ФИЛЬТРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ
FILTER MATERIAL

Область техники
Изобретение относится к фильтрующему материалу, в частности материалу для гидравлических фильтров, например масляных фильтров, содержащему, по меньшей мере, один отдельный слой композитного материала из стекловолокна и углеродных волокон. Кроме того, изобретение относится к фильтрующему элементу с таким фильтрующим материалом.
Уровень техники
Фильтрующие материалы применяются в различных вариантах исполнения для удаления частиц пыли из потока газа, загрязненного пылью, или для удаления других твердых частиц из потоков текучих сред. Подлежащие удалению загрязнения в виде частиц нарушают ход промышленных процессов и ускоряют износ машин и оборудования. Кроме того, они могут ухудшать здоровье и самочувствие.
Такие фильтрующие материалы используются в фильтрующих элементах разных типов с целью формирования чаще всего многослойной фильтрующей среды. Соответствующие фильтрующие материалы предназначены не только для удаления частиц в текучих средах, но и, в частности, для устранения электрического потенциала среды. Обнаружилось, что при прохождении потока через фильтрующий материал фильтра может возникнуть разность потенциалов и, тем самым, произойти накопление электростатического заряда. Это может привести, например, к ускоренному старению гидравлической жидкости. Кроме того, нежелательные разряды могут повредить фильтрующий материал. Чтобы избежать этого, можно целенаправленно влиять на величину возникающего заряда и образующийся потенциал между фильтрующим материалом и средой за счет соответствующей конструкции фильтра и выбора подходящего материала.
В патентном документе DE 102008004344 А1 предложены различные конструктивные решения, позволяющие избежать возникновения вредной разности потенциалов и зарядов при эксплуатации фильтрующего элемента. В качестве конструктивного решения предложено использовать в фильтре для очистки текучей среды фильтрующую среду, которая обладает низкой разностью потенциалов с очищаемой средой. Это гарантирует невозможность возникновения большого электростатического заряда. Еще одно конструктивное решение, предложенное в документе, заключается в исполнении частей фильтрующей среды таким образом, чтобы их потенциалы относительно друг друга и/или относительно очищаемой текучей среды различались настолько, чтобы они, по меньшей мере, частично компенсировали друг друга. Еще одно конструктивное решение, направленное на предотвращение возникновения вредной разности потенциалов в фильтре согласно документу, заключается в том, чтобы использовать в фильтре для целенаправленного удаления электрических зарядов, по меньшей мере, частично проводящие материалы, расположенные вдоль задаваемого пути прохождения через фильтр.
Такое решение фильтра отводит электрические заряды медленнее проводящего фильтра, в результате чего среда, проходящая через фильтр в процессе его эксплуатации, не получает сильного заряда. В фильтре не накапливается поле с напряженностью, достаточной для возникновения разряда, способного повредить фильтр и среду. Еще одна конструктивная мера согласно документу, позволяющая предотвратить образование вредной разности потенциалов при эксплуатации фильтрующего элемента, заключается в применении слоя компенсации заряда, расположенного за фильтрующей средой. Такой слой компенсации заряда, который может быть также образован покрытием на фильтрующей среде, снижает заряд среды и фильтрующей среды, предотвращая, тем самым, возникновение разрядов в фильтре.
Патентный документ WO 03/033100 А1 описывает фильтрующий элемент для жидкостей, в частности для гидравлических жидкостей, содержащий фильтрующий материал и сетчатую опорную структуру, поддерживающую фильтрующий материал относительно потока, движущегося через фильтрующий элемент, по меньшей мере, со стороны чистой среды, причем опорная структура выполнена из пластмассы и содержит электропроводящие элементы, предназначенные для отведения электрических потенциалов от фильтруемой жидкости. Электропроводящие элементы в опорной структуре выполнены из металлических нитей, которые, в зависимости от химических свойств фильтруемой текучей среды, в особенно предпочтительном варианте изготовлены из нержавеющей стали.
Патентный документ US 5,527,569 описывает электропроводящий фильтрующий материал, представляющий собой пористую мембранную структуру из политетрафторэтилена. Мембранная структура содержит электропроводящие частицы. Электропроводящие частицы способны сформировать электропроводящий участок для отведения электростатических зарядов от фильтрующего материала. Электропроводящие частицы могут быть выполнены, например, из металла или углерода.
Патентный документ US 4,606,968 описывает текстильный композитный фильтрующий материал, выполненный в виде ткани с нитями основы и уточными нитями, в которую вплетены электропроводящие волокна. Электропроводящие волокна могут представлять собой, например, углеродные волокна.
Известные фильтрующие материалы, которые способны предотвращать возникновение электростатических зарядов в соответствующей фильтруемой среде или отводить статическое электричество из среды, можно усовершенствовать в части процесса их производства и возникающих при этом производственных затрат.
Раскрытие изобретения
Исходя из уровня техники, задачей изобретения является разработка фильтрующего материала, в частности для гидравлических фильтров, например, масляных фильтров, который будет недорогим в производстве, позволит легко определять тонкость очистки фильтра и его электропроводность, а также будет отличаться длительным сроком службы. Кроме того, задачей изобретения является разработка фильтрующего элемента, состоящего из соответствующего фильтрующего материала.
Эти задачи решаются фильтрующим материалом с совокупностью признаков, раскрываемых в пункте 1 формулы изобретения, и фильтрующим элементом с признаками, раскрываемыми в соответствующем независимом пункте формулы изобретения.
Фильтрующий материал согласно изобретению содержит, по меньшей мере, один отдельный слой композитного материала, в состав которого входит стекловолокно и углеродные волокна. Применение исключительно волокон (стекловолокна, углеродных волокон) для получения, по меньшей мере, одного отдельного слоя фильтрующего материала позволяет использовать для обоих типов волокон одинаковые обрабатывающие инструменты и этапы процесса. В этом заключается отличие от известных фильтрующих материалов, в которых либо присутствуют определенные базовые материалы для соответствующего фильтрующего материала в другом варианте исполнения, либо определенные базовые материалы при сравнении друг с другом обнаруживают различные физические свойства (металлические нити, текстильные нити). Кроме того, стекловолокно и углеродные волокна инертны по отношению ко многим текучим средам.
При этом стекловолокно и углеродные волокна можно особенно простым образом соединить друг с другом путем ″хаотичного переплетения или матричной композиции″. Таким образом, фильтрующий материал недорог в производстве, а его тонкость фильтрации и электропроводность можно задавать простым способом.
2
2
2
2
2
3
Неожиданно было обнаружено, что для эффективного отведения электростатических зарядов из фильтруемой среды доля углеродных волокон в композитном материале может быть ниже, чем доля стекловолокна. Эффективное отведение электростатических зарядов возможно при содержании углеродных волокон в композитном материале в количестве всего порядка 10%. В особенно предпочтительном и недорогом варианте исполнения фильтрующего материала стекловолокно может быть изготовлено из минерального стекла, например, боросиликатного стекла (70-80% SiO; 7-13% BO; 4-8% NaO, KO, 2-7% AlO). Стекловолокно и/или углеродные волокна могут быть расположены в композитном материале хаотично или структурировано в виде матрицы или полотна. Кроме того, предпочтительно, фильтрующий материал может представлять собой нетканый материал, т.е. так называемый спанбонд, причем нетканый материал получают путем случайной выкладки расплавленных элементарных нитей в матричную базовую структуру. Элементарные нити, в свою очередь, представляют собой, предпочтительно, бесконечные синтетические волокна из полимерных материалов, которые могут быть вытянуты из расплава. При изготовлении такого фильтрующего материала в качестве базовой структуры особенно предпочтителен полиэтилен, полиамид или полипропилен.
Композитный материал, состоящий из стекловолокна и углеродных волокон, можно также сформировать полностью или, по меньшей мере, частично с помощью добавок, выполняющих функции связующего вещества, например акрилатной смолы, эпоксидной смолы или полимеризованного эластомера, в частности, если стекловолокно и углеродные волокна выполнены в виде полотна или мата с хаотичным расположением волокон относительно друг друга. При этом связующее может соединять точки контакта волокон друг с другом, в результате чего связующее не будет отрицательно влиять на желаемый объем свободных пор фильтрующего материала. Выбор конкретного связующего зависит, в частности, от химических свойств фильтруемой текучей среды. При этом, во-первых, контактные точки, образованные с помощью связующего, не должны растворяться, а во-вторых, связующее не должно оказывать отрицательного химического влияния на текучую среду.
Обнаружилось, что для универсального применения в гидравлических и пневматических системах особенно выгоден вариант, в котором фильтрующий материал состоит из 70-90%, предпочтительно порядка 80%, волокон боросиликатного стекла, 3-20%, предпочтительно порядка 5%, термопластичных полимерных волокон, 3-20%, предпочтительно порядка 5%, добавок (связующего вещества), и порядка 5-30%, предпочтительно порядка 10%, углеродных волокон. Фильтрующий материал согласно изобретению можно применять в фильтре, предпочтительно, в поверхностном контакте с, по меньшей мере, одним дополнительным функциональным слоем, например опорным слоем или слоем предварительной фильтрации. Фильтрующий материал согласно изобретению подходит для использования в фильтрующих элементах разнообразного вида. В подобном фильтрующем элементе фильтрующий материал согласно изобретению можно применять в последовательности отдельных слоев, а именно:
- опорная решетка,
- нетканый материал,
- крупнопористый волокнистый материал,
- мелкопористый волокнистый материал.
- нетканый материал,
- опорная решетка.
Разумеется, для отведения электростатических зарядов может оказаться выгодной любая другая последовательность отдельных слоев, в частности расположение фильтрующего материала согласно изобретению на периферии фильтрующего элемента. В связи с, в целом, низкой долей углеродных волокон, которая является достаточной для снятия статического заряда в различных известных средах, стоимость материалов, необходимых для изготовления фильтрующего материала в соответствии с изобретением, будет относительно невелика.
Краткое описание чертежей
Пояснения к фильтрующему материалу, описываемому изобретением, и фильтрующему элементу, оснащенному этим материалом, даются ниже на основании варианта исполнения, показанного на фигурах. На принципиальных схемах, приведенных не в масштабе, изображено:
Фиг. 1: разрез фрагмента фильтрующего материала, описываемого изобретением, в виде снимка сканирующего электронного микроскопа.
Фиг. 2: фильтрующий элемент с фильтрующим материалом, описываемым изобретением, в аксонометрии и частично в разрезе.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 в виде снимка сканирующего электронного микроскопа показана структура фильтрующего материала 1, который применяется в гидравлическом фильтре 3, например в фильтре гидравлической системы строительной техники. Она представляет собой отдельный слой 5 фильтрующего материала 1, показанный в технике сканирующей электронной микрофотографии в виде трехмерного изображения фильтрующего материала 1. Слой 5 фильтрующего материала 1 состоит, по существу, из хаотично наложенного друг на друга стекловолокна 7 и углеродных волокон 9. Стекловолокно 7 и углеродные волокна 9 по отношению к своей продольной оси располагаются в параллельных плоскостях относительно друг друга и под углом в плоскости изображения на фигуре 1. При этом доля углеродных волокон 9 в композитном материале меньше, чем доля стекловолокна 7. Доля углеродного волокна в представленном композитном материале составляет порядка 10% от доли стекловолокна. Стекловолокно 7 выполнено из минерального стекла, то есть из боросиликатного стекла. Кроме того, композитный материал содержит также некоторую долю термопластичных волокон 13 из полимера, в частности из полиэтилена, полиамида и полипропилена. Термопластичные волокна 13 можно применять, как показано на фигуре, в частности, в качестве связующего звена между стекловолокном 7 и углеродными волокнами 9, используемыми в фильтрующем материале 1. Для этого термопластичные волокна 13 располагают таким образом, чтобы они оборачивались вокруг стекловолокна 7 и углеродных волокон 9 или охватывали их во множестве мест и, проходя вглубь фильтрующего материала 1, образовывали связи в любом пространственном направлении фильтрующего материала 1.
Прочность, в частности прочность на разрыв соединения термопластичных волокон 13 со стекловолокном 7 и углеродными волокнами 9, улучшают при помощи добавок 15, в частности, жидкой и полностью полимеризованной акрилатной смолы или эпоксидной смолы или подходящего полимеризованного эластомера, введенных в хаотичную матрицу во время ее изготовления или после этого. Фильтрующий материал 1, показанный на фиг. 1, содержит порядка 80% волокон 7 из боросиликатного стекла, порядка 5% синтетических термопластичных волокон 13, порядка 5% добавок 15 и порядка 10% углеродных волокон 9. Учитывая ориентацию углеродных волокон 9 в фильтрующем материале 1 как в, по существу, параллельных плоскостях друг над другом, так и в соединениях между плоскостями, при прохождении среды через фильтрующий материал 1, предпочтительно, не происходит разделение зарядов, то есть не возникает электростатический потенциал. При условии, что среда, подходящая к фильтрующему материалу 1, уже обладает разностью потенциалов, углеродные волокна 9 способны, с учетом своего пространственного расположения в фильтрующем материале 1, образовывать непрерывный отводящий участок, в частности несколько участков для отведения электростатического заряда. Если фильтрующий материал 1 используется в фильтре 3, показанном на фиг. 2 исключительно в качестве примера, то соответствующие электростатические заряды отводят, предпочтительно, с помощью отводящих элементов на землю на периферии фильтра 3.
Фильтрующий материал 1, показанный на фиг. 1, удерживается в указанном фильтре 3 в поверхностном контакте с, по меньшей мере, одним дополнительным функциональным слоем 17 фильтра 3. Функциональный слой 17 может представлять собой опорную решетку 19 или нетканый материал 21. Хотя вышеуказанные добавки 15 значительно улучшают крепление волокон в композитном материале, состоящем из стекловолокна 7 и углеродных волокон 9, обеспечивая попутно высокую гибкость и механическую прочность фильтрующего материала, для повышения удобства работы с фильтрующим материалом будет осмысленным и выгодным вариант, в котором соответствующая опорная решетка и нетканые материалы будут входить в состав композитного материала в виде фильтрующего элемента 29 с фильтрующим материалом 1.
Фильтр 3, показанный на фиг. 2, выполнен в виде так называемого фильтрующего элемента 29 и содержит фильтрующую среду 31, которая проходит между двумя торцевыми крышками 33, 35. Каждая из торцевых крышек 33, 35 соединена с назначаемым концевым участком 37, 39 фильтрующей среды 31. Фильтрующая среда 31 поддерживается с внутренней периферийной стороны проницаемой для текучей среды опорной трубкой 41. Кроме того, фильтрующая среда 31 дополнительно соединена на указанных концевых участках 37 и 39 клеевым слоем 43 с торцевыми крышками 33, 35.
Для очистки среда протекает снаружи вовнутрь через фильтрующую среду 31, причем фильтрующая среда 31 ради простоты показана в виде цилиндрической части фильтрующего мата. Предпочтительно, фильтрующая среда 31 может быть выполнена со складками и расположена в виде фильтрующих складок вокруг опорной трубки 41. Фильтрующий материал 31 состоит из нескольких слоев, причем многослойная структура содержит, в частности, внешнюю опорную решетку 19 и служит для стабилизации прочих слоев. Сопоставимым образом может быть предусмотрена дополнительная, внутренняя опорная решетка 28. К каждой решетке 19, 28 прилегает нетканый материал 21, 27. Таким образом, структура фильтрующей среды 31 в разрезе вглубь считается симметричной. К нетканому материалу 21 прилегает отдельный слой 5 крупнопористого волокнистого материала 23, состоящего из стекловолокна 7 и углеродных волокон 9. К этому отдельному слою прилегает еще один отдельный слой 5 мелкопористого волокнистого материала 25, состоящего из стекловолокна 7 и углеродного волокна 9. Два отдельных слоя 23, 25 имеют принципиальную структуру, показанную на фигуре 1, в частности, входящие в их состав углеродные волокна 9 электрически соединены посредством не показанных на фигурах отводящих элементов на торцевых крышках 33, 35 с, по меньшей мере, одной областью наружной поверхности фильтрующего элемента 29. Таким образом, можно отводить электростатические заряды из фильтрующего элемента 29 на образующие землю элементы на периферии фильтрующего элемента 29, например элементы гидравлической системы. Базовая структура подобного фильтрующего элемента 29 детально описана в предшествующей заявке заявителя (DE 102008004344 А1), поэтому здесь не описываются прочие изображенные элементы и функции фильтрующего элемента 29.