Спосіб отримання тонковолокнистого фільтрувального матеріалу

Реферат: Спосіб отримання тонковолокнистого фільтрувального матеріалу, що включає змішування волокноутворюючого і матричного полімерів, формування композиційної плівки та екстракцію матричного полімеру. Після змішування полімерів формують композиційну стренгу на одношнековому екструдері, а формування композиційної плівки здійснюють методом адитивного нанесення розплаву суміші полімерів на 3D принтері із композиційної стренги з утворенням багатошарової композиційної плівки, в якій шари стренг розташовані перпендикулярно один до одного. UA 116946 U (12) UA 116946 U UA 116946 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до розробки технології формування тонковолокнистих прецизійних фільтрувальних матеріалів (ФМ) на основі ультратонких синтетичних волокон (мікроволокон) шляхом переробки розплавів сумішей полімерів. Фільтри на їх основі застосовуватимуться для прецизійної очистки питної води на виробництві і у побуті та технологічних середовищ, в тому числі і агресивних, від механічних домішок. Відомий спосіб отримання тонковолокнистого фільтрувального матеріалу (патент USA № 6,858,057, Filter media, МПК В01D 39/16, 2005), який полягає у формуванні волокон методом роздуву розплаву полімеру з утворенням фільтрувальних шарів. При цьому формують шари з волокон різних діаметрів: перший шар утворений волокнами діаметром (10-30) мкм, а другий волокнами діаметром < 5,0 мкм. Ефективність фільтрації таким ФМ, визначена за частинками монодисперсного латексу стиролу з діаметром 0,78 мкм, становить (97-99) %. Фільтрувальний матеріал складається з одного або більшої кількості шарів тонких волокон (бажано із трьох). Кожний такий шар відокремлюється від іншого більш грубим матеріалом. Фільтри застосовуються для очистки повітря, а також рідких середовищ (відпрацьоване масло, гідравлічні рідини тощо). При цьому у фільтрувальних матеріалах, одержаних цим методом, волокна у фільтрувальному шарі розташовуються хаотично, і тому ФМ має неоднорідні структуру і щільність. Це може призвести до утворення у фільтрувальному шарі окремих пор більших діаметрів, що зумовить погіршення ефективності фільтрації. Відомий також спосіб отримання тонковолокнистого фільтрувального матеріалу (Глубіш П.А., Ірклей В.М., Клейнер Ю.Я., Резанова Η.Μ., Цебренко М.В., Кернер СМ., Омельченко В.Д., Турчаненко Ю.Т. Високотехнологічні, конкурентоспроможні і екологічно орієнтовані волокнисті матеріали та вироби з них - К.: Арістей, 2007. - 263 с.), який включає змішування волокноутворюючого і матричного полімерів, формування композиційної плівки та екстракцію матричного полімеру розчинником, інертним по відношенню до волокноутворюючого полімеру. При цьому формування композиційної плівки здійснюють на черв'ячному екструдері через плоскощілинну головку, а фільтрувальний матеріал складається із одного шару. Як волокноутворюючий і матричний компоненти використовують термопластичні полімери у співвідношенні (20-35) і (65-80) мас. % відповідно. В результаті отримують ФМ із мікроволокон з діаметрами від десятих часток до декількох мікрометрів, які розташовані в шарі не за законом випадку, а чітко орієнтовані в напрямку екструзії, що забезпечує їм однорідні структуру і щільність. Одержані фільтрувальні матеріали мають високу ефективність очистки, завдяки однорідній структурі та незвичайній будові поверхні волокон: кожне мікроволокно по всій довжині покрите нанофібрилами. Це забезпечує їх зчеплення у фільтрувальному шарі. Проте, його міцність у поперечному напрямку значно менша, ніж у поздовжньому. Тому при експлуатації фільтрувального матеріалу його розміщують між двома шарами нетканих матеріалів. Це підвищує матеріалоємність їх виробництва. В основу корисної моделі поставлена задача створити такий спосіб отримання тонковолокнистого фільтрувального матеріалу, в якому введенням нової операції та вибором нового обладнання забезпечувались би підвищення ефективності ФМ та його міцності в обох напрямках, завдяки чому зростали б термін експлуатації фільтрів, якість очистки рідких і газових середовищ та розширився б асортимент тонковолокнистих прецизійних фільтрувальних матеріалів. Поставлена задача вирішена тим, що в способі отримання тонковолокнистого фільтрувального матеріалу, що включає змішування волокноутворюючого і матричного полімерів, формування композиційної плівки та екстракцію матричного полімеру, згідно з корисною моделлю, після змішування полімерів формують композиційну стренгу на одношнековому екструдері, а формування композиційної плівки здійснюють методом адитивного нанесення розплаву суміші полімерів на 3D принтері із композиційної стренги з утворенням багатошарової композиційної плівки, в якій шари стренг розташовані перпендикулярно один до одного. Доцільно, щоб кількість шарів композиційних стренг складала 2-4. Формування композиційної плівки методом адитивного нанесення розплаву суміші полімерів з використанням 3D принтера дозволяє підвищити однорідність структури та міцність фільтрувального матеріалу у всіх напрямках, завдяки чому зростають прецизійність ФМ, ефективність фільтрації і термін експлуатації та розширюється асортимент тонковолокнистих фільтрувальних матеріалів. Суть запропонованої корисної моделі полягає в тому, що спочатку формують композиційну стренгу із суміші волокноутворюючого і матричного полімерів на одношнековому екструдері з використанням фільтраційної системи з пакетом сіток з розміром комірок (30-50) мкм за тиску 5 (60-80)·10 Па, що забезпечує необхідний ступінь деформування крапель полімеру дисперсної 1 UA 116946 U 5 10 15 20 25 30 35 40 фази та злиття їх у рідкі струмені (мікроволокна). Потім методом адитивного нанесення розплаву суміші полімерів на 3D принтері формують композиційну плівку із композиційної стренги, вкладаючи її паралельно. При цьому плівка утворюється із двох і більше шарів, в яких стренги розташовані перпендикулярно одна до одної. Після екстракції матричного полімеру із композиційної плівки орієнтація мікроволокон зберігається, що забезпечує формування фільтрувального шару із мікороволокон, чітко орієнтованих в кожному шарі та розташованих перпендикулярно одних до інших. В порівнянні з найближчим аналогом, фільтрувальний матеріал, одержаний за даним способом, має вищі прецизійність та ефективність очищення рідких та газових середовищ, а також більший термін експлуатації, завдяки покращенню однорідності структури та збільшенню міцності фільтрувального шару. Фільтрувальний матеріал одержують із суміші волокноутворюючого і матричного полімерів, а компоненти беруть у такому співвідношенні, мас. %: волокноутворюючий полімер 20,0-35,0; матричний полімер 65,0-80,0. Фільтрувальний матеріал із одного шару має міцність і ефективність фільтрації на рівні найближчого аналога. Коли кількість шарів є більшою ніж 4, то міцність і ефективність очищення покращуються, але незначною мірою. При цьому зростає опір ФМ, що зумовлює зменшення продуктивності фільтрів, а також збільшується матеріалоємність виробництва. З літератури невідомо одержання тонковолокнистого фільтрувального матеріалу із суміші волокноутворюючого і матричного полімерів шляхом формування композиційної плівки із композиційної стренги методом адитивного нанесення розплаву суміші на 3D принтері та подальшої екстракції матричного полімеру. Таким чином, за способом, що пропонується, отримують тонковолокнисті фільтрувальні матеріали, які є більш прецизійними, мають кращу ефективність очищення та одноріднішу міцність, порівняно зі способом найближчого аналога. Корисна модель пояснюється таким прикладом. Приклад. Для отримання тонковолокнистого фільтрувального матеріалу як волокноутворюючий компонент вибрали поліпропілен (ПП) марки TATREN HG 1007 з показником текучості розплаву 10 г/10 хв., а як матричний співполіамід (СПА) марки 6/66 з температурою плавлення 170 °C та вмістом низькомолекулярних сполук 3,5 мас. %. Співполіамід попередньо сушили під вакуумом за температури (85±5) °С до вмісту вологи і летких сполук 0,05 мас. %. Композиційну стренгу діаметром 1,75 мм формували на одношнековому екструдері з використанням фільтраційної 5 системи із сіток марки П72-П120 з розміром комірок 30 мкм за тиску 70·10 Па. Із одержаної стренги методом адитивного нанесення розплаву суміші полімерів на 3D принтері формували багатошарові композиційні плівки, в яких шари розташовані перпендикулярно один до одного. Екстракцію СПА проводили спирто-водним розчином за температури (70±5) °С. Після екстракції матричного полімеру одержали фільтрувальний матеріал, який складається із ПП мікроволокон. Це свідчить про те, що запропонований спосіб формування композиційної плівки із суміші волокноутворюючого і матричного полімерів дозволяє реалізувати волокноутворення поліпропілену в матриці співполіаміду. Затримуючу здатність ФМ оцінювали за допомогою лічильника аерозольних частинок АЗ-5 в діапазоні їх діаметрів (0,3-1,0) мікрометрів. Ефективність фільтрації визначали, як відношення кількості затриманих частинок відповідного діаметра до їх кількості у повітрі. Вплив кількості шарів у композиційній плівці на ефективність фільтрації атмосферного повітря від механічних домішок наведено в таблиці. Таблиця Ефективність фільтрації атмосферного повітря від механічних домішок К-ть шарів 1 2 3 4 5 аналог 0,3 80,7 85,0 90,2 95,6 96,1 78,6 Ефективність фільтрації (%) за частинками розміром, мкм 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 85,4 86,6 88,7 90,5 92,7 97,4 88,5 90,8 93,8 95,4 96,9 99,1 92,8 95,4 98,9 100 100 100 96,8 97,9 99,9 100 100 100 97,3 98,0 100 100 100 100 83,5 85,9 88,6 89,3 91,9 98,3 45 2 1,0 99,8 99,9 100 100 100 99,9 UA 116946 U 5 10 15 Аналіз одержаних результатів свідчить, що фільтрувальні матеріали ефективно затримують механічні частинки в усьому дослідженому діапазоні діаметрів. Фільтрувальний матеріал, який складається із одного шару поліпропіленових мікроволокон, має затримуючу здатність на рівні найближчого аналогу. Зі збільшенням кількості шарів прецизійність і ефективність фільтрувальних матеріалів зростають. Проте, коли кількість шарів стає більшою чотирьох, значно зростає опір ФМ та зменшується їх продуктивність. Фільтрувальний матеріал, який складається із чотирьох шарів, характеризується високими затримуючою здатністю та продуктивністю. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Спосіб отримання тонковолокнистого фільтрувального матеріалу, що включає змішування волокноутворюючого і матричного полімерів, формування композиційної плівки та екстракцію матричного полімеру, який відрізняється тим, що після змішування полімерів формують композиційну стренгу на одношнековому екструдері, а формування композиційної плівки здійснюють методом адитивного нанесення розплаву суміші полімерів на 3D принтері із композиційної стренги з утворенням багатошарової композиційної плівки, в якій шари стренг розташовані перпендикулярно один до одного. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що кількість шарів композиційних стренг складає 2-4. 20 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3