Спосіб одержання фільтруючого матеріалу з полімерних волокон і субмікронний фільтруючий елемент з використанням способу

Група винаходів відноситься до технології одержання полімерних фільтруючих матеріалів і на її основі фільтроелементів, використовуваних для обробки будь-яких рідин і газів неагресивних до матеріалу елементів. Найближчим аналогом до заявленого способу в групі винаходів за сукупністю ознак є спосіб одержання фільтруючого матеріалу з полімерних волокон (Технологічна інструкція на одержання фільтрувального матеріалу з поліетилену високого тиску. Інститут механіки металополімернихсистем. Гомель, 1991р.), який полягає в тому, що полімерний матеріал нагрівають до в'язкотекучого стану, продавлюють його через філь’єру, витягують сформовані струмені розплаву у волокна за допомогою обдування повітрям, напилюють їх на рухому формоутворюючу поверхню і охолоджують у високовольтному полі або в полі коронного розряду. Ознаками найближчого аналогу, які співпадають з ознаками заявленого способу, є нагрівання термопластичного полімеру до в'язкотекучого стану, продавлювання його через філь‘єру, витягування сформованих струменів розплаву у волокна за допомогою обдування повітрям, напилення одержуваних волокон на рухому формоутворюючу поверхню, охолодження одержуваного матеріалу. До причин, які перешкоджають досягненню зазначеного нижче технічного результату при використанні відомого способу, взятого за найближчий аналог, відносять те, що відомим способом неможливо одержати субмікронний фільтруючий матеріал з високим вмістом пор на одиницю поверхні, який призводить до зниження гідравлічних втрат на фільтруючому матеріалі і підвищення грязеємності останнього, а також одержати фільтруючий матеріал у широкому діапазоні тонкостей фільтрації, внаслідок того, що відомим способом фільтрувальний матеріал одержують при постійній в'язкості розплаву, забезпечуваній збалансованим постійним технологічним режимом, який включає в собі тиск і температуру розплаву, тиск розпорошуючого повітря, пов'язаної з одержанням певного діаметру волокна (30-60мкм), нижче за який перемінна напруженість поля при напилені та охолодженні фільтруючого матеріалу не дає очікуваного ефекту і при фільтрації цим фільтруючим матеріалом починають переважати механізми торкання і дифузійного осадження. При збільшенні діаметра волокна понад 60мкм ефект електричного осадження також зменшується. Електричні заряди на волокнах нестабільні і можуть зникати внаслідок проводимості волокна і під впливом вологості, крім того, не всі полімерні матеріали здатні накопичувати електростатичний заряд, зокрема поліпропілен. Найближчим аналогом того ж призначення до заявлюваного пристрою в групі винаходів за сукупністю ознак є субмікронний фільтруючий елемент ФТВП за ТУУ-020-89 0001-96, розроблений AT "Укрфільтр", що складається з внутрішнього і зовнішнього перфорованих каркасів з поліпропілену, між якими міститься ультратонкий гофрований фільтруючий матеріал. Конструкція фільтруючого елементу дозволяє робити фільтрацію як ззовні фільтра всередину, так і навпаки. Ознаками найближчого аналога, які співпадають з ознаками пристрою, який заявляється, є наявність внутрішнього і зовнішнього каркасних шарів, між якими міститься шар ультратонкого фільтруючого матеріалу. До причин, що перешкоджають досягненню зазначеного нижче технічного результату, при використанні відомого пристрою, взятого за найближчий аналог, відноситься те, що у відомому субмікронному фільтруючому елементі ультратонкий шар фільтрувальної тканини виконаний у вигляді гофра, розміщеного між зовнішнім і внутрішнім перфорованими каркасами з обов'язковим заливкою торців для зберігання форми і герметизації кожної складки, що ускладнює технологію виготовлення фільтруючого елементу. В основу винаходу покладене завдання удосконалення способу одержання фільтруючого матеріалу і створення на його основі субмікронного фільтруючого матеріалу за рахунок збалансованого змінного технологічного режиму процесу одержання фільтруючого матеріалу, що забезпечує можливість одержання останнього також в широкому діапазоні тонкостей фільтрації, при одночасному підвищенні грязеємності і зниження гідравлічних втрат на фільтруючому матеріалі, що призводить до зниження відповідно енергетичних затрат у процесі фільтрації і створення з використанням способу субмікронного фільтруючого елементу. Технічним результатом винаходу є одержання субмікронного фільтруючого матеріалу з високим вмістом пор на одиницю поверхні, одержання фільтруючого матеріалу у широкому діапазоні тонкостей фільтрації, спрощення технології виготовлення фільтруючого елементу з використанням способу при збереженні високої грязеємності і низьких гідравлічних втрат на фільтруючому елементі. Зазначений єдиний технічний результат при здійсненні групи винаходів за об'єктом-способом досягається тим, що в способі одержання фільтруючого матеріалу з полімерних волокон, який включає нагрівання термопластичного полімеру до в'язкотекучого стану, продавлювання його через філь‘єру, витягування сформованих струменів розплаву у волокна за допомогою обдування повітрям, напилення одержуваних волокон на рухому формоутворюючу поверхню, охолодження одержуваного матеріалу, відповідно до винаходу початковий полімерний матеріал перетворюють на різний в'язкотекучий стан, який забезпечується збалансованим змінним технологічним режимом, що включає у собі тиск і температуру розплаву, тиск розпорошуючого повітря, а охолодження одержуваного фільтруючого матеріалу проводять у тепловому полі, яке забезпечує певну швидкість кристалізації (отвердіння) розплаву. Між сукупністю суттєвих ознак запропонованого об'єкту - способу в групі винаходів і викладеним вище технічним результатом, якого необхідно досягти, існує такий причинно-наслідковий зв'язок. Одержання субмікронного фільтруючого матеріалу з високим вмістом пор на одиницю поверхні, а також можливість одержання фільтруючого матеріалу у широкому діапазоні тонкостей фільтрації обумовлене проведенням збалансованого змінного технологічного процесу при змінній в'язкості розплаву та охолодженні останнього в тепловому полі і доказом того служить те, що, як відомо, діаметр одержуваного полімерного волокна, при інших незмінних умовах, знаходиться у прямій залежності: - від в'язкості розплаву полімеру: чим нижча в'язкість, тим тонший діаметр одержуваного волокна; - від швидкості охолодження розплаву полімеру: чим нижча швидкість охолодження, тим тонший діаметр одержуваного волокна; - від об'ємної швидкості і температури розпорошуючого повітря: чим вища об'ємна швидкість і температура розпорошуючого повітря, тим тонший діаметр одержуваного полімерного волокна. У свою чергу, в'язкість розплаву полімеру перебуває у зворотній залежності від температури розплаву: чим вища температура, тим нижча в'язкість розплаву; та у прямій залежності від тиску: чим нижчий тиск розплаву полімеру, тим нижча в'язкість. Одним з показників тиску розплаву, який проходить через філь‘єру, є продуктивність Qp - кількість розплаву, продавлена через філь’єру на одиницю часу. При цьому зв'язок продуктивності з тиском квадратична Q p = K v DPП де Qp - продуктивність розплаву через філь‘єру, кг/год; Kv - постійний коефіцієнт для конкретної філь‘єри, кг/год; РП - тиск розплаву полімеру, кгс/см2 Швидкість охолодження розплаву перебуває у зворотній залежності від температури теплового поля, у якому відбувається охолодження: чим вища температура, тим нижча швидкість охолодження і тим повільніше відбувається кристалізація (отвердіння) розплаву. Об'ємна швидкість розпорошуючого повітря також є функцією тиску Q в = K DPв де - Qв - об'ємне витрачання повітря, м3/год К - постійний коефіцієнт для конкретної розпорошуючої голівки, м3/год Рв - тиск розпорошуючого повітря кгс/см2 При відсутності і незбалансованості перелічених ознак технічного результату не може бути досягнуто. Зазначений технічний результат при здійсненні групи винаходів за об'єктом - пристроєм досягається тим, що в пристрої субмікронному фільтруючому елементі, який складається з внутрішнього і зовнішнього каркасних шарів, між якими поміщений субмікронний фільтруючий матеріал, відповідно до винаходу фільтруючий елемент виконаний у вигляді єдиного елемента з різною структурою шарів, у якому каркасні шари виконані з фільтрувальної тканини з діаметром і щільністю упаковки волокон, які забезпечують жорсткість конструкції, а розміщений між ними шар виконаний з фільтрувальної тканини з діаметром і щільністю упаковки волокон, які забезпечують субмікронну фільтрацію, грязеємність і гідравлічний опір фільтруючого елементу. Між сукупністю перелічених вище суттєвих ознак запропонованого об'єкту винаходу - пристрою в групі винаходів і технічним результатом, якого необхідно досягти, існує такий причинно-наслідковий зв'язок. Виконання фільтруючого елементу у вигляді єдиного, забезпечуваного збалансованим змінним технологічним режимом одержання фільтруючого матеріалу з різною структурою шарів елементу: внутрішнім і зовнішнім шарами, які роблять жорсткою конструкцію, і проміжним шаром, який забезпечує субмікронну фільтрацію, грязеємність і гідравлічний опір фільтруючого елементу, значно спрощує технологію виготовлення субмікронного фільтруючого елементу, здешевлюючи вартість виробу. Нижче наведено приклади здійснення способу і на кресленні подано субмікронний фільтруючий елемент, виготовлений з використанням способу. Приклад 1. Фільтруючий матеріал одержують з поліпропілену марки А6-71К ТУУ 54008400.001-97. Поліпропіленове волокно одержують шляхом пневмоекструзії з розплаву гранул поліпропілену на черв'ячному екструдері, оснащеному пневморозпорошуючою голівкою. Температура пневморозпорошуючої голівки 340°С, температура теплової камери 30°С і тиск розпорошуючого повітря 0,3кгс/см2. Швидкість подачі розплаву - продуктивність 1,0кг/год. У якості рухомої формоутворюючої поверхні використовують поверхню встановленого в тепловій камері, з метою забезпечення стабілізації температурного режиму в зоні напилення розплаву, барабану діаметром 100мм, який обертається зі швидкістю 250об/хв. і має осьове переміщення зі швидкістю 0,04м/сек. Доведений до в'язкотекучого стану поліпропілен за допомогою пневморозпорошуючої голівки наноситься на формоутворюючий барабан, який обертається і робить одночасно зворотно-поступальне переміщення. Волокна, перебуваючи у в'язкотекучому стані, нашаровуються на формоутворюючу поверхню барабану, зплавлюються між собою в місцях перетину та утворюють при застиганні в тепловому полі волокнисто-пористий фільтруючий матеріал з заданими властивостями. При досягненні заданих розмірів процес припиняється і готовий фільтруючий матеріал знімається з барабану. При такому збалансованому режимі технологічного процесу утворюється фільтруючий матеріал з діаметром волокна 100 мкм. Приклад 2. Поліпропіленовий фільтруючий матеріал одержують як у прикладі 1, тільки при параметрах температури розпорошуючої голівки 360°С, температури теплової камери 60°С, тиску розпорошуючого повітря 0,8кгс/см2, при швидкості подачі розплаву 0,5кг/год. При такому збалансованому режимі утворюється високоефективний фільтруючий матеріал з діаметром волокна 1-3мкм. Використання збалансованого змінного технологічного режиму та охолодження в тепловому полі забезпечує одержання фільтруючого матеріалу у широкому діапазоні тонкостей фільтрації 100-1мкм. Приклад 3 Порівняльний фільтруючий матеріал одержують пневмоекструзією з одночасною електризацією матеріалу, піддаючи його впливу поля високої напруженості або поля коронного розряду. Незалежно від напруженості поля розмір одержуваних волокон, за умовами одержання електретних матеріалів лежить у межах 30-60 мкм і ефективність фільтруючого матеріалу знаходиться у повній залежності від заряду накопиченого матеріалу та умов експлуатації. Отримані результати зведені в таблиці. Таблиця № з/п Температура Температура Тиск Швидкість Діаметр Тонкість розпорошуючої теплового розпорошуючого подачі волокна, фільтрації, Примітки Приклад 1 2 3 (порів няльний) голівки, °С 340 360 поля, °С 30 60 повітря кгс/см2 0,3 0,8 розплаву, кг/год 1 0,5 мкм мкм 100 1-3 50 0,5 Збалансований режим, коли діаметр волокна в межах 30-60 мкм При відсутності напруженості поля Субмікронний фільтруючий елемент з використанням способу містить внутрішній 1 і зовнішній 2 каркасні шари, виконані з фільтруючої тканини, діаметр і щільність упаковки волокон якої забезпечують жорсткість конструкції, наприклад, для поліпропілену діаметр каркасних волокон не менше 100мкм. На внутрішній каркасний шар 1 намотаний шар 3 фільтруючої тканини, діаметр і щільність упаковки волокон якої забезпечують субмікронну фільтрацію, грязеємність і гідравлічний опір фільтруючого елементу. Таким чином, фільтруючий елемент являє собою єдиний елемент з різною структурою шарів, які відрізняється простотою технології виготовлення. Фільтруючий елемент працює таким чином: матеріал, що фільтрується, проходить через бокову поверхню фільтруючого елементу незалежно від напряму подачі як ззовні, так і зсередини. Фільтруючий елемент залежно від способу застосування встановлюється у той чи інший корпус з можливістю ущільнення торців фільтруючого елементу.