CC BY
0УДК 677.076.4
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ НЕТКАНЫХ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
АНИСЬКОВА В.А.
Доцент кафедры Проектирования и художественного оформления текстильных изделий Российского государственного университета им. А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство), Москва, Россия,
Аннотация: Целью данного исследования является вопрос получения нетканых материалов для грубой очистки воздуха с регулируемым размером пор, изучение возможностей прогнозирования свойств и проектирования структуры получаемых полотен. Проведён сравнительный анализ структуры и свойств нетканых материалов, полученных иглопрокалыванием, термоскреплением и комбинированным способом.
Ключевые слова: текстильный материал, иглопрокалывание, термоскрепление, прогнозирование свойств, проектирование структуры, фильтровальные материалы.
Целью данной работы является разработка технологии нетканых материалов для фильтрации воздуха.
Нетканые материалы используются для удаления загрязняющих веществ, вдыхаемых частиц и переносимых по воздуху микроорганизмов из воздуха, подаваемого в жилые и рабочие помещения, для создания чистой и комфортной среды.
Опираясь на классическую систематизацию фильтровальных материалов по степени очистки, все фильтры можно разделить на фильтры грубой очистки (класс фильтрации G -улавливают частицы размером более 10 мкм) и фильтры тонкой очистки (класс фильтрации F - диаметр улавливаемых частиц более 1 мкм).
Фильтры специального назначения подразделяют на фильтры высокой эффективности (класс фильтрации H - HEPA фильтры) и фильтры сверхвысокой эффективности (класс фильтрации U - ULPA фильтры).
По принципу работы воздушные фильтры разделяют на механические (для предварительной очистки воздуха), угольные (устранение нежелательных запахов, используют в комбинации с другими фильтрами), губчатые, электростатические (взвешенные в воздухе частицыи получают электрический заряд, благодаря которому и притягиваются специальными пластинчатыми электродами), фотокаталитические (разлагают и окисляют различные токсичные примеси на поверхности фотокатализатора под воздействием ультрафиолетовых лучей и HEPA-фильтры [1].
Нетканые текстильные материалы с точки зрения фильтрации представляют собой пористую среду, состоящую из волокон и их комплексов. Фильтрационный поток обтекает элементарные волокна и их комплексы и движется внутри пор и пустот слоя, которые образуют сложную систему извилистых каналов переменного сечения.
Для расчета процесса движения жидкости или газа в канале пористой среды можно использовать общеизвестную зависимость Пуазейля, полученную применительно к условиям ламинарного течения жидкости в цилиндрических каналах. Согласно этой зависимости средняя скорость течения жидкости или газа в порах текстильного материала определяется следующим образом:
Wk = APd2/ (32 ML), (1)
где AP - потеря в слое пористого материала: D - эквивалентный диаметр пор: M - вязкость жидкости или газа: L - длина пор [2].
Длина и диаметр извилистых и разнообразных по форме живого сечения пор текстильного материала - величины трудноопределимые. Поэтому невозможно установить среднюю скорость потока в отдельных порах. В связи с этим условно принимают. Что длина всех пор одинакова и равна высоте слоя текстильного материала Н, т.е. L = Н, а средняя скорость Wk равна некоторой фиктивной средней скорости W, отнесенной ко всей поверхности F слоя. Связь между Wk и W может быть выражена через пористость слоя E (E - отношение объема пор к объему слоя).
W = EW k = Pd2 E / (32 MH) (2)
Обозначая Кп = Ed2/32, приходим к другой известной записи закона фильтрации:
W = (3)
М я v '
Или в дифференциальной форме
W = (4)
М dH v '
где — - градиент давления по направлению фильтрации.
Таким образом, скорость фильтрации при ламинарном режиме пропорциональна перепаду давления и пористоости слоя и обратно пропорциональна толщине слоя и вязкости фильтрующей среды.
Для коэффициента проницаемости Кп волокнистых сред В.Б.Кленовым предлагается формула:
Кп = К Тр /-f, (5)
п 102 103
где: Т - линейная плотность, текс:
g -плотность волокнистого материала и gc - плотность слоя этого материала, кгм3;
К - коэффициент, определенный опытным путем.
Для оценки изменения плотности волокнистого слоя gc от давления p на его поверхность можно использовать формулу В.Б.Кленова, где:
С - параметр, характеризующий сжимаемость слоя:
gc- плотность слоя при отсутствии давления к его поверхности.
В общем случае характер движения потока через пористый слой текстильного материала зависит от многих факторов. Это, во-первых, вязкотекучие свойства среды, движущейся через слой, и, во-вторых, физические и геометрические характеристики слоя, его структура.
Фильтрация может происходить при различных условиях:
1) при постоянной высоте слоя текстильного материала и постоянном коэффициенте его проницаемости;
2) при переменной высоте слоя и постоянном коэффициенте его проницаемости;
3) при постоянной высоте слоя и уменьшающемся коэффициенте проницаемости;
4) при переменной высоте слоя и уменьшающемся коэффициенте проницаемости. Все эти условия могут наблюдаться при фильтрации с постоянным давлением либо с постоянным расходом фильтрующейся среды через слой текстильного материала.
Фильтрация при Н =const и Кп= const характеризуется линейной зависимостью между скоростью фильтрации и перепадом давления.
При увеличении высоты слоя и уменьшении коэффициента проницаемости скорость фильтрации падает, а перепад давления при постоянной скорости возрастает.
Во многих технологических процессах фильтрация сопровождается изменением как высоты слоя текстильного материала, так и его проницаемости. При формировании волокнистого холста на перфорированной поверхности конденсора или сетчатого
транспортера постепенно увеличивается высота слоя, а под действием аэродинамических сил слой уплотняется, т.е. уменьшается коэффициент проницаемости.
В данной работе нетканый материал получали из смеси полиэфирных волокон 0,33 текс и бикомпонентных полиэфирных волокон (БИК) линейной плотностью 0,4 текс. Скрепление волокнистой основы осуществляли иглопрокалыванием для формирования упорядоченной пористой структуры и получения материалов, термооскреплением (каландрированием) без давления для формирования адгезионных склеек между волокнами и комбинацией указанных способов для получения фиксированной объёмной пористой структуры материала с ориентированными сквозными капиллярами. При термофиксации полученной структуры происходит усадка материала до 3-5%, что приводит к уменьшению диаметра сформированных капилляров и повышению качества фильтрации. После этого фильтровальный нетканый материал приобретал свой окончательный вид и свойства. Для иллюстрации зависимости параметров структуры от способа скрепления волокнистой основы проведено сравнительное исследование характеристик нетканых материалов, полученных разными способами.
Свойства материалов изучали по стандартным методикам. Результаты исследования представлены на рис. 1-6 .
Рис. 1. Сравнительная гистограмма показателя воздухопроницаемости для нетканых материалов разного способа скрепления при содержании 10-40% БИК волокон
Как показывает анализ рис. 1 , иглопробивная технология даёт возможность получить максимально воздухопроницаемые нетканые материалы. При термоскреплении образующиеся адгезионные склейки между волокнами препятствуют прохождению воздуха. Комбинированная технология обеспечивает минимальный радиус капилляров между волокнами, обеспечивая равномерную упорядоченную структуру иглопробивного материала с последующим образованием адгезионных склеек между волокнами. При этом полученная структура материала препятствует прохождению воздушного потока и снижает воздухопроницаемость материала.
Рис.2. Толщина образцов по длине нетканых материалов разного способа скрепления при содержании 10-40% БИК волокон
Гистограмма зависимости толщины нетканых материалов разного способа скрепления (рис.2) иллюстрирует классическое распределение - минимальная толщина у термоскреплённых нетканых материалов, максимальная - у иглопробивных. Комбинированная технология скрепления уменьшает толщину иглопробивных полотен при термоскреплении за счёт усадки и образования адгезионных склеек в материале.
Намокание нетканого материала из синтетических гидрофобных волокон не приводит к заметному изменению толщины материала.
На рис.3 приведена графическая зависимость массы образцов нетканых материалов разного способа скрепления.
Рис.3. Масса образцов нетканых материалов разного способа скрепления при содержании 1040% БИК волокон
Как видно из рис.3, наиболее равномерным является распределение по массе для иглопробивных материалов. При термоскреплении распределение образующихся адгезионных определяет степень уплотнения и усадки нетканых материалов и зависит от содержания связующих бикомпонентных волокон.
На рис.4 приведена графическая зависимость разрывной нагрузки нетканых материалов разного способа скрепления аналогичных волокнистых холстов.
Рис.4. Разрывная нагрузка образцов по длине нетканых материалов разного способа скрепления при содержании 10-40% БИК волокон
Как показано на рис.4, комбинированный способ получения нетканых материалов обеспечивает получение максимально упрочнённых материалов, т.к. упорядоченное распределение и перепутывание волокон при иглопрокалывании вкупе с последующим термоскреплением и образованием адгезионных склеек между волокнами приводит к получению прочных формоустойчивых материалов с упорядоченной пористой структурой.
Исходя из проведённых исследований для дальнейшей работы выбран комбинированный способ скрепления волокнистой основы: иглопрокалывание с последующим каландрированием.
На рис.5 и 6 приведены графические зависимости деформационно-прочностных свойств нетканых материалов комбинированного способа скрепления при различном содержинии связующих бикомпонентных волокон.
Анализируя полученные графические зависимости можно сделать вывод, что оптимальным содержанием БИК волокон в материале является 20%, а оптимальный способ скрепления, при котором достигаются стабильно высокие показатели - комбинированный (иглопрокалывание с последующим термоскреплением). При этом достигаются высокие деформационно-прочностные свойства нетканых материалов как в сухом состоянии, так и после намокания.
Таким образом, изучено влияние технологических параметров выработки на свойства фильтровальных нетканых материалов. Проведена оптимизация технологического процесса. Выбраны оптимальные параметры:
• содержание полиэфирных волокон 0,33 текс 80% и бикомпонентных полиэфирных волокон - 20%;
• время термообработки 30 сек;
• температура термообработки 125оС;
• технология получения - комбинированная.
Показано, что разработанный фильтрующий нетканый материал подходит для выработки фильтров более высокого класса. Разработанная технология позволяет получить нетканые полотна с упорядоченной прогнозируемой структуры.
Рис.5. Разрывная нагрузка образцов нетканых материалов, полученных комбинированным способом при содержании 10-40% БИК волокон
Рис.6. Разрывное удлинение образцов нетканых материалов, полученных комбинированным способом при содержании 10-40% БИК волокон
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:
1. Основы теории фильтрации: учебное пособие. 2-е изд. / Н.Е. Леонтьев. - Москва: МАКС Пресс.- 2017.- 88 с.
2. Очистка промышленных газов от пыли / В.Н. Ужов, А.Ю. Вальдберг, Б.И. Мягков, И.К. Решидов // М.: Химия.- 1981. - 392 с.
3. Дю, А. В. Структура фильтровальных материалов и ее влияние на потребительские свойства: специальность 05.21.03 "Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины" : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.- 2017. - 128 с.
4. Патент № 2808220 С1 Российская Федерация, МПК В0Ш 39/06, А62В 23/00. Фильтровальный материал для защиты органов дыхания: № 2023101880: заявл. 29.01.2023 : опубл. 27.11.2023.
5. Николенко, И.В. Обоснование выбора и построение формы отверстий фильтровальных перегородок // Яковлевские чтения - 2023. Системы водоснабжения и водоотведения. Современные проблемы и решения : сборник докладов участников XVIII Международной научно-технической конференции, посвященной памяти академика РАН С.В. Яковлева, Москва, 16-17 марта 2023 года / Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет. - Москва: Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет.- 2023. - С. 45-51.
6. В. А. Аниськова, В. И. Зуев. Производство фильтровальных материалов сложных структур // Дизайн, технологии и инновации в текстильной и легкой промышленности (ИНН0ВАЦИИ-2020) : Сборник материалов Международной научно-технической конференции, Москва, 12 ноября 2020 года. Том Часть 1. - Москва: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство)".- 2020. - С. 13-16.
7. Аниськова, В. А. Нетканые многослойные фильтровальные материалы / В. А. Аниськова // Евразийский союз ученых. - 2018. - № 8-1(53). - С. 4-6.
