Фильтрующий материал для тонкой очистки масел и топлив, способ его получения и применение
Владельцы патента RU 2732273:
Общество с ограниченной ответственностью «ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОФОРМОВАНИЯ» (RU)
Изобретение относится к области получения нетканых фильтрующих материалов из полимерных микроволокон, предпочтительно используемых для фильтрации масел и топлив в авиационной технике и системах обеспечения топливом. Фильтрующий материал содержит слой из полимерных микроволокон, полученных электроформованием, размещенный между двумя слоями нетканой подложки из полиэфирных волокон. Микроволокна выполнены из отвержденной в резит фенолформальдегидной смолы резольного типа с добавкой поливинилбутираля в количестве 7% от массы сухого вещества и имеют средний оптический диаметр равный 0, -2,0 мкм, при этом масса единицы площади микроволокнистого слоя составляет 4-6 г/м2. Фильтрующий материал имеет волокнисто-пористую структуру из скрепленных в местах пересечений микроволокон со значением пористости не менее 80% при среднем диаметре пор 1-8 мкм и аэродинамическое сопротивление потоку воздуха 15-100 Па при линейной скорости потока 1 см/с. Материал получен аэродинамическим электроформованием из раствора фенолформальдегидной смолы резольного типа с добавкой поливинилбутираля в количестве 7% от массы сухого вещества в смеси этилового спирта и этилацетата в соотношении 1/1-8/1 по массе при общей концентрации формовочного раствора 8-15 мас.%, с добавлением в раствор отверждающего агента - паратолуолсульфокислоты в количестве 3-5% от массы сухого вещества. Электроформование осуществляют в электростатическом поле с напряженностью от 1 до 3 кВ/см, расстоянием между электродами 10-30 см, при температуре в зоне электроформования 20-30°С и относительной влажности 30-50%. Объемный расход формовочного раствора устанавливают 30-100 мл/ч через одну форсунку, а объемный расход воздуха 25-40 л/мин через одну форсунку. Фильтрующий материал после электроформования дублируют фильтрующим слоем внутрь и подвергают термообработке в течение 24 ч при температуре 50°С для удаления остаточного растворителя, а затем в течение 10 ч при температуре 70°С для превращения фенолформальдегидной смолы в резитол, после чего фильтрующий материал каландрируют при температуре валов 105-115°С и давлении 0,3 МПа для скрепления волокон и слоев между собой, а затем подвергают последовательной термообработке в следующем режиме: 24 ч при температуре 90°С; 12 ч при температуре 110°С; 12 ч при температуре 120°С для отверждения фенолформальдегидной смолы в резит. Изобретение обеспечивает возможность тонкой очистки масел и топлив в авиационной технике и системах обеспечения топливом при температуре среды до 140°С от взвешенных частиц. Технический результат: повышение физико-механических свойств. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 пр., 1 табл.
Изобретение относится к области получения нетканых фильтрующих материалов из полимерных микроволокон, предпочтительно используемых для фильтрации масел и топлив в авиационной технике и системах обеспечения топливом.
Известен способ изготовления фильтровальной бумаги посредством отлива бумажной массы на сетке бумагоделательной машины, отличающийся тем, что в качестве волокнистого сырья для массы используют целлюлозу сульфатную небеленую, размолотую до степени помола 22-35 ШР и целлюлозу сульфатную мерсеризованную при следующем соотношении, мас.%: целлюлоза сульфатная размолотая 60-75, целлюлоза сульфатная мерсеризованная 25-40. Бумагу дополнительно пропитывают составом 2-5% концентрации, содержащим поливинилацетатную дисперсию и гидрофобизирующее вещество при следующем соотношении компонентов, мас.%: поливинилацетатная дисперсия 90-98; гидрофобизирующее вещество 2-10. По результатам испытаний в ЦС авиа ГСМ ФГУП ГОСНИИГа, г. Москва показано, что разработанная фильтровальная бумага имеет номинальную тонкость фильтрации 3 мкм при полноте отсева более 99%. Фильтр-элементы, изготовленные из предложенной бумаги, по своим характеристикам не уступают штатным элементам ФЭ-055М, изготовленным с использованием бумаги 882/2 фирмы «Hollingsworth & Vose» (RU 2217541, 30.05.2002).
Недостатком данного способа получения материала для очистки топлив является низкая пористость фильтровальной бумаги менее 80% из-за пропитки волокон связующими веществами. Как следствие материалы, полученные данным, способом имеют в 3-4 раза более высокое аэродинамическое и гидравлическое сопротивление, чем нетканые волокнистые материалы, к которым относится настоящее изобретение. Кроме того, фильтровальная бумага подвержена вымыванию волокон вследствие увеличения перепада давления на фильтрующей перегородки и локальному впитыванию растворенной и эмульсионной воды.
Известен раствор для получения волокон электродинамическим методом формования, содержащий фенолформальдегидную смолу 3-21 мас.%, поливинилбутираль 3-7 мас.%, этиловый спирт или дихлорэтан или их смесь в соотношении 3,6-89: 3,6-89 - остальное. Показана возможность получения ультратонких волокон с диаметром 0,5-2,5 мкм (RU 2065513, 31.08.1993).
Недостатком данного способа получения волокон является отсутствие в составе раствора сшивающего агента, что не позволяет провести процесс отверждения фенолформальдегидной смолы, из которой состоят волокна. Это не позволяет эксплуатировать волокна, полученные указанным способом при температуре более 70°С и в среде физически агрессивных жидкостей - маслах и топливах.
Известен также способ получения ультратонких полимерных волокон путем электроформования из раствора полимеров, включающего неволокнообразующую фенолформальдегидную смолу и поливинилбутираль, используя в качестве органического растворителя этиловый спирт, отличающийся тем, что раствор дополнительно содержит модифицирующую добавку хлорида лития или тетрабутиламмоний йодида при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: фенолформальдегидная смола 2,5-4; поливинилбутираль 2,5-4; этиловый спирт 92-95; хлорид лития 0,01-0,1 или тетрабутиламмоний йодид 0,02-0,2. Получаемые волокна имеют диаметр от 0,06 до 0,1 мкм (RU 2527027, 13.12.2012).
Недостатком данного способа также является отсутствие в растворе сшивающего агента и как следствие невозможность применения в фильтрах очистки масел и топлив, а также при температуре более 70°С.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения нетканого волокнисто-пористого материала непрерывным пропусканием электрически заряженного полимерного раствора через насадку, осаждением волокна на заземленную приемную поверхность с последующим удалением с нее образовавшегося материала, отличающийся тем, что в качестве полимерного раствора применяют раствор, содержащий 3-21 мас.% фенолформальдегидной смолы, 3-7 мас.% поливинилбутираля при соотношении мас. от 1:1 до 3:1 и паратолуолсульфокислоту в количестве 3-20 мас.% в расчете на фенолформальдегидную смолу, при этом после осаждения волокна проводят термообработку при постепенном подъеме температуры от 40 до 300°С со скоростью 2-10°С в час (RU 2072189, 10.06.1994).
Недостатком данного материала является отсутствие скрепления волокон между собой для создания устойчивой поры с помощью каландрования после стадии образования резитола из фенолформальдегидной смолы, термообработка материала проводится до избыточного значения в 300°С, что приводит к значительному снижению физико-механических свойств волокон. Все это в совокупности с отсутствием защитных слоев из нетканой подложки делает невозможным применение этого материала в фильтрах для топлив и масел.
Задачей настоящего изобретения является повышение физико-механических свойств фильтрующего материала, создание в нем устойчивой к расклинивающему действию жидкой среды поры, при сохранении высокой пористости для фильтрации физически агрессивных жидкостей - масел и топлив при температурах до 140°С.
Поставленная задача решается фильтрующим материалом, содержащим слой из полимерных микроволокон, полученных электроформованием, размещенным между двумя слоями нетканой подложки из полиэфирных волокон. При этом микроволокна выполнены из отвержденной в резит фенолформальдегидной смолы резольного типа, с добавкой поливинилбутираля в количестве 7% от массы сухого вещества, и имеют средний оптический диаметр равный 0,3-2,0 мкм, при этом масса единицы площади микроволокнистого слоя, составляет 4-6 г/м2.
Предпочтительно фильтрующий материал имеет волокнисто-пористую структуру из скрепленных в местах пересечений микроволокон, со значением пористости не менее 80%, при среднем диаметре пор 1-8 мкм, а его аэродинамическое сопротивление потоку воздуха составляет 15-100 Па при линейной скорости потока 1 см/с.
Поставленная задача решается также способом получения фильтрующего материала, охарактеризованного выше, согласно которому электроформование микроволокон осуществляют из раствора фенолформальдегидной смолы резольного типа с добавкой поливинилбутираля в количестве 7% от массы сухого вещества в смеси этилового спирта и этилацетата в соотношении 1/1-8/1 по массе при общей концентрации формовочного раствора 8-15 мас.%, с добавлением в раствор отверждающего агента - паратолуолсульфокислоты в количестве 3-5 % от массы сухого вещества.
Предпочтительно электроформование микроволокон осуществляют по аэродинамической технологии в электростатическом поле с напряженностью от 1 до 3 кВ/см, расстоянии между электродами 10-30 см, при температуре в зоне электроформования 20-30°С и относительной влажности 30-5 %, значение объемного расхода формовочного раствора устанавливается 30-100 мл/ч через одну форсунку, а объемного расхода воздуха 25-40 л/мин через одну форсунку.
Также предпочтительно фильтрующий материал после электроформования дублируют фильтрующим слоем внутрь, и подвергают термообработке в течение 24 ч при температуре 50°С для удаления остаточного растворителя, а затем в течение 10 ч при температуре 70°С для превращения фенолформальдегидной смолы в резитол, после чего фильтрующий материал каландрируют при температуре валов 105-115°С и давлении 0,3 МПа для скрепления волокон и слоев между собой, а затем подвергают последовательной термообработке в следующем режиме: 24 ч при температуре 90°С; 12 ч при температуре 110°С; 12 ч при температуре 120°С для отверждения фенолформальдегидной смолы в резит.
Поставленная задача решается также применением фильтрующего материала, охарактеризованного выше и полученного в соответствии с описываемым способом, для фильтрации масел и топлив в авиационной технике и системах обеспечения топливом при температуре среды до 140°С.
Устройство для получения фильтрующего материала по аэродинамической технологии электроформования описано, например, в монографии «Филатов Ю. Н. Электроформование волокнистых материалов (ЭФВ-процесс) / Под ред. В. Н. Кириченко. - М.: Нефть и газ, 1997. - 298 с».
Ниже приведены примеры получения материалов и характеристики полученных материалов.
Пример 1.
Приготавливают 15% раствор фенолформальдегидной смолы с добавкой 7% поливинилбутираля в смеси этилового спирта и этилацетата при их массовом отношении 8/1 для получения волокон со средним диаметром 2,0 мкм. Также в раствор добавляется паратолуолсульфокислота в количестве 5% от массы сухого вещества. Из приготовленного формовочного раствора проводят аэродинамическое электроформование, пропуская раствор через коллектор с форсунками, к которым подано напряжение. Напряженность поля устанавливают 2 кВ/см, объемный расход формовочного раствора 100 мл/ч через одну форсунку, объемный расход воздуха 40 л/мин через одну форсунку, температура в зоне электроформования 25°С, относительная влажность 45%.
Образующиеся в межэлектродном пространстве волокна под действием электростатического поля укладываются на нетканую подложку из полиэфирных волокон, которая перемещается по поверхности металлического заземленного электрода на расстоянии 30 см от форсунок. Полученный материал сматывается в рулон. Скорость перемещения подложки устанавливается соответствующей нанесению микроволокон с массой единицы площади 2,9 г/м2 (после дублирования общая масса единицы площади составит 5,8 г/м2).
После проведения процесса электроформования два рулона с одинаковым нанесенным микроволокнистым материалом дублируют фильтрующими слоями внутрь, сматывают в рулон и подвергают термообработке в течение 24 ч при температуре 50°С для удаления остаточного растворителя, а затем в течение 10 ч при температуре 70°С для превращения фенолформальдегидной смолы в резитол.
После этого фильтрующий материал каландрируют при температуре валов 105-115°С и давлении 0,3 МПа для скрепления слоев между собой, а затем подвергают последовательной термообработке в следующем режиме: 24 ч при температуре 90°С; 12 ч при температуре 110°С; 12 ч при температуре 120°С для отверждения фенолформальдегидной смолы в резит. Полученный фильтрующий материал обладает аэродинамическим сопротивлением потоку воздуха 11 Па при линейной скорости потока 1 см/с. При этом пористость микроволокнистого слоя составляет 86%, а диаметр средней поры, измеренный пузырьковым методом составляет 7,6 мкм.
Номинальная тонкость фильтрации реактивного топлива ТС-1, измеренная гранулометрическим методом для опытного фильтра, собранного из данного материала составляет 15 мкм.
Пример 2.
Приготавливают 12% раствор фенолформальдегидной смолы с добавкой 10% поливинилбутираля в смеси этилового спирта и этилацетата при их массовом отношении 2/1 для получения волокон со средним диаметром 1,1 мкм. Также в раствор добавляется паратолуолсульфокислота в количестве 5% от массы сухого вещества. Из приготовленного формовочного раствора проводят аэродинамическое электроформование, пропуская раствор через коллектор с форсунками, к которым подано напряжение. Напряженность поля устанавливают 2,5 кВ/см, объемный расход формовочного раствора 50 мл/ч через одну форсунку, объемный расход воздуха 35 л/мин через одну форсунку, температура в зоне электроформования 23°С, относительная влажность 50%.
Образующиеся в межэлектродном пространстве, волокна под действием электростатического поля укладываются на нетканую подложку из полиэфирных волокон, которая перемещается по поверхности металлического заземленного электрода на расстоянии 17 см от форсунок. Полученный материал сматывается в рулон. Скорость перемещения подложки устанавливается соответствующей нанесению микроволокон с массой единицы площади 2,5 г/м2 (после дублирования общая масса единицы площади составит 5,0 г/м2).
После проведения процесса электроформования два рулона с одинаковым нанесенным микроволокнистым материалом дублируют фильтрующими слоями внутрь, сматывают в рулон и подвергают термообработке в течение 24 ч при температуре 50°С для удаления остаточного растворителя, а затем в течение 10 ч при температуре 70°С для превращения фенолформальдегидной смолы в резитол.
После этого фильтрующий материал каландрируют при температуре валов 105-115°С и давлении 0,3 МПа для скрепления слоев между собой, а затем подвергают последовательной термообработке в следующем режиме: 24 ч при температуре 90°С; 12 ч при температуре 110°С; 12 ч при температуре 120°С для отверждения фенолформальдегидной смолы в резит. Полученный фильтрующий материал обладает аэродинамическим сопротивлением потоку воздуха 20 Па при линейной скорости потока 1 см/с. При этом пористость микроволокнистого слоя составляет 84%, а диаметр средней поры, измеренный пузырьковым методом, составляет 6,1 мкм.
Номинальная тонкость фильтрации реактивного топлива ТС-1, измеренная гранулометрическим методом для опытного фильтра, собранного из данного материала составляет 10 мкм.
Примеры при других заявленных параметрах способа и характеристики полученных материалов сведены в таблицу 1.
Таблица 1.
| № примера | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| Концентрация формовочного раствора, % | 15 | 12 | 10 | 10 | 9 | 7 |
| Добавка поливинилбутираля, % сухого вещества | 7 | 7 | 7 | 7 | 7 | 7 |
| Соотношение в растворителе этиловый спирт / этилацетат | 8/1 | 2/1 | 1,3/1 | 1,3/1 | 1/1 | 1,5/1 |
| Количество паратолуолсульфокислоты, % сухого вещества | 3 | 4 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| Напряженность поля, кВ/см | 1,0 | 1,5 | 2,5 | 2,5 | 3,0 | 3,0 |
| Расстояние между электродами, см | 30 | 17 | 17 | 17 | 14 | 10 |
| Объемный расход раствора через одну форсунку, мл/ч | 100 | 50 | 40 | 40 | 30 | 20 |
| Объемный расход воздуха через одну форсунку, л/мин | 40 | 35 | 35 | 35 | 30 | 30 |
| Температура в зоне электроформования, °С | 25 | 23 | 23 | 20 | 30 | 25 |
| Относительная влажность в зоне электроформования, % | 45 | 50 | 50 | 30 | 50 | 35 |
| Масса единицы площади микроволокнистого слоя, г/м2 | 5,8 | 5,0 | 4,1 | 5,3 | 4,4 | 6,0 |
| Средний оптический диаметр волокон, мкм | 2,0 | 1,1 | 0,7 | 0,7 | 0,5 | 0,3 |
| Аэродинамическое сопротивлением потоку воздуха при линейной скорости потока 1 см/с, Па | 11 | 20 | 26 | 32 | 44 | 98 |
| Пористость микроволокнистого слоя, % | 86 | 84 | 83 | 83 | 82 | 80 |
| Диаметр средней поры, мкм | 7,6 | 6,1 | 3,9 | 3,3 | 2,5 | 1,1 |
| Номинальная тонкость фильтрации, мкм | 15 | 10 | 7 | 5 | 3 | 1 |
Из полученных фильтрующих материалов были изготовлены опытные фильтры, которые затем были испытаны на топливном стенде в АО "УАП "Гидравлика", г. Уфа (рабочая жидкость - реактивное топливо ТС-1) и в режиме реальной эксплуатации в гидравлической системе самолетов (рабочая жидкость - масло АМГ). Проведенные испытания показали положительные результаты.
1. Фильтрующий материал, содержащий слой из полимерных микроволокон, полученных электроформованием, размещенный между двумя слоями нетканой подложки из полиэфирных волокон, отличающийся тем, что микроволокна выполнены из отвержденной в резит фенолформальдегидной смолы резольного типа с добавкой поливинилбутираля в количестве 7% от массы сухого вещества и имеют средний оптический диаметр равный 0,3-2,0 мкм, при этом масса единицы площади микроволокнистого слоя составляет 4-6 г/м2.
2. Фильтрующий материал по п. 1, отличающийся тем, что он имеет волокнисто-пористую структуру из скрепленных в местах пересечений микроволокон со значением пористости не менее 80% при среднем диаметре пор 1-8 мкм.
3. Фильтрующий материал по п. 1, отличающийся тем, что его аэродинамическое сопротивление потоку воздуха составляет 15-100 Па при линейной скорости потока 1 см/с.
4. Способ получения фильтрующего материала по любому из пп. 1-3, заключающийся в том, что электроформование микроволокон осуществляют из раствора фенолформальдегидной смолы резольного типа с добавкой поливинилбутираля в количестве 7% от массы сухого вещества в смеси этилового спирта и этилацетата в соотношении 1/1-8/1 по массе при общей концентрации формовочного раствора 8-15 мас.% с добавлением в раствор отверждающего агента - паратолуолсульфокислоты в количестве 3-5% от массы сухого вещества.
5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что электроформование микроволокон осуществляют по аэродинамической технологии в электростатическом поле с напряженностью от 1 до 3 кВ/см, расстоянием между электродами 10-30 см, при температуре в зоне электроформования 20-30°С и относительной влажности 30-50%.
6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что значение объемного расхода формовочного раствора устанавливается 30-100 мл/ч через одну форсунку, а объемного расхода воздуха – 25-40 л/мин через одну форсунку.
7. Способ по пп. 4-6, отличающийся тем, что фильтрующий материал после электроформования дублируют фильтрующим слоем внутрь и подвергают термообработке в течение 24 ч при температуре 50°С для удаления остаточного растворителя, а затем в течение 10 ч при температуре 70°С для превращения фенолформальдегидной смолы в резитол, после чего фильтрующий материал каландрируют при температуре валов 105-115°С и давлении 0,3 МПа для скрепления волокон и слоев между собой, а затем подвергают последовательной термообработке в следующем режиме: 24 ч при температуре 90°С; 12 ч при температуре 110°С; 12 ч при температуре 120°С для отверждения фенолформальдегидной смолы в резит.
8. Применение фильтрующего материала, охарактеризованного в любом из пп. 1-3 или полученного в соответствии с любым из пп. 4-7 для фильтрации масел и топлив в авиационной технике и системах обеспечения топливом при температуре среды до 140°С.
