CC BY
34
УДК 541.64:678
Д. А. Перепелкина, М. Ф. Галиханов, А. А. Перепелкина, Л. Р. Мусина
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРЕТНОГО СОСТОЯНИЯ НА ВРЕМЯ ФИЛЬТРОВАНИЯ
ПАРФЮМЕРНОЙ ЖИДКОСТИ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНЫМ МАТЕРИАЛОМ
Ключевые слова: целлюлозно-бумажный материал, лабораторная фильтровальная бумага, электретное состояние,
фильтрование, парфюмерная жидкость.
Приведена оценка времени фильтрования парфюмерной жидкости целлюлозно-бумажным материалом до и после его электретирования. Выявлено, что наличие энергетического барьера, вызванного наличием электретного заряда, приводит к снижению скорости фильтрования через лабораторную фильтровальную бумагу.
Keywords: pulp paper material, lab filter paper, electret state, filtering, perfume liquid.
Perfume liquid filtration time was measured for pulp and paper material before and after corona charging. Energy barrier formed due to electret charge leads to lower filtration rate of the lab filter paper.
Введение
На сегодняшний день наблюдаются высокие темпы развития и производства индустрии парфюмерии. Постоянное расширение ассортимента парфюмерной продукции в условиях высокого спроса и жесткой конкуренции диктует высокие требования к качеству продукта, среди которых основными являются прозрачность парфюмерной жидкости и отсутствие в ней посторонних включений. Наличие частиц парфюмерной жидкости возможно по причине нарушения технологического процесса ее приготовления [1]. Для фильтрации парфюмерных жидкостей применяются различные фильтры - от стеклянных воронок с фильтровальной бумагой до сложных фильтрованных устройств [2]. Однако применение даже сложных фильтров не решает проблем наличия в готовых парфюмерных продуктах осадка из нерастворившихся и некоагулированных частиц композиций, волокон от фильтрующих элементов, что приводит к ухудшению товарного вида продукта. Поэтому работы, направленные на усовершенствование применяемых на производстве фильтров или их отдельных элементов, являются одними из важнейших задач как для их производителей, так и для парфюмерных фабрик.
В то же время, в качестве элементов воздушных фильтров и мембранных систем зачастую используют электретные материалы -диэлектрики, длительное время сохраняющие поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, которое привело к их поляризации (или заряжению). Электреты создают в окружающем пространстве квазипостоянное электрическое поле [3-5]. Преимущественно электретные фильтры используются для фильтрации воздуха и других газовых сред от аэрозольных твердых (пылевых) частиц. Но известны также примеры использования электретных фильтров для разделения воздуха от жидких аэрозольных включений и жидких сред от механических примесей, биозагрязнений и т.п. [6, 7]. В основном
электретные фильтры и мембраны изготавливаются на основе полимерных материалов [7-9].
Имеются сведения о применении электретирования для изменения тех или иных свойств целлюлозно-бумажных материалов (воздухопроницаемости, прочности, сопротивления продавливанию и др.) [10, 11]. В этих работах показана возможность улучшения барьерных свойств и механических характеристик бумаги и картона при их обработке в униполярном коронном разряде. Было бы интересно оценить изменение фильтрующей способности целлюлозно-бумажного материала при переводе его в электретное состояние.
Целью настоящей работы явилось оценка времени фильтрования парфюмерной жидкости целлюлозно-бумажным материалом до и после его электретирования.
Экспериментальная часть
Для исследования была выбрана лабораторная фильтровальная бумага марки ФС (средней фильтрации) типа III (для качественных анализов) (ГОСТ 12026-76).
В качестве фильтрата использовали парфюмерную жидкость, состоящую из 73 % этилового спирта, 8 % парфюмированной композиции и 19 % воды.
Электретирование фильтровальных бумаг осуществлялось в отрицательном коронном разряде с помощью коронатора (рис. 1) при различных параметрах (с лавсановой подложкой или без нее, напряжение поляризации Ппол - 15 или 30 кВ, время поляризации тпол - 30 или 60 с).
Электретные характеристики (потенциал поверхности Уэ, напряженность электрического поля Е, эффективная поверхностная плотность заряда аэф) образцов проводили ежедневно на измерителе параметров электростатического поля ИПЭП-1.
.4
Рис. 1 - Схема коронатора: 1 - источник высокого напряжения, 2 - заземленный электрод, 3 - коронирующий электрод, 4 - образец
Для определения времени фильтрования парфюмерной жидкости простые или электретные образцы лабораторной фильтровальной бумаги в виде квадратов размерами 100x100 мм складывали в виде воронки, помещали в стеклянную воронку и смачивали дистиллированной водой, прижимая к ее стенкам стеклянной палочкой. Затем за один прием выливали из мерного цилиндра парфюмерную жидкость объемом 5 мл и измеряли время фильтрования (прохождения жидкости через фильтр). Эксперимент повторяли не менее 5 раз, за результат принимали среднее арифметическое пяти измерений, выраженное в секундах.
Результаты и их обсуждение
Первоначальной задачей работы было получение фильтровальной бумаги с достаточным уровнем электретных характеристик. Для этого была проведена серия экспериментов по изучению значений электретных характеристик целлюлозно-бумажных материалов, электретированных при различных параметрах поляризации. Исследования показали, что фильтровальная бумага практически не электретируется в поле отрицательного коронного разряда (табл. 1).
Таблица 1 - Свойства лабораторной фильтровальной бумаги
Условия электре-тирования Электретные характеристики фильтровальной бумаги
Через 1 час после Через 3 часа после
Uпол, ^пол, электретирования электретирования
кВ с В э, Е, В/м aэф, мкКл/м2 В э, Е, В/м aэф, мкКл/м2
без электре-
тирования
15 30 2 0,1 0,001 1 0 0
15 60 2 0,2 0 1 0,2 0
30 30 3 0,2 0,003 2 0,1 0,001
30 60 1 0,1 0,001 1 0 0,001
Быстрый спад заряда электретов на основе полярных диэлектриков (к которым относится и целлюлоза) известен и наблюдался ранее [3, 12]. Это объясняется следующим. Электретирование в коронном разряде происходит за счет инжекции носителей зарядов в объем диэлектрика и удержание их на энергетических ловушках различной природы.
В процессе деполяризации происходит перенос заряда к поверхности полимера и его релаксация, определяющиеся удельной объемной
электропроводностью материала, которая у полярных материалов (к которым относится и целлюлоза) на несколько порядков выше, чем у неполярных.
Однако, не совсем ясно, почему начальные значения электретных характеристик (через 1 час после поляризации) практически равны нулю. Скорее всего, дело в сквозных порах фильтровальной бумаги, позволяющих носителям заряда достигать нижнего электрода в процессе электретирования, «облетая» целлюлозные волокна бумаги. Для предотвращения этого процесса было проделано следующее: между нижним электродом и образцом бумаги была помещена лавсановая пленка толщиной 100 мкм (для каждого образца - новая). В этом случае вероятность инжекции носителей заряда в объем целлюлозных волокон существенно повышается. Результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Свойства лабораторной фильтровальной бумаги, электретированной с лавсановой подложкой
Условия электре-тирования Электретные характеристики фильтровальной бумаги
Через 1 час после Через 3 часа после
ипол, ^пол, электретирования электретирования
кВ с V, В Е, В/м aэф, мкКл/м2 V, В Е, В/м aэф, мкКл/м2
без электре-
тирования
15 30 31 0,22 0,014 44 1,32 0,021
15 60 30 0,52 0,015 37 0,94 0,017
30 30 38 0,80 0,019 42 1,20 0,023
30 60 26 0,40 0,012 25 0,22 0,012
В случае использования лавсановой подложки начальные значения электретных свойств бумаги уже отличны от нулевых значений и достаточны для проведения сравнительного анализа. Видно (табл. 2), что наилучшими свойствами обладают образцы бумаги, электретированные при напряжении поляризации ипол = 30 кВ и времени поляризации тпол = 30 с. Влияние условий электретирования на свойства полимерных электретов вполне естественно и изучалось во многих работах [5, 13, 14]. Практически для всех полимеров существуют оптимальные параметры электретирования. Низкие значения времени и напряжения поляризации соответствуют малым количествам носителей заряда, инжектированных в полимере. Высокие значения ипол и тпол обуславливают большую скорость деструктивных процессов в структуре целлюлозы, увеличивая количество энергетически мелких ловушек инжектированных носителей заряда и возникновением состояний, благоприятных для пробоя диэлектрика. При этом в структуре фильтровальной бумаги могут возникать дополнительные сквозные поры. Это снижает значения Уэ, Е и аэф бумаги (табл. 2).
Из данных табл. 2 ясно, что бумага в течение трех часов сохраняет определенный уровень электретных характеристик. Этого времени достаточно для проведения эксперимента по определению времени фильтрования парфюмерной жидкости, который и проводили в дальнейшем (рис. 2).
Время фильтрования, с
4,0
3,0
2,0
1,0
U пол = 0 кВ
= 0 с
15 кВ 15 кВ З0 с б0 с
30 кВ 30 кВ З0 с б0 с
Рис. 2 - Время фильтрования парфюмерной жидкости образцами фильтровальной бумаги, электретированными при различных параметрах
Видно, что наличие заряда электрета приводит к снижению скорости фильтрации жидкости практически в 2 раза. Различие связано с влиянием электрического поля электрета на процессы смачивания, впитываемости, диффузии,
происходящими при прохождении фильтрата через объем бумаги. На примере полимерных электретов было показано [15], что при прочих равных условиях смачивание электретных образцов меньше, чем неполяризованных. Также в поляризованных материалах по сравнению с простыми меньше интенсивность диффузионных и сорбционных процессов. Дело в том, что поляризационный заряд, создает энергетический барьер [15-17], влияющий на вышеназванные процессы.
Интересно было бы выявить зависимость времени фильтрования парфюмерной жидкости от величины электретных свойств бумаги, например, потенциала поверхности (рис. 3).
Время фильтрования, с
4,0 -3,0 -2,0 -1,0
0
-1—
10
—I—
20
—i—
30
40
V,, В
Рис. 3 - Влияние величины потенциала поверхности электретированной
фильтровальной бумаги на время фильтрования парфюмерной жидкости
Из рисунка 3 видно, что электретная фильтровальная бумага должна обладать оптимальным уровнем значений электретных свойств. Можно предположить, что это связано с
различными параметрами поляризации образцов, что было описано ранее. Вероятно, именно возникновение дополнительных пор при пробое диэлектрика повышает скорость фильтрации бумаги.
В дальнейшем, зная закономерности действия электретирования на целлюлозно-бумажные материалы, представляется возможным управлять уровнем фильтрующей способности бумаги.
Заключение
Таким образом, в работе оценено время фильтрования парфюмерной жидкости целлюлозно-бумажным материалом до и после его электретирования. В ходе исследований было выявлено, что наличие энергетического барьера, вызванного наличием электретного заряда, приводит к снижению скорости фильтрования через бумажный материал.
Литература
1. Башура А.Г., Половко Н.П., Гладух Е.В., Петровская Л.С., Баранова И.И., Ковалева Т.Н., Зуева A.C. Технология косметических и парфюмерных средств: учебное пособие. - Х.: Изд-во НФАУ: Золотые страницы, 2002. - 272 с.
2. Макаров-Землянский А.Н. Технология и оборудование парфюмерного производства. - М.: Изд-во «Пищевая промышленность», 19б4. - 190 с.
3. Electrets /Ed. Sessler G. - Berlin: Springer, 1987. - 453 p.
4. Yovcheva T. Corona charging of synthetic polymer films. -New York: Nova Science Publishers Inc, 2010. - б0 p.
5. Галиханов М.Ф. Короноэлектреты на основе полимерных композиционных материалов: Монография. - Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2011. - 3б4 c.
6. Kestelman V.N., Pinchuk L.S., Goldade V.A. Electrets in Engineering: Fundamentals and Applications. -Boston-Dordrecht-London: Kluwer Acad. Publ., 2000. -281 p.
7. Кравцов А.Г., Гольдаде В.А., Зотов С.В. // Полимерные электретные фильтроматериалы для защиты органов дыхания. / Под науч. ред. Л.С. Пинчука. - Гомель: ИММС НАНБ, 2003. - 204 с.
8. Кочервинский В.В., Воробьева Г.А., Шкинев В.М. Электретное состояние в пористых полимерных мембранах и его влияние на процессы удерживания полиэлектролитов. // Журн. прикл. химии. - 1995. - Т. б8, № 7. - С. 1111-1115.
9. Дряхлов В.О., Никитина М.Ю., Шайхиев Т.И., Загидуллина И.А., Фридланд С.В. Влияние параметров коронного разряда на эффективность разделения водомасляных эмульсий полиэфирсульфоновыми мембранами. // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. Т. 17, № 14. - С. 103-105.
10. Перепелкина A.A., Галиханов М.Ф. Влияние термической обработки и электрофизического воздействия на сопротивление продавливанию целлюлозно-бумажного материала // Вестник Каз. технол. ун-та. - 2013. - Т.1б, № 7. - С. 113-114.
11. Мусина Л. Р. Применение электретирования как способа упрочнения комбинированного гофрированного картона // Вестник Каз. технол. ун-та. - 2014. - Т. 17, № 10. - C. 45-47.
12. Галиханов М.Ф., Бударина ЛЛ. Короноэлектреты на основе полиэтилена и сополимеров этилена с
г
винилацетатом. // Пласт. массы. - 2002. - № 1. -С. 40-42.
13. Губкин А.Н., Гамилова Т.П. Влияние условий поляризации на начальный заряд электретов из политетрафторэтилена. // Электретный эффект и электрическая релаксация в твердых диэлектриках. Межвуз. сб. М.: МИЭМ, 1988. С. 3-7.
14. Гуль В.Е., Маркин В.Н., Ананьев В.В., Баблюк Е.Б., Попов О.Н., Изотова Л.Т. Особенности формирования полимерных короноэлектретов в переменном поле. // Высокомолек. соед. - Сер. Б. - 1983. - Т. 25, № 5. - С. 376-381.
15. Гольдаде В.А. Электретные композитные материалы на основе полимеров: основные свойства и новые
области применения. // Механика композит. Материалов. - 1998. - Т.34, №2. - С.153 - 162.
16. Плевачук В.Г., Вертячих И.М., Гольдаде В.А., Пинчук Л.С. Влияние заряда полимерного электрета на растекание жидкости. // Высокомолек. соед. - Сер. А. -1995. - Т. 37, № 10. - С. 1728-1731.
17. Вертячих И.М., Гольдаде В.А., Неверов А.С., Пинчук Л. С. Влияние электрического поля полимерного электрета на сорбцию паров органического растворителя. // Высокомолек. соед. - Сер. Б. - 1982. -Т. 24, № 9. - С. 683-687.
© Д. А. Перепелкина - студ. гр. 3131-41 КНИТУ, perepelkina-32@mail.ru; М. Ф. Галиханов - д-р техн. наук, проф. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, mgalikhanov@yandex.ru; А. А. Перепелкина -асп. той же кафедры, aelita.p@mail.ru; Л. Р. Мусина - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, L.musina@yandex.ru.
© D. A. Perepelkina, student at the gr. 3131-41 of KNRTU, perepelkina-32@mail.ru; M. F. Galikhanov, professor, Dr. Tech. Sci., professor of the Department of processing technology of polymers and composite materials of KNRTU, mgalikhanov@yandex.ru; A. A. Perepelkina, PhD student at the Department of processing technology of polymers and composite materials of KNRTU, aelita.p@mail.ru; L. R. Musina - Cand. Tech. Sci., assistant professor of the Department of processing technology of polymers and composite materials of KNRTU, L.musina@yandex.ru.
