слоистый полимерный волокнистый фильтрующий материал для очистки потока воздуха

Формула изобретения

Полимерный волокнистый фильтрующий материал для очистки потока воздуха, используемый в средствах защиты органов дыхания, содержащий слой в виде полотна толщиной 1 мм из волокон полипропилена диаметром 0,5-1,5 мкм с плотностью упаковки 0,25-0,30 г/см³ и электрическим зарядом с поверхностной плотностью 17-21 нКл/см ², изготовленный методом аэродинамического распыления расплава и электризации волокон в поле коронного разряда в процессе их формования, отличающийся тем, что он дополнительно содержит слой в виде неэлектризованного полотна толщиной 1 мм из волокон полипропилена с диаметром 10-20 мкм и плотностью упаковки 0,25-0,30 г/см³, размещенный со стороны, непосредственно соприкасающейся с очищаемым воздушным потоком, причем упомянутые слои скреплены точечной сваркой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к разработке полимерных волокнистых фильтрующих материалов, которые предназначены для эффективной очистки потока воздуха за счет реализации механической и электростатической фильтрации.

Проблема очистка воздуха и газов от жидких и твердых дисперсных загрязнителей, в том числе промышленных аэрозолей, исключительно важна. Дисперсные примеси снижают работоспособность любых устройств, принцип работы которых состоит в использовании воздушных потоков. Помимо этого, присутствующие в воздухе дисперсные частицы, попадая в органы дыхания человека, могут вызывать поражения дыхательных путей и нанести ощутимый вред здоровью людей, что часто усугубляется токсичностью дисперсных загрязнителей. Эту проблему решают путем создания СИЗОД - средств индивидуальной защиты органов дыхания человека (прежде всего респираторов), имеющих фильтрующий слой, который отделяет частицы загрязнения от газовой фазы. Актуальными представляются разработка новых фильтрующих материалов и поиск технологических схем создания высокоэффективных фильтров, которые отвечали бы непрерывно растущим эксплуатационным, экономическим и экологическим требованиям.

Традиционная техника очистки газовоздушных сред предусматривает использование разнообразных пористых материалов. Наиболее простым, надежным и экономически целесообразным способом очистки воздуха и газов от высокодисперсных аэрозолей служат волокнистые фильтры. Начиная с середины XX в. широкое распространение получили воздушные фильтры на основе синтетических волокон из целлюлозы и ее эфиров, асбеста, стекловолокна, лавсана и др. В СССР в 1950-е гг. созданы ультратонкие волокнистые материалы, получаемые из растворов полимеров - так называемые фильтры Петрянова, до сих пор занимающие важное место в технике фильтрации [1]. Их основной отличительной чертой является высокая эффективность задержки частиц микронного размера при низком гидродинамическом сопротивлении. Промышленностью до недавних пор выпускался широкий ассортимент фильтров Петрянова, обладающих высокой химической стойкостью к кислотам, щелочам и органическим растворителям, термостойкостью, механической прочностью, значительной теплоизоляционной способностью. Это позволило создать большой ассортимент воздушных фильтров, в том числе легкие и удобные в использовании средства защиты органов дыхания - респираторы. Фильтры для респираторов наиболее эффективны и поэтому обычно пригодны для любых других газоочистных систем.

Известен фильтрующий элемент СИЗОД, который представляет собой волокнистый материал с объемной пористостью 60-85% и плотностью упаковки волокон 0,2-0,4 г/см³ [2], он получен вытягиванием волокон из раствора полимера под действием электростатических сил [3]. В качестве исходных материалов используют перхловинил, ацетилцеллюлозу, триацетилцеллюлозу, полиарилаты, полиакрилонитрил, полигетероарилены, полиамидоэфиры, поликарбонаты и фторполимеры, а в качестве органических растворителей - диметилформамид, диметилацетамид и др. Известны способы получения фильтрующего материала для респираторов [4, 5] путем электростатического формования волокнистого нетканого материала из раствора полимера (перхлорвинил) в органическом растворителе (дихлорэтан). Патент [6] для получения тонковолокнистого материала также предлагает формование волокон в электростатическом поле из раствора волокнообразующего полимера с дополнительной обработкой зоны формования волокна насыщенными парами растворителя и применением регулятора электропроводности (иодид тетраэтиламмония, иодид тетрабутиламмония или хлорид железа). Волокнистый фильтрующий материал [7] получают из раствора полимера путем его пропускания через капилляр в сильном электростатическом поле, причем осуществляют регулирование воздушным потоком равномерности структуры материала. Известны также многослойные фильтры - например, материал для респираторов [8], изготовленный электростатическим формованием из раствора полимера в дихлорэтане в присутствии солей, он содержит рабочий слой, наружный и внутренний защитные слои.

Фильтрующие материалы, полученные из растворов полимеров в электростатическом поле, несут электретный заряд. При низкоскоростной очистке газов это является положительным фактором, поскольку позволяет реализовать дополнительные механизмы фильтрации, связанные с работой сил электростатического притяжения [1, 2].

В последнее десятилетие в связи с возникновением новых для отечественной промышленности социальных и экономических факторов на первый план вышла необходимость совершенствования традиционных технологических процессов и создания новых, менее дорогостоящих и экологически безопасных. Это в полной мере относится к производству фильтров. На фоне резкого роста уровня загрязнения окружающей среды совершенно оправданно повышаются экологические требования к объектам промышленного производства, особенно химическим. Главным недостатком перечисленных технических решений является то, что технология формирования волокнистых фильтров Петрянова является достаточно дорогой и экологически небезопасной (по степени пожароопасности соответствует группе "Б", по уровню взрывоопасности из-за употребляемых растворителей относится к наиболее опасной категории "В1", а по санитарно-гигиеническим характеристикам - к 3-му классу экологической опасности [3]). Поэтому актуальна проблема замены фильтров Петрянова на более дешевые, технологичные, но не менее эффективные фильтроматериалы.

Одной из перспективных технологий изготовления микроволокнистых полимерных материалов является метод аэродинамического (пневмоэкструзионного) распыления расплавов термопластичных волокнообразующих полимеров - melt blowing. Особенность melt blown материалов состоит в том, что они образованы очень тонкими волокнами, которые имеют диаметр от 0,1 до 60 мкм и когезионно скреплены в точках контакта. Характерными свойствами этих материалов являются высокая абсорбционная способность, равномерность распределения волокон, большое количество очень узких пор, проницаемость для жидкостей и газов, благодаря чему они широко применяются для фильтрования.

Для придания устойчивого электретного заряда целесообразно дополнительное заряжение сформированного волокнистого материала. Например, способ [9] получения из расплавов полимеров фильтрующего материала для очистки воздуха и газов от взвешенных в них жидких и твердых частиц включает экструдирование полимера через единичную фильеру, вытяжку нити потоком сжатого воздуха и формование материала на приемной поверхности с последующим помещением его в электростатическое поле напряженностью до 12 кВ/см при абсолютной влажности воздуха 5-20 мг/л и температуре 10-80°С. Недостатками этого способа являются малая производительность процесса выдавливания единичного волокна, применение удлиняющей технологический процесс операции обработки готового материала в электростатическом поле, что также не обеспечивает высокого и устойчивого электретного заряда (носители заряда локализуются в основном на поверхности волокон).

Более перспективным представляется заряжение на стадии формирования. Способ [10] получения электретного тонковолокнистого фильтрующего материала включает распыление расплава полипропилена и подачи его сжатым воздухом на рулонообразующие механизмы при совмещении процессов формирования волокон и их электризации в поле коронного разряда (подаваемое напряжение 15 кВ). Недостатками данного технического решения является использование однофильерной экструзионной головки, что обусловливает малую производительность процесса, а также отсутствие возможности варьировать параметры электретного эффекта в волокнистом материале.

Прототипом заявляемого изобретения является способ получения электретного тонковолокнистого фильтрующего материала для респираторов [11], включающий аэродинамическое распыление расплава гранулированного полипропилена, подачу материала сжатым воздухом на рулоннообразующие механизмы и совмещение процессов формирования и электризации волокон в поле коронного разряда, отличающийся тем, что фильтрующий материал получают на основе полипропилена с индексом текучести расплава 25-35 г/10 мин, используют многофильерную экструзионную головку, применяют электризацию расплава в поле отрицательного коронного разряда напряженностью 5-12 кВ/см при варьировании расстояния от выхода расплава из экструдера до зоны электризации в пределах 50-120 мм. Такой фильтрующий материал обладает активностью по отношению к фильтруемой среде (эффективная поверхностная плотность электретного заряда 15-20 нКл/см²), что существенно повышает его рабочие свойства и создает условия для высокоэффективной фильтрации воздушных сред по механизмам объемного захвата и электростатического притяжения. Известно также, что электризация на высокотемпературной стадии диспергирования расплава по нескольким механизмам приводит к образованию электрета, проявляющего как инжекционную, так и дипольную поляризацию [12].

Главный недостаток прототипа является продолжением его очевидных достоинств. Очищаемый воздух, как правило, содержит дисперсные частицы различной природы и размеров. Электретный фильтрующий слой способен задерживать подавляющее большинство таких частиц, однако его высокая электрическая активность оборачивается тем, что концентрация осевших на волокнах загрязнителей возрастает очень быстро. При определенных условиях это может привести к быстрому "забиванию" пор в материале и, как следствие, к значительному уменьшению пропускной способности на фоне снижения электрической активности (снятия заряда).

Задачей изобретения является создание на базе экономичной и экологически чистой технологии полимерного тонковолокнистого фильтрующего материала, реализующего электростатическую фильтрацию, обладающего высокой эффективностью очистки воздушного потока и техническим ресурсом.

Поставленная задача решается тем, что фильтрующий материал, содержащий слой в виде полотна толщиной 1 мм из волокон полипропилена диаметром 0,5-1,5 мкм, плотностью упаковки 0,20-0,23 г/см³ и электрическим зарядом с поверхностной плотностью 17-20 нКл/см², изготовленный методом аэродинамического распыления расплава и электризации волокон в поле коронного разряда в процессе формования, дополнительно содержит слой в виде неэлектризованного полотна толщиной 1 мм из волокон полипропилена с диаметром 10-20 мкм и плотностью упаковки 0,25-0,30 г/см³, изготовленный методом аэродинамического распыления расплава и размещенный со стороны, непосредственно соприкасающейся с очищаемым воздушным потоком. Слои скреплены между собой точечной сваркой.

Сущность изобретения состоит в том, что наличие двух слоев обеспечивает раздельную, но взаимодополняющую реализацию механической и электростатической фильтрации. Неэлектризованный слой, размещенный со стороны, непосредственно соприкасающейся с очищаемым воздушным потоком, состоящий из сравнительно толстых волокон (и, следовательно, имеющий сравнительно крупные поры), механически захватывает из очищаемого потока воздуха крупные частицы загрязнителей, не позволяя им проникать глубже. Тем самым снимается избыточная нагрузка на электризованный фильтрующий слой. Последний задерживает прошедшие через внешний слой значительно более мелкие частицы, что не приводит к быстрому росту концентрации осевших на волокнах загрязнителей, забиванию пор и снятию заряда. При фильтрации аэрозоля его крупные частицы осаждаются в крупных порах внешнего слоя, в результате чего к внутреннему слою проникают более мелкие фракции, задерживаемые им с большей эффективностью. Тем самым повышается эффективность очистки и увеличивается срок службы (технический ресурс) фильтрующего материала.

Приведем пример реализации изобретения.

Гранулят полипропилена с индексом текучести расплава 20 г/10 мин нагревают в трехзонном экструдере при температурах в зонах I - 190-210°С, II - 280-330°С, III - 360-400°С и температуре распыляющей головки 390°С, и выдавливают через сопло с не менее чем 120 выходными отверстиями диаметром 0,4 мм, расположенными в одну линию. Расплавленный полимер увлекается потоком сжатого горячего воздуха под давлением 1,5-3 атм и вытягивается в волокна. Далее полимерная масса оседает на формообразующем механизме, образуя полотно, - слой когезионно скрепленных между собой волокон диаметром 10-20 мкм с плотностью упаковки 0.25-0.30 г/см ³. По достижении толщины полотна 1 мм аэродинамическое распыление прекращают. После этого в экструдер загружают гранулят полипропилена с индексом текучести расплава не менее 25-35 г/10 мин, нагревают его при температурах в зонах червяка: I - 190-210°С, II - 280-330°С, III - 360-400°С и температуре распыляющей головки 390°С и также выдавливают через сопло. Расплавленный полимер увлекается потоком сжатого горячего воздуха под давлением 1,5-3 атм и вытягивается в волокна, которые подвергаются электризации коронным разрядом напряженностью 12 кВ/см. Расстояние от фильеры экструдера до зоны электризации варьируется в пределах 50-120 мм. Полимерная масса оседает на формообразующем механизме поверх ранее нанесенного неэлектризованного волокнистого слоя из полипропилена. В результате образуется двухслойное полотно, электризованный слой которого состоит из волокон толщиной 0,5-1,5 мкм, имеет плотность упаковки 0,20-0,23 г/см и несет электретный заряд с поверхностной плотностью 17-21 нКл/см². Аэродинамическое распыление полипропилена ведут до достижения суммарной толщины полотна 2 мм. Сформированное слоистое двухслойное полотно режут на фрагменты требуемых габаритов и дополнительно скрепляют слои точечной сваркой.

Сформированный слоистый фильтрующий материал испытывали по следующим критериям:

1) коэффициент проникания масляного аэрозоля, %, по ГОСТ 12.4.041-89;

2) аэродинамическое сопротивление, Па, по ГОСТ 12.4.041-89;

3) эффективная поверхностная плотность электретного заряда, нКл/см² , по ГОСТ 25209-82.

В Таблице приведены результаты фильтрационных испытаний 4 образцов слоистого материала, в котором электризованный слой несет разный по величине электретный заряд (разница при постоянном значении напряженности поля коронного разряда - 12 кВ/см - обусловлена различным расстоянием от фильеры до зоны электризации), а также материала-прототипа толщиной полотна 2 мм, полученного согласно [11]. Испытания проводили в течение 80 мин при скорости потока воздуха 1,5 см/с.

Таблица 1
Образцы материала	Параметры
	Расстояние от фильеры до зоны электризации	Эффективная поверхностная плотность заряда электризованного слоя, нКл/см2	Коэффициент проникания масляного аэрозоля, %, спустя время, мин					Аэродинамическое сопротивление, Па, спустя время, мин
			2	20	40	60	80	2	20	40	60	80
1	50	20,1	0,13	0,1	0,08	0,07	0,06	42	48	50	56	60
2	70	20,0	0,15	0,16	0,14	0,14	0,14	40	49	52	56	58
3	100	19,3	0,18	0,17	0,14	0,12	0,12	42	45	54	57	60
4	120	17,6	0,2	0,18	0,17	0,14	0,13	44	46	48	50	59
5 (прототип)	50	20,1	0,2	0,17	0,16	0,15	0,14	40	47	52	56	60

Результаты испытаний показывают, что слоистый материал характеризуется высокой эффективностью очистки воздушного потока, способен длительно (свыше 1 часа) сохранять основные свойства при эксплуатации и по этим критериям превосходит прототип. Это подтверждает вышеуказанный механизм работы слоистого материала. Дополнительными исследованиями также установлено, что электретный заряд электризованного слоя характеризуется достаточно высокой стабильностью во времени: при хранении фильтроматериала в течение 120 сут при температуре 20% и относительной влажности 80% зафиксировано снижение электретного заряда на 0,8% (для прототипа - на 1,5%). Это, по-видимому, обусловлено тем, что в заявляемом слоистом материале с атмосферой контактирует лишь одна сторона электризованного слоя, вследствие чего вероятность снятия электретного заряда снижается примерно вдвое.

Заявляемый слоистый материал обладает существенными признаками новизны и может быть реализован в промышленности. Важным элементом новизны является раздельная реализация механической и электростатической фильтрации газовоздушных сред. Слоистый фильтрующий материал предназначен для применения в качестве фильтрующего элемента в средствах защиты органов дыхания (легких респираторах).

Источники информации

1. И.В.Петрянов, В.И.Козлов и др. Волокнистые фильтрующие материалы ФП. - М.: Знание, 1963. - 232 с.

2. И.В.Петрянов, B.C.Кащеев и др. Лепесток. Легкие респираторы. - М.: Наука, 1984. - 168 с.

3. Ю.Н.Филатов. Электроформование волокнистых материалов (ЭФМ-процесс). - М.: Нефть и газ, 1997. - 297 с.

4. RU 2042393, 1995, B 01 D 39/16.

5. RU 2042394, 1995, B 01 D 39/16.

6. RU 97101193, 1999, B 01 D 39/16.

7. RU 2060036, 1996, A 62 B 7/10.

8. RU 2135263, 1999, B 01 D 39/16.

9. RU 2108132, 1998, B 01 D 39/16.

10. US 4215682, 1980, A 62 B 7/10.

11. RU 2198718, 2003, B 01 D 39/16, A 62 B 23/02 (прототип).

12. А.Г.Кравцов, В.А.Гольдаде, С.В.Зотов. Полимерные электретные фильтроматериалы для защиты органов дыхания./Под науч. ред. Л.С.Пинчука. - Гомель: ИММС НАНБ, 2003. - 204 с.