% температуру разложения - на уровне 400-420°C (при этом дальнейшее повышение температуры до 600°C не ухудшает свойств ФМ: связующее закоксовывается, обеспечивая цельность и сохранение пористости, газопроницаемости и механических свойств ФМ).
Однако при всех своих достоинствах ФМ по прототипу имеет существенный недостаток, заключающийся в больших разбросах величин основных характеристик как по объему отдельного образца, так и между отдельными образцами: размер пор может изменяться - в 5 раз, пористость - в 1,5 раза, коэффициент газопроницаемости - в 11 раз, прочность - в 1,8 раза, деформация - в 2,5 раза. Такие разбросы указанных характеристик фильтров при работе ГГТТ могут приводить к большим разбросам давления в камере сгорания, режимов газорасхода и времени работы, а в некоторых случаях, при превышении давления выше предельно допустимого, - к разрыву ГГТТ.
Применение ФМ по прототипу в фильтрах ГГТТ в указанных областях применения ведет к увеличению массогабаритных параметров ГГТТ, создает опасность невоспроизводимости времени срабатывания средств спасения, исполнительных механизмов и средств пожаротушения, несанкционированных режимов работы этих устройств и их ненадежности, а разрыв ГГТТ от скачка давления приводит не только к несрабатыванию описанных средств, но и к дополнительной угрозе жизни людей, прибегшим в аварийной ситуации к этим средствам, от осколков ГГТТ.
Указанные обстоятельства делают невозможным использование ФМ по прототипу во многих областях применения либо приводят к ухудшению основных показателей устройств на базе такого ФМ в областях, где возможно его применение. В целом, это ведет к сужению диапазона областей применения фильтрующего материала.
Задачей предлагаемого изобретения является создание рецептуры фильтрующего материала на основе природного песка, обеспечивающей высокие эксплуатационные свойства и расширение диапазона областей его применения и номенклатуры устройств за счет существенного снижения разбросов основных характеристик при одновременном сохранении достоинств ФМ на уровне прототипа.
Поставленная задача решается предлагаемым фильтрующим материалом, включающим природный песок и новолачную фенолформальдегидную смолу. Особенность заключается в том, что материал содержит уротропин (гексаметилентетрамин), а природный песок используют фракции 0,2-0,5 мм, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
новолачная фенолформальдегидная смола
2,5-4,0
уротропин
0,25-0,4
природный песок фракции 0,2-0,5 мм
остальное
Природный песок в заявляемой рецептуре ФМ в отличие от прототипа, в котором он используется в качестве мелкодисперсной добавки, является основным твердым, дисперсным наполнителем, обеспечивающим построение пористой структуры фильтрующего материала и уровень его основных характеристик: пористости, размера пор и газопроницаемости. Одновременно он выполняет функцию теплопоглощающей добавки и в сочетании со связующим - НФФС - и его отвердителем - уротропином - обеспечивает уровень механических характеристик ФМ. Расширение используемой фракции песка как в сторону уменьшения нижней границы допустимых размеров частиц (менее 0,2 мм), так и в сторону увеличения верхней границы допустимых размеров частиц (более 0,5 мм) приводит к снижению газопроницаемости ФМ (Таблица). Увеличение содержания песка в рецептуре свыше 97,5% за счет соответствующего уменьшения содержаний НФФС и уротропина (из-за отсутствия других компонентов в рецептуре) ведет к резкому снижению прочности ФМ, а уменьшение его содержания менее 95,6% за счет соответствующего повышения содержаний других указанных компонентов вызывает увеличение разбросов размера пор и снижение газопроницаемости материала (Таблица).
Новолачная фенолформальдегидная смола в рецептуре материала выполняет роль связующего, обеспечивающего технологические и механические свойства материала. Уменьшение процентного содержания НФФС менее 2,5% вызывает существенное ухудшение прочности материала (Таблица). При этом резко ухудшаются технологические свойства материала. Увеличение ее содержания свыше 4,0% ведет к резкому снижению газопроницаемости (Таблица).
Уротропин является отвердителем фенолформальдегидной смолы и, при нагревании смеси смолы с указанным соединением до 120-150°C, обеспечивает повышение прочности и уменьшение деформативности ФМ. Оптимальное соотношение массовых долей между уротропином и НФФС составляет примерно 10/90. Уменьшение содержания уротропина в рецептуре менее заявляемого предела (0,25%) приводит к значительному снижению прочности материала. Увеличение содержания его более 0,4% нецелесообразно ввиду того, что при этом прочность ФМ практически не повышается (Таблица). То есть происходит насыщение рецептуры отверждающим агентом и избыточный уротропин не участвует в реакциях отверждения смолы.
Все компоненты заявляемого ФМ имеют хорошие эксплуатационные и технологические свойства, нетоксичны или малотоксичны, химически совместимы друг с другом, широкодоступны и дешевы.
Технология приготовления заявляемого ФМ и изготовления из него фильтров проста и использует широко применяемые в технике способы и оборудование. Она включает в себя следующие операции: очистку от инородных примесей, сушку и выделение на ситах требуемой фракции природного песка, приготовление смеси порошков НФФС с уротропином в требуемом по рецептуре соотношении, приготовление раствора указанной смеси в этиловом спирте, смешение песка фракции 0,2-0,5 мм и приготовленного раствора в требуемом по рецептуре соотношении, формование навески приготовленной смеси компонентов в прессформе при небольшом давлении (2-10 кгс/см) и нормальной температуре (оптимальное давление подпрессовки зависит от качества компонентов, массы и размеров изделия и подбирается опытным путем для каждого вида изделия), отверждение изделия в прессформе при температуре 130-150°C под небольшим вакуумом (остаточное давление менее 0,9 атмосферного давления), выпрессовку изделия из прессформы и конечные операции (дефектоскопию и определение характеристик).
В таблице приведены характеристики заявляемого ФМ для различного процентного содержания компонентов в сравнении с прототипом.
Компонены
Массовая доля компонента в рецептуре ФМ, мас.%
Выход за пределы
Заявляемые пределы
Выход за пределы
Прототип
1
2
3
4
5
Теплопоглощающая добавка (песок керамзитовый или щебеньфракции 0,63-5 мм), мас.%
-
-
-
-
-
30-70
Новолачная фенолформальдегидная смола, мас.%
2,0
2,5
3,2
4,0
4,5
4-11
Мелкодисперсный компонент (песок речной фракции 0,14-0,63 мм или шлифзерно электрокорунда фракции 0,2-0,25 мм), мас.%
-
-
-
-
-
остальное
Уротропин, мас.%
0,2
0,25
0,32
0,4
0,45
-
Твердый наполнитель
природный песок, мас.%:
- фракция 0,2-0,5 мм
97,25
96,48
95,6
-
- фракция 0,1-0,5 мм
97,8
-
- фракция 0,2-0,63 мм
95,05
-
Характеристика
Значение характеристики
Размер пор (не менее 80%), мм
0,1-0,2
0,1-0,2
0,1-0,2
0,1-0,2
0,1-0,3
0,1-0,5
Пористость, %
42,8
43,3
43,9
44,5
45,2
38-57
Коэффициент газопроницаемости. К<sub>г</sub>, м<sup>2</sup>
5·10<sup>-10</sup>
9·10<sup>-9</sup>
6·10<sup>-9</sup>
2·10<sup>-9</sup>
9·10<sup>-10</sup>
от 9·10<sup>-10</sup>
до 2·10<sup>-9</sup>
Прочность при сжатии, σ<sub>сж</sub>, кгс/см<sup>2</sup>
7,1
38,2
44,1
47,6
47,6
19-34
Относительная деформация при сжатии, беж, %
1,2
2,1
2,9
3,2
3,3
2,3-5,8
Температура разложения, Т<sub>р</sub>, °С
410
410
405
405
405
400-420
-9
-10
2
2
Рецептуры №№2, 3, 4 показали оптимальные результаты. Они имеют следующие характеристики: размер пор - от 0,1 до 0,2 мм, пористость - от 43,3 до 44,5%;, коэффициент газопроницаемости - от 2·10 до 9·10 м, механическую прочность - от 38,2 до 47,6 кгс/см, относительную деформацию - от 2,1 до 3,2%, температуру разложения - от 405 до 410°С (при этом дальнейшее повышение температуры до 600°С не ухудшает свойств ФМ: связующее ФФС закоксовывается, обеспечивая цельность, сохранение пористости и газопроницаемости и повышение прочности образца).
Важным преимуществом заявляемого ФМ по сравнению с прототипом является существенное снижение разбросов основных характеристик: размера пор - в 2,5 раза, пористости - в 1,46 раза, коэффициента газопроницаемости - в 2,4 раза, прочности - в 1,33 - раза, деформации - в 1,66 раза. По уровню газопроницаемости и прочности заявляемый ФМ превосходит прототип, по остальным характеристикам находится на том же уровне.
Сравнение заявляемого ФМ с прототипом показывает, что они содержат два одинаковых компонента: природный песок и фенолформальдегидную смолу. Но заявляемый ФМ дополнительно включает новый компонент - уротропин - и имеет существенно отличающиеся процентные содержания компонентов и дисперсность твердого наполнителя.
Анализ источников информации показал, что в технике известно применение уротропина в качестве компонента лекарственных препаратов, твердого горючего, исходного сырья в химической промышленности при получении многих химических соединений, отвердителя некоторых фенолоальдегидных смол, фунгицида, ингибитора коррозии, антисептического средства и исходного продукта в производстве некоторых взрывчатых веществ (например, Химическая энциклопедия. T.1. / Под ред. И.Л.Кнунянц // Советская энциклопедия. - М., - 1988 г.). В фильтрующих материалах уротропин ранее не использовался.
Сравнение заявляемого ФМ с прототипом и известными аналогами показывает, что в технике отсутствует фильтрующий материал, в котором имело бы место предложенное сочетание компонентов. Но именно такое их сочетание обусловило решение поставленной задачи по созданию фильтрующего материала на основе природного песка, обеспечивающего высокие эксплуатационные свойства и расширение диапазона областей его применения и номенклатуры устройств, в которых он может быть использован, за счет существенного снижения разбросов основных характеристик и улучшения прочности и газопроницаемости при одновременном сохранении достоинств ФМ на уровне прототипа.
Использование предлагаемого ФМ в фильтрах ГГТТ позволяет существенно уменьшить разбросы основных характеристик (внутрикамерного давления, режимов газорасхода, времени выхода на режим, основного времени работы и других характеристик), за счет этого уменьшить массогабаритные параметры газогенераторов, повысить удельную газопроизводительность с единицы массы и объема, повысить надежность и безопасность ГГТТ и устройств на их базе и тем самым значительно расширить диапазон областей применения и номенклатуру устройств, в которых он может использоваться.
Заявляемый фильтрующий материал не вызывает затруднений при изготовлении из него фильтров. Используемый в нем песок широко распространен в природе, а все другие компоненты производятся промышленностью, доступны и дешевы.
Фильтры из заявляемого ФМ прошли огневые испытания в ряде модельных газогенераторов и подтвердили свою эффективность.