МНОГОСЛОЙНЫЙ ФИЛЬТРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ
MULTILAYER FILTER MATERIAL

Изобретение относится к области тонкой очистки воздуха фильтрующими материалами от аэрозолей и газов (например, от монооксида углерода). Предложен трехслойный фильтрующий материал (ФМ) из волокон полимера, выбранного из класса полисульфонов, с различным диаметром волокон, полученный путем электроформования из раствора полимера в органическом растворителе.
Структура нетканого полотна описываемого ФМ позволяет размещать в нем дисперсную фазу, обладающую сорбирующими или каталитическими свойствами.
Известен сорбционно-фильтрующий материал (RU 2055632, B01D 39016, 10.03.96) для бактериальных фильтров из волокон политрифторстирола или полисульфона на основе бис-фенола А и 4,4-дихлорфенилсульфона, или поли-2,6-диметилфениленоксида, или поли-2,6-дифенилфениленоксида, или полидифениленфталида, или полиоксидифениленфталида, в котором угол разориентации макромолекул в волокне не более 30°, диаметр волокна 0,1-10 мкм и общая пористость 80-98%.
-4
-7
-1
-1
-5
-1
3
Известный материал получают электростатическим формованием волокнистого нетканого материала из раствора полимера в органическом растворителе из группы: дихлорэтан, циклогексанон, трихлорэтилен, метилэтилкетон при динамической вязкости раствора 0,1-30 Пз, электропроводности раствора 10-10 Ом см и объемной скорости раствора 10-10 см/с в расчете на один капилляр.
Недостатком материала является дефицитность исходного сырья и невозможность введения в структуру материала дисперсной фазы в необходимом количестве и ее надежного закрепления.
Известен состав для получения фильтрующего материала (RU 2045996, B01D 39016, 20.10.95) путем электростатического формования волокна, содержащий полисульфон и органический растворитель, в котором в качестве полисульфона используют полиарилсульфон, а в качестве органического растворителя - циклогексанон или его смесь с дихлорэтаном при следующем соотношении компонентов, мас.%:
полиарилсульфон
20,5-25,0
циклогексанон или смесь его с дихлорэтаном
15,9-75,0
Недостатком этого материала является невозможность введения в структуру материала в необходимом количестве дисперсной фазы и ее надежного закрепления.
2
Известен также аэрозольный сорбирующий фильтр и способ его изготовления (RU 2192914, B01D 39016, 20.11.2002), предназначенный для улавливания паров молекулярного иода, его органических соединений и аэрозолей. Фильтрующий материал, применяемый в этом фильтре, выполнен из крупноволокнистого материала, содержащего высокодисперсный сорбент с высокопористыми частицами диаметром 1-100 мкм в количестве 10-500 г/м, упакованный в слои. Последний по ходу очищаемого потока воздуха слой в этом материале выполнен из тонковолокнистого материала и не содержит сорбента и обладает плотностью упаковки не более 0,06.
В этом фильтре в качестве фильтровального материала используется стекловолокно, а в качестве тонкоизмельченного сорбента - частицы импрегнированного активного угля.
Введение частиц сорбента в фильтровальный материал осуществляется потоком воздуха со скоростью 0,5-1,0 м/с, направленным непосредственно в фильтр, с одновременной вибрацией корпуса фильтра с частотой 100-1000 Гц.
Крупноволокнистый фильтрующий материала с частицами сорбента можно получить, например, путем продувания воздуха, содержащего тонкоизмельченный сорбент, через волокнистый материал с наложением на протягиваемый материал механической вибрации (RU 2114681, B01D 39/00, 10.07.98).
Недостатками данного сорбционно-фильтрующего материала являются следующие:
- материал изготовлен из стекловолокна, что недопустимо в средствах индивидуальной и коллективной защиты органов дыхания;
- в тексте описания патента отсутствуют сведения о структуре материала, что делает невозможным его сравнения, в данной части, с предлагаемым изобретением;
- судя по структуре описанного материала он должен обладать сопротивлением выше допустимого в средствах защиты органов дыхания.
2
Известен фильтрующий материал из волокон полисульфона со средним диаметром волокон 1,5 мкм и поверхностной плотностью 25-30 г/см и плотностью упаковки 0,03, описанный в монографии Ю.Н.Филатова «Электроформование волокнистых материалов (ЭФВ-процесс)». - М.: Нефть и газ, 1997, стр.180, 201, 191, 257.
кип
Известный фильтрующий материал получен путем электростатического формования волокон из системы полисульфон-растворитель-электролит. Недостатком данного материала является невозможность введения в его структуру в необходимом количестве дисперсной фазы из-за малого диаметра волокон и соответственно недостаточного размера пор. Использование высококипящего растворителя циклогексанона (Т=155°С) исключает возможность получения волокон диаметром 5-9 мкм.
Наиболее близким по технической сущности является взятый за прототип фильтрующий материал (ФМ) из волокон полисульфона (RU 2270714, B01D 39016, 27.02.2006). Данный материал изготовлен из смеси волокон диаметром 0,1-0,5 мкм и диаметром 5-10 мкм при их массовом соотношении (1:25)-(1:5) соответственно.
Материал выполнен в виде нетканого полотна, имеющего, по меньшей мере, с одной стороны защитный слой из проклеенных полисульфоновых волокон диаметром 5-10 мкм.
Материал изготавливается путем электростатического формования микроволокон из системы полисульфон-растворитель-электролит, в котором на электроде осаждают смесь полисульфоновых волокон с диаметром 0,1-0,5 мкм и с диаметром 5-10 мкм при их массовом соотношении (1:25)-(1:5) соответственно. В качестве растворителя могут использоваться дихлорэтан, циклогексанон, бутилацетат, этилацетат, диметилформамид.
2
Готовый фильтрующий материал имеет общую массовую плотность 30-50 г/м.
Недостатком материала является невозможность введения в структуру материала дисперсной фазы в необходимом количестве для эффективного функционирования, т.к. волокнистый слой из проклеенных волокон диаметром 5-10 мкм имеет незначительный внутренний объем. Использование волокон диаметром 0,1-0,5 мкм предполагает достаточно высокое стандартное сопротивление фильтрующего слоя (до 60 Па), что исключает возможность его использования в средствах защиты органов дыхания.
Технической задачей заявляемого изобретения является создание фильтрующего волокнистого материала, способного обеспечить возможность введения в его структуру дисперсной фазы в необходимом и достаточном количестве для использования в качестве средств индивидуальной и коллективной защиты органов дыхания.
2
2
Для решения задачи получения высокого значения внутреннего объема (малой плотности упаковки) используют полимер, выбранный из класса полисульфонов, дающий волокна диаметром 5-9 мкм, которые формуют таким образом, что плотность упаковки волокон в рабочем слое лежит в пределах от 2 до 5%, а свободный объем составляет от 95 до 98%. Полученный волокнистый материал обладает средним размером пор от 20 до 40 мкм и поверхностной плотностью в 40-50 мг/см, что не только позволяет внести в его структуру дисперсную композицию катализатора в необходимом количественном диапазоне: 8-11 мг/см, но и обеспечивает незначительное стандартное сопротивление волокнистого слоя (5-8 Па). Использование этого материала с внесенным дисперсным катализатором и прикрытым с двух сторон защитными слоями, обладающими своими характеристиками, позволяет использовать его в конечном виде для изготовления легких респираторов и других средств защиты.
Свободный, или внутренний, объем волокнистого материала определяет количество дисперсной фазы, которое может быть размещено в его структуре.
Размер пор определяет количество дисперсной фазы, которое может быть вынесено из материала при его изготовлении и при эксплуатации респиратора. Для исключения выноса матричный слой, содержащий дисперсную композицию, закрывается с двух сторон волокнистыми слоями, имеющими меньший размер пор, что препятствует этому процессу.
2
3
Дисперсная фаза представляет собой частицы подобранного размера окиси AlO, покрытые меднопаладьевым катализатором (RU 2267354, B01J 23/89, 10.01/2006).
2
Назначение рабочего слоя материала состоит в способности вместить и удержать в своей структуре необходимое количество каталитической композиции. Необходимое и достаточное количество катализатора (поверхностная или массовая плотность) для получения необходимой конверсии превращения монооксида углерода в диоксид составляет величину порядка 15-20 мг/см. Такое количество не может быть размещено без последствий в одном слое материала, для этого требуется два или больше слоев. При этом уменьшается количество катализатора, внесенного в каждый слой, а их суммарное сопротивление становится меньше сопротивления слоя, в который набито исходное количество катализатора.
Пример 1.
Берется полимер из класса полисульфонов, растворяется в дихлорэтане, а затем из полученного раствора методом электроформования получают волокнистый материал, состоящий из двух слоев, причем тонкие волокна (1-3 мкм) получают с одних формующих гребенок, более толстые волокна (5-9 мкм) получают с других. При этом сначала получают слой тонких волокон (1 слой), а затем на него получают слой толстых волокон. Для получения (формования) слоя толстых волокон (2 слой) формующие гребенки отодвигают от осадительного электрода. Полученный двухслойный материал снимают с осадительного барабана, переносят на установку по внесению в волокнистую структуру дисперсного катализатора, вносят этот катализатор в структуру второго слоя, контролируя его поверхностную плотность. Полученный двухслойный материал, содержащий в одном из слоев (рабочий слой), дисперсный катализатор, переносят на стол комплектования заготовок, где на него накладывается, со стороны слоя, состоящего из толстых волокон (2 слой) защитный слой (слой 3), состоящий из волокон 1-3 мкм и имеющий свободный объем 94-97%. Этот слой по всем параметрам аналогичен первому слою, его получают, растворяя полисульфон и формуя на тех же гребенках, что и первый слой, но без нанесения второго слоя.
По описанной методике были получены ФМ с различными диаметрами волокон рабочего и защитных слоев.
Данные по этим опытам (примеры 1-7) приведены для рабочего слоя 2 в таблице 1 и защитных слоев 1 и 3 в таблице 2.
Таблица 1Характеристики рабочего слоя
№
Диаметр волокна, мкм
Свободный объем, %
Размер средней поры, мкм
Поверхностная плотность дисперсной композиции, мг/см<sup>2</sup>
Вынос дисперсной композиции, %
Стандартное сопротивление волокнистого слоя, Па
1
5-9
98
20-36
8-9
2
5-8
2
6-7
97
24-28
9-11
1,4
6-7
3
10-12
98
36-45
4-7
≥2,6
3-4
4
1-3
96
4-12
1,5-2,7
<0,01
15-20
5
6-7
95
20-24
7-8
1,2
8-10
6
6-7
94
15-18
5-6
<0,8
10-12
7
6-7
99
>40
катализатор не задерживается материалом
Увеличение свободного объема за счет увеличения диаметра используемых волокон выше указанных пределов приводит не только к увеличению выноса дисперсной каталитической композиции, что ведет к нестабильности процесса доокисления монооксида углерода, но и сопровождается ростом стандартного сопротивления всего материала. Это объясняется тем, что выносимый катализатор, задерживаемый слоями 1 и 3, значительно увеличивает их (слоев) сопротивление и материала в целом. Снижение диаметра волокон второго слоя и сокращение его свободного объема приводит к снижению поверхностной плотности катализатора и, следовательно, к необходимости использовать большое количество слоев материала и, как следствие, приводит к увеличению стандартного сопротивления. Уменьшение или увеличение свободного объема волокнистого слоя при неизменном диаметре волокон, что достигается технологическими приемами, приводит к негативным последствиям для конечного результата. При увеличении свободного объема катализатор не держится в структуре материала - высыпается, что приводит к неоднородности слоя, снижению конверсии и росту сопротивления. Уменьшение объема приводит к уменьшению поверхностной (массовой) плотности катализатора в слое и, как следствие, к необходимости увеличения числа слоев для получения требуемой плотности катализатора.
Таблица 2Характеристики защитных (1 и 3) слоев
№
Диаметр волокна, мкм
Свободный объем, %
Размер средней поры, мкм
Поверхностная плотность волокнистого слоя, мг/см<sup>2</sup>
Вынос дисперсной композиции, %
Стандартное сопротивление волокнистого слоя, Па
1
1-3
96
4-12
15-30
<0,01
2-5
2
0,5-1,0
94-95
2-4
15-30
<0,001
5-15
3
3-5
95-96
12-20
15-30
1,5-2,0
0,5-2,0
4
1-3
96
4-12
30-40
<0,001
10-20
5
1-3
96
4-12
10-15
1,0-1,4
5-10
Основное назначение слоев 1 и 3 это защита, прежде всего механическая, рабочего слоя, и предотвращение выноса из него каталитической композиции. Исходя из назначения, эти слои должны обладать необходимой эффективностью и минимальным стандартным сопротивлением при необходимых механических свойствах. Оптимум этих свойств лежит в рамках заявленных пределов. Причем необходимые механические свойства могут обеспечиваться и при меньшей поверхностной плотности волокнистого слоя. Изготовление 1 и 3 слоев из волокон диаметром от 1 до 3 мкм позволяет обеспечить весьма высокую эффективность задержания дисперсной фазы при небольшом стандартном сопротивлении. Изменение заявленных пределов как по диаметру используемых волокон, так и по поверхностной плотности волокнистого слоя приводит к неудовлетворительному результату для конечного готового для использования материала.
Постоянно подчеркиваемая важность небольшого стандартного сопротивления объясняется тем, что из этого материала планируется изготавливать легкие респираторы, а их стандартное сопротивление не может превышать 60 Па в соответствии с требованиями ГОСТ Р 12.4.191-99 Средства индивидуальной защиты органов дыхания.
Таблица 3Характеристики образцов многослойного материала (диаметр волокон защитных слоев 1-3 мкм)
№
Диаметр волокна рабочего слоя, мкм
Поверхностная плотность дисперсной композиции, мг/см<sup>2</sup>
Вынос дисперсной композиции, %
Стандартное сопротивление трехслойного материала, без катализатора, Па
Стандартное сопротивление трехслойного материала с катализатором, Па
Степень окисления СО в СО<sub>2</sub>, %
1
5-9
8-9
<0,001
11-20
44-50
85-93
2
6-7
9-11
<0,001
12-19
52-56
93-97
3
10-12
4-7
<0,001
9-16
40-50
67-77
4
1-3
1,5-2,7
<0,001
21-32
44-52
<25
Как видно из анализа представленных в табл.3 результатов испытания образцов различных вариантов исполнения описанного многослойного ФМ, его наибольшая эффективность соответствует примерам 1-2, параметры которых отражены в признаках заявляемой формулы, совокупность которых является достаточной для характеристики и достижения задачи предложенного технического решения.