Фильтрующий материал для тонкой очистки масел и топлив, способ его получения и применение
FILTERING MATERIAL FOR FINE PURIFICATION OF OILS AND FUELS, METHOD OF PRODUCTION AND APPLICATION THEREOF

Изобретение относится к области получения нетканых фильтрующих материалов из полимерных микроволокон, предпочтительно используемых для фильтрации масел и топлив в авиационной технике и системах обеспечения топливом.
Известен способ изготовления фильтровальной бумаги посредством отлива бумажной массы на сетке бумагоделательной машины, отличающийся тем, что в качестве волокнистого сырья для массы используют целлюлозу сульфатную небеленую, размолотую до степени помола 22-35 ШР и целлюлозу сульфатную мерсеризованную при следующем соотношении, мас.%: целлюлоза сульфатная размолотая 60-75, целлюлоза сульфатная мерсеризованная 25-40. Бумагу дополнительно пропитывают составом 2-5% концентрации, содержащим поливинилацетатную дисперсию и гидрофобизирующее вещество при следующем соотношении компонентов, мас.%: поливинилацетатная дисперсия 90-98; гидрофобизирующее вещество 2-10. По результатам испытаний в ЦС авиа ГСМ ФГУП ГОСНИИГа, г. Москва показано, что разработанная фильтровальная бумага имеет номинальную тонкость фильтрации 3 мкм при полноте отсева более 99%. Фильтр-элементы, изготовленные из предложенной бумаги, по своим характеристикам не уступают штатным элементам ФЭ-055М, изготовленным с использованием бумаги 882/2 фирмы «Hollingsworth & Vose» (RU 2217541, 30.05.2002).
Недостатком данного способа получения материала для очистки топлив является низкая пористость фильтровальной бумаги менее 80% из-за пропитки волокон связующими веществами. Как следствие материалы, полученные данным, способом имеют в 3-4 раза более высокое аэродинамическое и гидравлическое сопротивление, чем нетканые волокнистые материалы, к которым относится настоящее изобретение. Кроме того, фильтровальная бумага подвержена вымыванию волокон вследствие увеличения перепада давления на фильтрующей перегородки и локальному впитыванию растворенной и эмульсионной воды.
Известен раствор для получения волокон электродинамическим методом формования, содержащий фенолформальдегидную смолу 3-21 мас.%, поливинилбутираль 3-7 мас.%, этиловый спирт или дихлорэтан или их смесь в соотношении 3,6-89: 3,6-89 - остальное. Показана возможность получения ультратонких волокон с диаметром 0,5-2,5 мкм (RU 2065513, 31.08.1993).
Недостатком данного способа получения волокон является отсутствие в составе раствора сшивающего агента, что не позволяет провести процесс отверждения фенолформальдегидной смолы, из которой состоят волокна. Это не позволяет эксплуатировать волокна, полученные указанным способом при температуре более 70°С и в среде физически агрессивных жидкостей - маслах и топливах.
Известен также способ получения ультратонких полимерных волокон путем электроформования из раствора полимеров, включающего неволокнообразующую фенолформальдегидную смолу и поливинилбутираль, используя в качестве органического растворителя этиловый спирт, отличающийся тем, что раствор дополнительно содержит модифицирующую добавку хлорида лития или тетрабутиламмоний йодида при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: фенолформальдегидная смола 2,5-4; поливинилбутираль 2,5-4; этиловый спирт 92-95; хлорид лития 0,01-0,1 или тетрабутиламмоний йодид 0,02-0,2. Получаемые волокна имеют диаметр от 0,06 до 0,1 мкм (RU 2527027, 13.12.2012).
Недостатком данного способа также является отсутствие в растворе сшивающего агента и как следствие невозможность применения в фильтрах очистки масел и топлив, а также при температуре более 70°С.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения нетканого волокнисто-пористого материала непрерывным пропусканием электрически заряженного полимерного раствора через насадку, осаждением волокна на заземленную приемную поверхность с последующим удалением с нее образовавшегося материала, отличающийся тем, что в качестве полимерного раствора применяют раствор, содержащий 3-21 мас.% фенолформальдегидной смолы, 3-7 мас.% поливинилбутираля при соотношении мас. от 1:1 до 3:1 и паратолуолсульфокислоту в количестве 3-20 мас.% в расчете на фенолформальдегидную смолу, при этом после осаждения волокна проводят термообработку при постепенном подъеме температуры от 40 до 300°С со скоростью 2-10°С в час (RU 2072189, 10.06.1994).
Недостатком данного материала является отсутствие скрепления волокон между собой для создания устойчивой поры с помощью каландрования после стадии образования резитола из фенолформальдегидной смолы, термообработка материала проводится до избыточного значения в 300°С, что приводит к значительному снижению физико-механических свойств волокон. Все это в совокупности с отсутствием защитных слоев из нетканой подложки делает невозможным применение этого материала в фильтрах для топлив и масел.
Задачей настоящего изобретения является повышение физико-механических свойств фильтрующего материала, создание в нем устойчивой к расклинивающему действию жидкой среды поры, при сохранении высокой пористости для фильтрации физически агрессивных жидкостей - масел и топлив при температурах до 140°С.
2
Поставленная задача решается фильтрующим материалом, содержащим слой из полимерных микроволокон, полученных электроформованием, размещенным между двумя слоями нетканой подложки из полиэфирных волокон. При этом микроволокна выполнены из отвержденной в резит фенолформальдегидной смолы резольного типа, с добавкой поливинилбутираля в количестве 7% от массы сухого вещества, и имеют средний оптический диаметр равный 0,3-2,0 мкм, при этом масса единицы площади микроволокнистого слоя, составляет 4-6 г/м.
Предпочтительно фильтрующий материал имеет волокнисто-пористую структуру из скрепленных в местах пересечений микроволокон, со значением пористости не менее 80%, при среднем диаметре пор 1-8 мкм, а его аэродинамическое сопротивление потоку воздуха составляет 15-100 Па при линейной скорости потока 1 см/с.
Поставленная задача решается также способом получения фильтрующего материала, охарактеризованного выше, согласно которому электроформование микроволокон осуществляют из раствора фенолформальдегидной смолы резольного типа с добавкой поливинилбутираля в количестве 7% от массы сухого вещества в смеси этилового спирта и этилацетата в соотношении 1/1-8/1 по массе при общей концентрации формовочного раствора 8-15 мас.%, с добавлением в раствор отверждающего агента - паратолуолсульфокислоты в количестве 3-5 % от массы сухого вещества.
Предпочтительно электроформование микроволокон осуществляют по аэродинамической технологии в электростатическом поле с напряженностью от 1 до 3 кВ/см, расстоянии между электродами 10-30 см, при температуре в зоне электроформования 20-30°С и относительной влажности 30-5 %, значение объемного расхода формовочного раствора устанавливается 30-100 мл/ч через одну форсунку, а объемного расхода воздуха 25-40 л/мин через одну форсунку.
Также предпочтительно фильтрующий материал после электроформования дублируют фильтрующим слоем внутрь, и подвергают термообработке в течение 24 ч при температуре 50°С для удаления остаточного растворителя, а затем в течение 10 ч при температуре 70°С для превращения фенолформальдегидной смолы в резитол, после чего фильтрующий материал каландрируют при температуре валов 105-115°С и давлении 0,3 МПа для скрепления волокон и слоев между собой, а затем подвергают последовательной термообработке в следующем режиме: 24 ч при температуре 90°С; 12 ч при температуре 110°С; 12 ч при температуре 120°С для отверждения фенолформальдегидной смолы в резит.
Поставленная задача решается также применением фильтрующего материала, охарактеризованного выше и полученного в соответствии с описываемым способом, для фильтрации масел и топлив в авиационной технике и системах обеспечения топливом при температуре среды до 140°С.
Устройство для получения фильтрующего материала по аэродинамической технологии электроформования описано, например, в монографии «Филатов Ю. Н. Электроформование волокнистых материалов (ЭФВ-процесс) / Под ред. В. Н. Кириченко. - М.: Нефть и газ, 1997. - 298 с».
Ниже приведены примеры получения материалов и характеристики полученных материалов.
Пример 1.
Приготавливают 15% раствор фенолформальдегидной смолы с добавкой 7% поливинилбутираля в смеси этилового спирта и этилацетата при их массовом отношении 8/1 для получения волокон со средним диаметром 2,0 мкм. Также в раствор добавляется паратолуолсульфокислота в количестве 5% от массы сухого вещества. Из приготовленного формовочного раствора проводят аэродинамическое электроформование, пропуская раствор через коллектор с форсунками, к которым подано напряжение. Напряженность поля устанавливают 2 кВ/см, объемный расход формовочного раствора 100 мл/ч через одну форсунку, объемный расход воздуха 40 л/мин через одну форсунку, температура в зоне электроформования 25°С, относительная влажность 45%.
2
2
Образующиеся в межэлектродном пространстве волокна под действием электростатического поля укладываются на нетканую подложку из полиэфирных волокон, которая перемещается по поверхности металлического заземленного электрода на расстоянии 30 см от форсунок. Полученный материал сматывается в рулон. Скорость перемещения подложки устанавливается соответствующей нанесению микроволокон с массой единицы площади 2,9 г/м (после дублирования общая масса единицы площади составит 5,8 г/м).
После проведения процесса электроформования два рулона с одинаковым нанесенным микроволокнистым материалом дублируют фильтрующими слоями внутрь, сматывают в рулон и подвергают термообработке в течение 24 ч при температуре 50°С для удаления остаточного растворителя, а затем в течение 10 ч при температуре 70°С для превращения фенолформальдегидной смолы в резитол.
После этого фильтрующий материал каландрируют при температуре валов 105-115°С и давлении 0,3 МПа для скрепления слоев между собой, а затем подвергают последовательной термообработке в следующем режиме: 24 ч при температуре 90°С; 12 ч при температуре 110°С; 12 ч при температуре 120°С для отверждения фенолформальдегидной смолы в резит. Полученный фильтрующий материал обладает аэродинамическим сопротивлением потоку воздуха 11 Па при линейной скорости потока 1 см/с. При этом пористость микроволокнистого слоя составляет 86%, а диаметр средней поры, измеренный пузырьковым методом составляет 7,6 мкм.
Номинальная тонкость фильтрации реактивного топлива ТС-1, измеренная гранулометрическим методом для опытного фильтра, собранного из данного материала составляет 15 мкм.
Пример 2.
Приготавливают 12% раствор фенолформальдегидной смолы с добавкой 10% поливинилбутираля в смеси этилового спирта и этилацетата при их массовом отношении 2/1 для получения волокон со средним диаметром 1,1 мкм. Также в раствор добавляется паратолуолсульфокислота в количестве 5% от массы сухого вещества. Из приготовленного формовочного раствора проводят аэродинамическое электроформование, пропуская раствор через коллектор с форсунками, к которым подано напряжение. Напряженность поля устанавливают 2,5 кВ/см, объемный расход формовочного раствора 50 мл/ч через одну форсунку, объемный расход воздуха 35 л/мин через одну форсунку, температура в зоне электроформования 23°С, относительная влажность 50%.
2
2
Образующиеся в межэлектродном пространстве, волокна под действием электростатического поля укладываются на нетканую подложку из полиэфирных волокон, которая перемещается по поверхности металлического заземленного электрода на расстоянии 17 см от форсунок. Полученный материал сматывается в рулон. Скорость перемещения подложки устанавливается соответствующей нанесению микроволокон с массой единицы площади 2,5 г/м (после дублирования общая масса единицы площади составит 5,0 г/м).
После проведения процесса электроформования два рулона с одинаковым нанесенным микроволокнистым материалом дублируют фильтрующими слоями внутрь, сматывают в рулон и подвергают термообработке в течение 24 ч при температуре 50°С для удаления остаточного растворителя, а затем в течение 10 ч при температуре 70°С для превращения фенолформальдегидной смолы в резитол.
После этого фильтрующий материал каландрируют при температуре валов 105-115°С и давлении 0,3 МПа для скрепления слоев между собой, а затем подвергают последовательной термообработке в следующем режиме: 24 ч при температуре 90°С; 12 ч при температуре 110°С; 12 ч при температуре 120°С для отверждения фенолформальдегидной смолы в резит. Полученный фильтрующий материал обладает аэродинамическим сопротивлением потоку воздуха 20 Па при линейной скорости потока 1 см/с. При этом пористость микроволокнистого слоя составляет 84%, а диаметр средней поры, измеренный пузырьковым методом, составляет 6,1 мкм.
Номинальная тонкость фильтрации реактивного топлива ТС-1, измеренная гранулометрическим методом для опытного фильтра, собранного из данного материала составляет 10 мкм.
Примеры при других заявленных параметрах способа и характеристики полученных материалов сведены в таблицу 1.
Таблица 1.
№ примера
1
2
3
4
5
6
Концентрация формовочного раствора, %
15
12
10
10
9
7
Добавка поливинилбутираля, % сухого вещества
7
7
7
7
7
7
Соотношение в растворителе этиловый спирт / этилацетат
8/1
2/1
1,3/1
1,3/1
1/1
1,5/1
Количество паратолуолсульфокислоты, % сухого вещества
3
4
5
5
5
5
Напряженность поля, кВ/см
1,0
1,5
2,5
2,5
3,0
3,0
Расстояние между электродами, см
30
17
17
17
14
10
Объемный расход раствора через одну форсунку, мл/ч
100
50
40
40
30
20
Объемный расход воздуха через одну форсунку, л/мин
40
35
35
35
30
30
Температура в зоне электроформования, °С
25
23
23
20
30
25
Относительная влажность в зоне электроформования, %
45
50
50
30
50
35
Масса единицы площади микроволокнистого слоя, г/м<sup>2</sup>
5,8
5,0
4,1
5,3
4,4
6,0
Средний оптический диаметр волокон, мкм
2,0
1,1
0,7
0,7
0,5
0,3
Аэродинамическое сопротивлением потоку воздуха при линейной скорости потока 1 см/с, Па
11
20
26
32
44
98
Пористость микроволокнистого слоя, %
86
84
83
83
82
80
Диаметр средней поры, мкм
7,6
6,1
3,9
3,3
2,5
1,1
Номинальная тонкость фильтрации, мкм
15
10
7
5
3
1
Из полученных фильтрующих материалов были изготовлены опытные фильтры, которые затем были испытаны на топливном стенде в АО "УАП "Гидравлика", г. Уфа (рабочая жидкость - реактивное топливо ТС-1) и в режиме реальной эксплуатации в гидравлической системе самолетов (рабочая жидкость - масло АМГ). Проведенные испытания показали положительные результаты.