Способ получения фильтрующего материала

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФИЛЬТРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Институт механики металлополимерных систем НАН Беларуси (ИММС НАНБ)(73) Патентообладатель Институт механики металлополимерных систем НАН Беларуси(57) Способ получения фильтрующего материала путем экструзии полимера, наполненного частицами магнитотвердого порошка, выдавливания образующихся волокон в вязкотекучем состоянии и их распыления потоком газа, содержащего частицы магнитотвердого порошка, воздействия на поток волокон текстурирующим магнитным полем и осаждения волокнистой массы на формообразующую подложку, отличающийся тем, что для наполнения полимера используют частицы порошка размером менее 5 мкм, в газовый поток вводят частицы порошка размером до 200 мкм и регулируют их расход так, чтобы создать в фильтрующем материале градиент концентрации магнитотвердых частиц, убывающий в направлении фильтрования с максимальным содержанием 40 мас.на входе фильтруемой среды, а напряженность текстурирующего магнитного поля поддерживают не ниже 8105 А/м.(56) 1.2502096, МПК 01 39/16,62 23/00, 1979. 2.92015769, МПК 01 39/00, 1995 (прототип). Изобретение относится к технологии получения волокнистых фильтрующих материалов из расплава полимеров и модифицирования их дисперсными магнитотвердыми веществами. Известен способ получения магнитных фильтрующих материалов, заключающийся в экструзии полимерного материала, выдавливании полимерных волокон и их распылении потоком газа. В процессе распыления волокна,находящиеся в вязкотекучем состоянии, приводят в контакт с частицами порошка из магнитотвердого вещества. Последние адгезионно закрепляются на волокнах, которые осаждают в виде волокнистой массы 1. Недостатки такой технологии - необходимость борьбы с запыленностью рабочего помещения и большие потери магнитного порошка. Прототипом изобретения является способ получения фильтрующего материала 2. Он состоит из следующих операций экструзия полимера, наполненного магнитотвердым материалом выдавливание волокон в виде расплава наполненного материала распыление волокон, находящихся в вязкотекучем состоянии, потоком газа введение в поток газа порошка магнитотвердого материала воздействие на поток волокон текстурирующим магнитным полем, направленным по оси потока осаждение волокнистой массы на формообразующую подложку. Недостатки прототипа значительные потери мелких фракций магнитотвердого материала, вводимого в поток газа, при распылении волокон нестабильность рабочих характеристик фильтрующего материала, формируемого с использованием магнитотвердых компонентов полифракционного состава 2803 1 высокая вероятность разрушения адгезионных соединений волокно-частица и уноса частиц, размер которых меньше зазора между волокнами, потоком фильтруемой среды. Задачи, на решение которых направлено изобретение 1) оптимизация структурных характеристик полимерных магнитных волокнистых материалов по критериям эффективности фильтрования 2) снижение расхода магнитотвердых компонентов 3) увеличение прочности закрепления магнитотвердых частиц в волокнистом каркасе фильтрующего материала. Поставленные задачи решаются тем, что известный способ получения фильтрующего материала, состоящий из операций экструзии полимера, наполненного магнитотвердым материалом, выдавливания волокон из расплава наполненного полимера, распыления волокон, находящихся в вязко-текучем состоянии, потоком газа, введении в газовый поток порошка магнитотвердого материала, воздействии на поток текстурирующим магнитным полем, направленным по оси потока, и осаждения волокнистой массы на формообразующую подложку, дополнен следующими новыми операциями. Экструзии подвергают полимерный гранулят, содержащий тонкую (менее 5 мкм) фракцию частиц магнитотвердого наполнителя. В поток газа вверят грубую фракцию порошка магнитотвердого материала с размерами частиц до 200 мкм. Расход порошка регулируют таким образом, чтобы создать в фильтрующем материале градиент концентрации магнитотвердых частиц. Он характеризуется убыванием концентрации в направлении фильтрования с максимальным содержанием 40 мас на входе фильтруемой среды в материал. Напряженность текстурирующего магнитного поля поддерживают не ниже 8105 А/м. Сущность изобретения состоит в следующем. 1. Для того, чтобы полимерный волокнистый каркас фильтрующего материала имел однородную стабильную структуру, частицы магнитотвердого наполнителя должны отвечать следующим критериям а) находиться внутри волокна, не выступая за его контуры б) иметь достаточно низкую теплоемкость, чтобы не вызывать появления корольков, бусинок, оплавления контакта более трех волокон и т.п. нарушений однородности каркаса. Это условие выполняется для широкого ряда волокнистых полимерных материалов с диаметром волокон 550 мкм, если размер частиц наполнителя не превышает 5 мкм. 2. Предельные значения магнитных характеристик фильтрующего материала нельзя реализовать путем увеличения степени наполнения гранулята. Последняя ограничена по критериям технологических и физикомеханических характеристик волокнистого каркаса. Резервы повышения концентрации магнитотвердого модификатора в материале связаны с адгезионным закреплением частиц магнетика на волокнах. Для этого оптимально подходят частицы до 200 мкм, размер которых больше зазоров между волокнами. Благодаря этому предотвращается унос частиц фильтруемой средой при разрушении адгезионных соединений частицаволокно. Увеличение размера частиц более 200 мкм нецелесообразно, т.к. их включение в волокнистый каркас существенно нарушает однородность его структуры и ухудшает тонкость фильтрации. 3. Анализ распределения частиц загрязнителя в отработавшем фильтроэлементе свидетельствует о неравномерной концентрации загрязнений с максимумом вблизи входа фильтруемой жидкости в фильтроэлемент. Изобретение позволяет снизить расход дефицитных магнитотвердых модификаторов, не ухудшая рабочие характеристики фильтра. Для этого регулируют расход магнитотвердого порошка, вводимого в распыляющий газ, чтобы создать в фильтрующем материале градиент концентрации магнетика. Он убывает в направлении фильтрования, создавая магнитное поле с напряженностью, распределение которой в материале соответствует распределению загрязнителя, уловленного фильтром. 4. Согласно изобретению максимальное содержание магнетика на входе фильтруемой среды в материал не превышает 40 мас. Это соответствует оптимальному с позиций технологии количеству модификатора,иммобилизованного волокнами. Превышение оптимальной концентрации незначительно влияет на характеристики фильтрования. 5. Напряженность (Н) текстурирующего магнитного поля не ниже 8105 А/м обусловливает возникновение в технических материалах магнитного насыщения. Таким образом в процессе напыления реализуется наибольшая сила магнитного притяжения частиц магнитотвердого порошка, вводимого в распыляющий газ, и частиц магнитного наполнителя, закапсулированных в волокнах. Это обеспечивает минимум технологических потерь порошка при изготовлении фильтрующего материала. Примеры осуществления способа. Формируют фильтрующий материал на основе полиэтилена (ПЭ) высокого давнения (ГОСТ 16337 - 77 Е) и порошков феррита бария (ФБ) или феррита стронция (ФС), соответствующих ТУ 6-05-1984 - 85. Технология получения образцов включала операции гранулирование - приготовление гранул экструзионной переработкой ПЭ, наполненного (15 мас.) порошкообразным ФБ или ФС переработка гранул в шнековом экструдере, выдавливание расплава в виде волокон через фильеру с отверстиями диаметром 0,3 мм распыление волокон осушенным воздухом из промышленной пневмосети (р 0,4 МПа) введение в поток распыляющего воздуха порошка ФБ или ФС, отбираемого из генератора псевдоожижения 2 2803 1 пропускание потока волокон через индуктор, соединенный с импульсным источником тока ИИТ-2000 направление потока на движущуюся бесконечную ленту съем волокнистой массы в виде полотна толщиной 10 мм и вырезание из него круглых образцов диаметром 70 мм. Все образцы имели одинаковые структурные параметры волокнистого каркаса диаметр волокон 5 - 10 мкм, среднее расстояние между волокнами 7 - 12 мкм. Концентрационно-технологические варианты образцов приведены в табл. 1. Однородность структуры волокнистого каркаса оценивали с помощью оптического микроскопа, определяя количествокорольков на площади 1 см 2 поверхности образцов. Прочность адгезионных соединений частиц феррита с волокнами определяли по потере массыобразцов, подвергнутых многократному изгибу по ГОС 8978 - 75. Рабочие характеристики фильтрующего материала определяли с помощью установки для испытания фильтроэлементов по ГОСТ 25277 - 82. Водопроводную воду искусственно загрязняли, вводя в не аризонскую пыль с размером частиц 0,5 - 5 мкм в количестве 10-5 от массы воды. Пробы воды до и после фильтрования, продолжавшегося 15 мин, изучали с помощью оптического анализатора. Определяли абсолютную тонкость фильтрации (АТФ) образцов, т.е. размер части, для которых коэффициент фильтрования 1/20,987, гд- индекс, обозначающий выбранный размер частиц, 1 и 2 - количество частиц большего размера, чем выбранный, в 1 мл воды до и после исследуемого образца. Таблица 1 обр. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 (прототип) размер (мкм) частиц порошка в распыляющем газе ФБ ФС 180 200 220 180 200 220 Концентрация ( мас) магнетика в частях образца на входе на выходе Содержание (С) феррита в образцах определяли весовым методом как разность масс наполненного образца и полимерного каркаса. Потери (П) феррита при формировании образцов оценивали, взвешивая собранный на поддоне феррит,осыпавшийся при распылении, и относя его к количеству сформированных образцов. Результаты испытаний представлены в табл. 2, 3 и 4. Их анализ свидетельствует о следующем. Из табл. 2 видно, что увеличение размеров частиц феррита, перерабатываемых экструзией совместно с ПЭ, более 5 мкм (образцы 3 и 6) приводит к появлению неоднородностей волокнистого каркаса. Это неизбежно обусловливает снижение эффективности фильтрования. Как следует из табл. 3 при ах размере распыляемых частиц более 200 мкм (образцы 9 и 12) зарегистрировано их осыпание при многократных изгибах образца. Это снижает надежность фильтроэлементов и свидетельствует о несовершенстве технологии их получения. 3 2803 1 Данные табл. 4 свидетельствуют, что применение текстурирующего поля напряженностью Н 6105 А/м (образцы 13 и 16) обусловливает увеличение АТФ до 10 мкм. Возрастание Н до 10105 А/м (15 и 18) снижает АТФ до 5 мкм и дает такой же эффект, как и поле Н 8105 А/м (14 и 17), также обеспечивающее намагничивание феррита до насыщения. В то же время применение поля Н 6105 А/м на порядок увеличивает потери порошка при напылении по сравнению с Н(810)105 А/м. Уменьшение концентрации феррита в образцах до 35(19 и 21) немедленно сказывается на увеличении АТФ до 10 мкм. Возрастание концентрации до 45(20 и 22) дает такой же эффект, как и при 40(14 и 17) АТФ 5 мкм. Таблица 2 Характеристика однородности структуры Таблица 4 образцов АТФ, мкм С,П,13 10 52,0 14 5 5,1 15 5 40 5,1 16 10 49,9 17 5 4,0 18 5 4,1 19 10 35 4,1 20 5 45 4,3 21 10 35 4,0 22 5 45 4,2 23 5 28 3,5 24 5 28 3,7 25 (прототип) 12 40 57,3 Создание градиента концентрации феррита с 40 на входе фильтруемой воды в образец до 15(концентрация феррита в грануляте) на выходе (23 и 24) позволяет значительно уменьшить расход феррита, не снижая эффективность фильтрации. Образцы, полученные по предложенной технологии (23 и 24), значительно превосходят прототип (25) по тонкости фильтрации (АТФ-5 и 12 мкм, соответственно) при более низких значениях наполнения ферритом (28 и 40 ) и технологических потерь порошка (3,5 , 3,7 и 57,3 ). Изобретение может быть использовано в различных областях техники, где целесообразно совмещать фильтрование и магнитную обработку жидкостей. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.