CC BY
12
УДК 677.494+620.18
Л.В. ПЕЛИК
Льв1вська комерцшна академiя
МЕТОДИ МОДИФ1КАЦП ВЛАСТИВОСТЕЙ ТЕРМОСТ1ЙКИХ ВОЛОКОН ДЛЯ Ф1ЛЬТРУВАЛЬНИХ ТЕКСТИЛЬНИХ МАТЕР1АЛ1В
Розглянуто Hoei види термостшких волокон для виробництва фшьтрувальних текстильних Mamepicmie. Проанал1зовано технoлoгiчнi тдходи до метoдiв модифкаци термостшких волокон для фтьтрувальних текстильних мcmepicлiв. Запропоновано фiльmpувcльний нетканий мcmepicл is сумiшi волокон номексу та кевлару is полтетрафторетиленовим обробленням для рукавних фiльmpiв.
Ключoвi слова: волокно номекс, волокно кевлар, pукcвнi фыьтри, фшьтрувальний текстильний мcmepicл.
L.V. PELYK
Lviv Commercial Academy
METHODS OF MODIFICATION OF PROPERTIES HEAT-RESISTANT FIBERS FILTER FOR TEXTILE MATERIALS
Abstract
Consider new types of heat-resistant fibers for the production of textile filter. Analysis of technological approaches to methods modified heat-resistant fibers for filtration of textile materials. A filtering nonwoven material from a mixture of fibers kevlar and nomex of politetraftoretylenovym processing for bag filters.
Keywords: fibre of nomex, fibre of kevlar. bag filters, filter textile material.
Постановка проблеми
Технолопчш гази на заводах металургшно'' промисловосл часто мають тдвищену температуру й мютять деяш агресивш компоненти: хлор, хлористий водень, срчистий анпдрид, алюмшш, кадмш та ш. До найнебезпечшших забруднювач1в навколишнього середовища належать сполуки важких метал1в. Найбшьше цих токсиканлв викидаеться на територ1ях 1ндустр1ально урбашзованих агломерацш, зокрема в мюцях функцюнування ТЕС, а також шдприемств металургшно'' та цементно'' промисловосл. У пов1тр1 промислових мют фшсуеться тдвищений вмют таких токсичних важких метал1в, як Cd, Pb, Mn, Cr, Zn, Cu та ш., а також Al, Fe, Ca, Mg. Для ф1льтрацп таких газ1в "щеальний" фшьтрувальний текстильний матер1ал повинен володгш наступними властивостями:
- термостшшстю й х1м1чною стшшстю при робочих температурах;
- будовою, що забезпечуе досить повне вловлювання пилу при пом1рному г1дравл1чному опорц
- тривалим термшом служби, обумовленим мехашчними властивостями тканини, а також ïï х1м1чною й терм1чною стшшстю у робочих умовах;
- високою пилоемшстю при фшьтраци i здатшстю затримувати таку кшьшсть пилу шсля регенерацп, яка достатня для забезпечення високоï ефективносл очистки газiв ввд тонкодисперсних частинок;
- збереженням оптимально високо'' повiтропроникностi в запиленому станi;
- високою мiцнiстю i стшшстю до стирання при багаторазових згинах, стабшьшстю розмiрiв i властивостей при шдвищенш температурi;
- здатшстю до легкого видалення накопиченого пилу;
- помiрною вартiстю.
Деякi з перерахованих вимог залежать ввд властивостей застосованих текстильних волокон, iншi - вщ структури й технологи виготовлення фiльтрувальних матерiалiв. Правильний вибiр фшьтрувальних текстильних матерiалiв визначае ефективнiсть очищения й надшшсть роботи рукавного фшьтру. Цi показники характеризують здатнiсть фшьтрувального матерiалу вловлювати пил при помiрному гiдравлiчному опорi й задовiльнiй довговiчностi в умовах експлуатаци.
Формулювання мети дослвдження
Метою роботи е аналiз технологiчних пiдходiв до методiв модифшаци термостiйких волокон для фiльтрувальних текстильних матерiалiв.
Викладення основного матерiалу дослщження
Збереження формостшкосп волокна i фiльтрувальних текстильних матерiалiв на його основi при тдвищених температурах е однieю з основних вимог до фшьтрувальних рукавних фiльтрiв у металургiйнiй промисловостi. Використання iнновацiйних видiв термостiйких текстильних волокон у матерiалах технiчного призначення дозволило створити новi структури фiльтрувальних текстильних матерiалiв для пилогазоочисних систем, а саме фiльтрувальнi текстильнi матерiали iз волокон арселону, номексу та кевлару.
Метаарамщне волокно номекс (m-aramid) (повна назва мета^зофталамщ) е полiмером i отримуеться змета-фенiлен-дiамiнуi хлориду в амщному розчинi.
О
С—^ Н
Метаарамвдне волокно номекс мае здатнiсть до змiни лiнiйних розмiрiв у полум'1, в результатi чого втрачае сво! захиснi властивостi. Текстильний нетканий матерiал iз волокна номексу мае високий модуль еластичносп (стшшсть тканини до згинуприблизно у 3 рази вища, шж у полiефiрноl тканини), вiдмiнна стiйкiсть до абразивного зносу, висока стшшсть до тривалих температур (250-350 0С) витримуе тки до 5000С.
Полiмерний ланцюжок волокна номексу мае меншу мiцнiсть порiвняно з параарамiднимволокном кевлар (Кеу1аг) (торгова назва арашду - полiпарафенiлен-терефталамiд) -синтетичного волокна, що володiе високою мщнютю (у п'ять разiв мщшше сталi). Структуру параамадного волокна кевлар можна представити такою схемою:
п
Текстильний матерiал iз волокна кевлару зберiгае мiцнiсть i еластичшсть при низьких температурах, аж до крюгенних (-196°С), бiльше того, при низьких температурах вш навiть стае мщшшим; володiе високою еластичнiстю та термостшшстю до тривалих температур - 300-500 0С, витримуе пiки бшьше 6000С. При нагрiваннi волокно кевлар не плавиться, а розкладаеться при порiвняно високих температурах (430-480°С).
Кевлар додають i в iншi термостшш волокна для зниження !х теплового задания, наприклад, в полiiмiдне волокно Р84 або в полiамiдоiмiдне кермель. У полiбензимiдазольне волокно вводять келар з метою здешевлення найбiльш дорогого матерiалу, а для зниження зсвдання його пiддають сульфуванню.
Для зниження задання були розробленi рiзнi способи поверхневого оброблення метаарамвдних волокон рiзними реагентами. Результатом такого модифiкування стало волокно НТ-4, фiльтрувальнi тканини з якого витримують дш полум'я протягом 60 с [1]. Але найбшьш вдале рiшення проблеми зниження теплового задання термостшких волокон виявилось використання сумiшi коротких волокон. Цей метод був використаний для зниження задання пряж! i тканини японського метаарамщного волокна конекс, у яке для спйкосп форми додавали 3-20 % високомщного волокна технору [2].
Ашл!зуючи данi методи та враховуючи !х практичну спрямоваиiсть, нами запропонований новий термостшкий фiльтрувальний нетканий матерiал !з використанням сумш! коротких волокон номекс (80 %) i кевлар (20 %) (рис. 1). Нами був запропонований фшьтрувальний нетканий матерiал з сумш! волокон номексу та кевлару лшшною густиною пряж! 0,17текс i 0,44текс i каркасу - тканина !з волокна номекс полотняного переплетення !з поверхневою густиною 95 г/м2 та лiнiйна густина нитки 0,50 текс [3].
Цей матерiал отриманий шляхом багаторазового пробиття зазубленими тонкими голками волокнистих шарiв i сiтчастоl основи, виткано! за довжиною !з пряж1 «номекс», а за шириною -iзмультифiламентних ниток з «номексу» або з«тефлону». Виготовлений таким чином нетканий матерiал
iз полггетрафторетиленовим обробленням тддаеться термiчному обробленню поверхш для регулювання повиропроникносп i забезпечення легкого ввдокремлення пилового осаду. Голкопробивш матерiали е об'емними трьохвимiрними структурами iз середнiм об'емом пор близько 80 % i високою повиропроникшстю, що дозволяе поеднуватиу рукавному фшьт^ високу продуктивнiсть та високий стутнь очистки газу. Голкопробивнi матерiали «номекс» виготовляються iз штапельних волокон товщиною 1.1, 1.7, 2.2, 6.1 i 11 дтекс (1 дтекс = 1 грам / 10000 м). Чим тонше волокно, тим вище затримуюча здатнiсть матерiалу дрiбних частинок. Наприклад, одна i та ж маса волокон товщиною 1.1 дтекс мае на 40 % бшьшу поверхневу густину, чим волокна товщиною 1.7 дтекс. Це означае, що матерiал зтонких волокон при однаковш мас забезпечуватиме меншу емiсiю (проскакування) частинок пилу крiзь себе. Як правило, матерiали з таких мжроволокон застосовують для фшьтраци надтонкого субмжронного пилу.
Рис. 1. Новий термостшкий фiльтрувальний нетканий матерiал iз сумiшi коротких
волокон номексу та кевлару
Проведет нами дослвдження показали, що фшьтрувальний нетканий матерiал iз сумiшi волокон номексу та кевлару не пропалився, а тiльки верхнi шари волокон обвуглились. Це говорить про високу термостшкють даного матерiалу. У фшьтрувальному текстильному матерiалi iз тако! пряж1 не вiдбуваються змiни лшшних розмiрiв, i вiн характеризуеться високою термостшшстю.
Найбiльш унiверсальною характеристикою вогнезахисту пол1мерних матерiалiв залишаеться «кисневий iндекс» (К1) - мiнiмальна концентращя кисню в сумiшi з азотом, яка необхщна для пвдтримки горiння вертикально розташованого зразка при запаливан^ його зверху. Досл1дження, проведенi Волохiною А.В. [4], показали, що К1 метаарамвдних волокон складае 28±2, а для волокон на основi гетероциклiчних полiмерiв (Р84, аримiд, кермель, РВ1, топлен, русар i тверлан) вiн значно вищий -35-40.
Оск1льки в деяких випадках при експлуатацп виробiв у середовищi, збагаченому киснем, пот^бш текстильнi матерiали iз бiльш високим значениям К1, проводилися дослвдження, метою яких було тдвищення рiвня вогнезахисту термостшких волокон, а особливо найменш вогнезахисних волокон iз метаарамщв. Ц дослiджения проводились у рiзних напрямах:
- сополiконденсацiя звичайних мономерiв iз мономерами, як1 мiстять галогени;
- введення антипiренiв у прядильнi розчини метаарамщв та iнших полiмерiв, а також на поверхню термостiйких волокон;
- високотемпературне оброблення волокон або тканин iз метаарамiдiв рiзними реагентами.
При додаванш мономерiв, якi мютять фосфор i галогени, пвдвищуеться К1 метаарамiдiв до
42-43, тобто до рiвня, який присутнiй у гетероциктчних полiмерах. Але у технологiчнiй практищ цей спосiб не був реалiзований з причини недостатньо1 доступностi цих мономерiв та !х п1двищеною варпстю.
Для поверхневого оброблення рiзних термостшких волокон ефективним антитреном проявила себе ортофосфорна кислота. Так, фшьтрувальна тканина з волокна номексу, яка оброблена 15 % розчином ортофосфорно! кислоти з наступним термообробленням при 350 оС, мае К1 на рiвнi 68 %. Для п1двищення вогнестшкосп полiiмiдiв рекомендовано введення у прядильний розчин аитипiренiв, таких
як: червоний фосфор, у присутносп якого К1 зростае до 45 %, р!зш фосфорш кислоти, амонiевi сол! оргашчних кислот [5].
Дослщження, з метою надання волокну номекс шдвищенно! вогнестшкосп, проводились шляхом обробки р!зними агресивними речовинами з одночасним або наступним термообробленням при високих температурах. У якосп таких речовин використовували газопод!бш хлор ! бром, пари срки, тюншхлорид, фосген, хлорокись фосфора. Такими способами були отримаш широко розрекламоваш рашше волокна, як не горять типу дюрет, НТ-4, феншон Д. Але щ ф!льтрувальш текстильш матер!али не отримали розвитку як через зниження !х мщносп, так ! внаслвдок нетехнолопчносл процесу.
Враховуючи низьку вогнестшшсть метаарамвдного волокна номекс ! реальш умови експлуатацп рукавних фшьтр!в у металургшному виробнищга, нами запропоновано фшьтрувальний нетканий матер!ал з волокон номексу та кевлару !з полггетрафторетиленовим обробленням (РТТЕ).
РТБЕ - це оброблення нашвкристал!чним полггетрафторетилом, отриманим !з мономеру тетрафторетилену шляхом пол!меризаци (тефлон). Робоча температура при пом!рних мехашчних навантаженнях ввд -200 °С до +260 °С. Пгроскотчшсь покриття практично нульова. Оброблення забезпечуе стшшсть майже до уах вщомих х!м!чно агресивних середовищ та до гарячо! водяно! пари, стшшсть до стирання. Тефлон мае найнижчий коефщент тертя серед уах твердих матер!ал!в. Також оброблення надае нетканим матер!алам висок1 д!електричш властивосл. Недолжом е його ввдносно низька зносостшшсть, для усунення якого до тефлону додають спещальш наповнювач!. Варто зазначити, що дослвджувану нами фшьтрувальну тканину !з скловолокна, для збшьшення И зносостшкосп, наносили трьохкомпонентне полггетрафторетиленове оброблення, яке складалося !з сумш! силшонових масел, графиу ! тефлону.
Особливе мюце серед термостшких волокон на основ! гетероциктчних пол!арилешв займають полюксад!азольш волокна - един!, яш шдтримують горшня у повиряному середовищ! (К1 = 20-24). Ц волокна представляють великий практичний штерес, оск1льки для !х отримання використовуеться найбшьш дешева вихвдна сировина - терефталева кислота ! пдразинсульфат. Для шдвищення вогнестшкосп оксалону вводять бром у процес сопол!меризацп з бромтерефталевою кислотою або шляхом бромування пол!мера.
Вщомо, що при горшш пол!мерних волокон видшяються шшдлив! речовини. Токсичшсть продукпв горшня термостшких волокон менша, шж у натуральних та синтетичних волокон. Цьому сприяе ароматична будова волокноутворюючих пол!мер!в, при горшш яких вихвд летючих продукпв менший, а к1льк1сть вуглецю у продуктах трол!зу, у пор!внянш з ал!фатичними пол!мерами, б!льший.
Свило- ! погодостшшсть е одними !з важливих фактор!в експлуатацшних характеристик текстильних матер!ал!в. Д!я свила, атмосферних опад!в ! кисню у повир! викликають деструкцш волокон, яка проявляеться у зниженш молекулярно! маси ! попршенш мехашчних властивостей волокон. 1нтенсившсть фотох!м!чно! деструкцп залежить ввд багатьох фактор!в: д!аметру елементарно! нитки, шлькосп скручувань комплексних ниток, способ!в оброблення ! фарбування. Але в основному фотодеструкщя волокон визначаеться х!м!чною будовою пол!меру. Серед синтетичних волокон найбшьш стшш до ди атмосферного впливу е пол!акрилонирильш ! пол!еф!рш. У пор!внянш з ними, поташдт волокна володшть пониженою атмосферостшшстю. Волокна !з ароматичних пол!мер!в, як ! поташдт волокна, характеризуются невисокою стшшстю до впливу свплопогоди. 1х збер!гання на свит викликае пожовтшня ! потемншня, вони стають крихкими, ! мехашчш властивосп знижуються. Але деструктивш процеси у першу чергу впливають на поверхнев! шари волокон, тому для них ефективш захисш покриття, наприклад, поеднання !з свплостшкими волокнами [6].
У реальних умовах експлуатацп термостшких волокон фотох!м!чна деструкц!я супроводжуеться окисленням, яке прискорюе фотостаршня. Тому атмосферостшшсть термостшких волокон значно щдвищуеться при введен! в них стабшзатор!в фотоокислено! деструкцп. Захист ввд свилостаршня здшснюеться веденням антиоксиданлв, як1 затримують процес окислення пол!меру. Встановлено, що високомщш полимщш волокна характеризуются вищою атмосферост!йк!стю, н!ж келар. Для атмосферостшкосл пол!оксад!азольних волокон у 1хнш склад вводять хлорид марганцю [7].
До основних галузей застосування термост!йких волокон можна додати виготовлення !з них вогнезахисних декоративно-оббивних тканин, покриття, яке використовуеться у лтгаках, автомобшьнш промисловост!, для виробництва захисного одягу для пожежник1в, рятувальнишв, нафтовик1в та !н. Але термостшш волокна виявились складними для колорування за наступних причин:
- щшьна кристал!чна структура;
- в1дсутн!сть полярних груп, як1 являються активними центрами сорбци барвника;
- власне забарвлення в!д жовтого до золотисто-жовтого ! коричневого кольор!в (це в!дноситься в основному до волокон !з гетероциктчних пол!мер!в, оск!льки метаарам1дн! волокна мають б!лий кол!р).
Не дивлячись на перераховаш причини, проблема фарбування термостшких волокон була виршена не тшьки для метеарамщв, але i для iнших волокон, як забарвлюються у темнi кольори рiзних вiдтiнкiв.
При фарбуваинi термостшких волокон використовують три основш способи, яш вiдрiзияються за стад1ями переробки полiмеру у волокно: фарбування у «маа», при якому органiчний тгмент вводиться у прядильний розчин; фарбування волокна в набухлому станц поверхневе фарбування готових волокон або тканин.
На ввдшну вщ звичайних вогнезахисних волокон на основi бавовни i вовни, термостiйкi волокна володшть бiльш високим рiвнем протипожежного захисту та високою термостiйкiстю, яш не змiнюються в часi. Завдяки довготривалому термiну придатностi фiльтрувальних матерiалiв iз термостiйких волокон, досягаеться значна економ1я, яка компенсуе затрати на використання дорогих волокон.
Економiчно випдно застосування сумiшi термостiйких волокон iз б№ш дешевими вогнезахищеними природними волокнами. Так, термостшке волокно Р-84 для здешевлення використовують в сумiшi з вюкозним волокном та вовною. Тканини на основi термостiйкого волокна номекс стають менш горючими при додаваннi 20-25 % полiефiрного волокна. Великий штерес представляють також змiшаиi текстильнi матерiали на основi термостiйких арамiдних волокон i порiвияно дешевого полiакрилонiтрильного волокна. При цьому досягаеться важливий синергетичний ефект: термостiйкi волокна у шлькосп 35 % вiд маси сумiшi надають текстильному матерiалу стiйкiсть до стирання, а полiакрилонiтрильне волокно - пвдвищену вогнестiйкiсть.
1з велико! шлькосп запропонованих методiв модифшаци термостiйких волокон лише деяк реалiзоваиi практично. Причиною цього е зниження розривальних характеристик, ускладнення технологiчного процесу та висока варпсть термостiйких волокон.
Пвдсумовуючи викладене, можна стверджувати, що змiна властивостей цих перспективних термостшких волокон у пот^бному напрямi досягаеться традицiйними методами: змшою хiмiчноl будови волокноутворюючих ароматичних полiмерiв, формуванням iз сумiшi цих полiмерiв або змiшуваиням волокон на 1х основi, а також введенням спецiальних добавок у прядильнi розчини або на поверхню волокна.
Висновки
1. Зниження теплового зсвдання термостшких волокон досить ефективно можна виршити шляхом використання 1х сумiшей iз невеликим додаваииям безусадкових волокон, а також термохiмiчним обробленням поверхнi цих волокон.
2. Модифшащею хiмiчноl структури термостiйких полiмерiв можна значно шдвищити рiвень вогнестiйкостi волокон на 1х основi. Змiна хiмiчноl будови при цьому ввдбуваеться рiзними способами, а саме: iз спiльною полiконденсацiею з мономерами, яш мiстять атоми галогешв або фосфору; введення аитипiренiв у прядильш розчини або на поверхню волокна; шляхом оброблення поверхш волокон рiзними реагентами в поеднаннi iз високотемпературним обробленням.
Список використаноТ л^ератури
1. Перепелкин К.Е. Сорбция водяных паров высокопрочными параарамидными нитями / К.Е. Перепелкин, С.Ф. Гребенников, Н.П. Лебедева // Химические волокна. - 2007. - № 5. -С. 50-52.
2. Морозова М.Ю. Исследование возможности комплексного текстильного материала на основе смесовых волокон / М.Ю. Морозова, И.Г. Полушенко // Химические волокна. - 2008. - № 1. -С. 40-42.
3. Пелик Л.В. Особливосп фiзико-хiмiчних властивостей рукавних фiльтрiв iз матерiалу «номекс» в умовах металургшного виробництва / Л.В. Пелик // Вюник Кшвського нацюнального ушверситету технологш та дизайну. - 2010. - № 4 (54). - С. 133-135.
4. Волохина А.В. Модифицированные термостойкие волокна / А.В. Волохина // Химические волокна. - 2003. - № 4. - С. 11-19.
5. Айзенштейн Э.М. Современные достижения в области нетканых материалов / Э. М. Айзенштейн // Текстильная промышленность. - 2007. - № 6-7. - С. 40-42.
6. Бурков В.В. Современные высокотемпературные текстильные материалы для пылегазоочистки /
B.В. Бурков // Пылегазоочистка - 2009: сборник статей междунар. конф., 29 - 30 сентября 2009 г. - М., 2009. - С. 79 - 82.
7. Горчакова В. М. Нетканые текстильные материалы, модифицированные кремнийорганическими соединениями / В.М. Горчакова, Б.А. Измайлов // Текстильная промышленность. - 2010. - № 5. -
C. 50-52.
