Влияние массы 1 м2 и плотности на свойства бумагоподобных фильтровальных материалов из различных минеральных волокон Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 676.017

12 3

В.К. Дубовый , Д.П. Маркеев , Н.В. Сысоева

1 С.-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров 2ОАО Гатчинский опытный завод бумагоделательного оборудования 3Северный (Арктический) федеральный университет

Дубовый Владимир Климентьевич родился в 1967 г., окончил в 1991 г. Ленинградскую лесотехническую академию, доктор технических наук, доцент С.-Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров. Имеет более 150 печатных работ в области технологии бумаги и картона. E-mail: [email protected]

Маркеев Денис Петрович родился в 1971 г., окончил в 1993 г. Воронежский лесотехнический институт, в 2003 г. Мурманский государственный технический университет, генеральный директор ОАО «Гатчинский опытный завод бумагоделательного оборудования».

Сысоева Наталья Владимировна родилась в 1976 г., окончила в 1999 г. Архангельский государственный технический университет, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии целлюлозно-бумажного производства Северного (Арктического) федерального университета. Имеет около 50 печатных работ в области совершенствования технологии получения бумаги, картона и подобных листовых материалов из растительных и минеральных волокон. Тел.: 8 (8182) 65-00-92

ВЛИЯНИЕ МАССЫ 1 м2 И ПЛОТНОСТИ НА СВОЙСТВА БУМАГОПОДОБНЫХ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОЛОКОН

Установлено, что увеличение массы 1 м2 и плотности, а также снижение диаметра волокон позволяет в 2-5 раз снизить воздухопроницаемость, в 3-4 раза повысить прочность и на 3-4 порядка уменьшить коэффициент проскока частиц масляного тумана. Показано, что в этих условиях, не меняя композиции, можно получить композиты с широким спектром фильтрующих свойств и прочности.

Ключевые слова: бумага, минеральные волокна, минерально-волокнистые композиты, фильтровальные материалы, плотность, размеры минеральных волокон, воздухопроницаемость, коэффициент проскока, прочность.

Одной из основных общемировых тенденций развития ЦБП является увеличение выпуска печатных и таро-упаковочных видов бумаги и картона на 3,0...4,5 % в год при средних темпах прироста других видов продукции на 1,5.2,0 % в год. При этом значительно более высокими темпами (на 10.15 % в год) возрастает производство бумагоподобных материалов технического назначения из химических и особенно минеральных волокон.

Это объясняется тем, что прогресс в наиболее наукоемких отраслях промышленности (авиакосмической,

электронной, атомной, оборонной), а также в области нанотехнологий невозможен без применения минерально-волокнистых композитов, изготовленных методами бумажного производства. Эти материалы обладают уникальными свойствами, принципиально нед остижимыми у бумаги и картона из традиционного растительного сырья. Прежде всего к ним относятся высокие био-, термо- и хемостойкость, негорючесть, очень низкая плотность.

Как и во всем мире, в последние годы и в России значительно увеличилось производство стекловолокнистых

композитов, изготавливаемых на бумагоделательных машинах (БДМ) с наклонным сеточным столом типа No-wo-former немецких фирм «Pama», «Bruderhaus» и др. Эти композиты служат основой для изготовления мягкой кровли нового поколения, обладающей высокой долговечностью (более 25 лет) и другими преимуществами по сравнению с традиционными укрывными материалами, например толью. Однако за рубежом, наряду с указанными материалами, быстро развивается производство фильтровальных, тепло- и шумоизоляционных материалов на основе различных минеральных волокон. В нашей стране, в силу ряда причин (отсутствие на предприятиях ЦБП необходимого оборудования, технологий производства, высокой стоимости и др.), эти материалы пока не изготавливаются, хотя в связи с планируемыми диверсификацией и модернизацией многих отраслей отечественной промышленности они бы нашли широкое применение.

Для сверхтонкой очистки воздуха наиболее актуальной является разработка фильтровальных материалов из минеральных волокон с использованием неорганического связующего. Технология и факторы, влияющие на свойства фильтровальных видов бумаги и картона из природных волокон, достаточно хорошо изучены и известны [2, 4], однако информации о технологии и факторах, влияющих на свойства минерально-волокнистых фильтровальных композитов, крайне мало. Немногочисленные работы в этой области методически разобщены, а выводы авторов противоречивы.

Фильтровальные материалы, получаемые методами бумажного производства, относятся к объемным, независимо от природы исходного сырья. Поэтому на эффективность работы и срок

службы фильтров большое влияние должны оказывать масса 1 м2 и плотность фильтровального материала [3]. П. Уайт [5] прямо указывает, что «наилучшим объемным фильтром для улавливания аэрозолей является стог сена».

В связи с этим было решено изучить влияние массы 1 м2 и плотности на свойства фильтровальных матер иалов из различных минеральных волокон, имеющих разные геометрические размеры.

В качестве исходного сырья использовали стеклянные штапельные волокна от грубых (диаметр 15,0 мкм) до микротонких (0,2 мкм) при длине исходных волокон 5...7 мм, а также базальтовые и каолиновые волокна (2,0 и 0,8 мкм). Базальтовое волокно изготовлено центробежным способом на предприятиях Украины, стеклянное и каолиновое волокна - методом раздува горячими газами расплавленного стекла. Выбор этих волокон обусловлен их доступностью и значительным различием химического состава и физических свойств, в частности температуры плавления. При двухстадийном производстве фильтровальных материалов требуется обеспечить, главным образом, фильтрующие свойства бумаги-основы, так как повышение ее прочности достигается во второй стадии, например за счет пропитки связующими или другой обработкой на специальном оборудовании. При планируемом одностадийном производстве указанных материалов на БДМ, помимо фильтрующих свойств, бумаге необходимо придать требуемую прочность.

Поскольку композиты из минеральных волокон имеют низкую прочность, в качестве неорганического связующего использовали полиядерные комплексы, получаемые из сульфата алюминия при рН 8,5.9,0 непосред-

ственно в гидросуспензии минеральных волокон перед отливом образцов. Расход сульфата алюминия в пересчете на его оксид составлял 40 % от массы волокна. Именно эти условия рекомендованы в работе [1] для значительного увеличения прочности минерально-волокнистых композитов. Одновременно неорганическое связующее позволяет полностью использовать их высокую термо- и огнестойкость, что важно при работе фильтров в сложных производственных условиях.

Лабораторные образцы из минеральных волокон изготавливали на лис-тоотливном аппарате ЛОА-2 с прессованием между сукном и сушкой на горке или цилиндре при температуре / = 125 Перед отливом минеральные волокна размешивали на быстроходной мешалке, добавляли сульфат алюминия, а для создания требуемого рН 8,5.9,0 - 1н раствор едкого натра.

В первой серии опытов изучали влияние массы 1 м2 на фильтрующие и прочностные свойства образцов из изучаемых минеральных волокон. Массу 1 м изменяли от 100 до 500 г. Известно [2, 4], что фильтрующие свойства бумаги из растительных волокон сильно зависят от ее плотности, поэтому плотность образцов поддерживали постоянной, на уровне (0,25±0,02) г/см3. Исходя

из технических возможностей ЛОА-2 и для исключения влияния способа изготовления на исследуемые параметры образцы отливали двухслойными.

Подготовку к испытаниям и определение фильтрующих и прочностных свойств образцов при изменении массы 1 м2 осуществляли по требованиям соответствующих стандартов. Полученные результаты представлены в табл. 1.

Анализ данных, приведенных в табл. 1, показывает, что увеличение

2

массы 1 м и уменьшение диаметра стеклянных и каолиновых волокон закономерно приводят к снижению воздухопроницаемости и коэффициента проскока частиц масляного тумана, а также к повышению прочности образцов. Более детальный количественный анализ наблюдаемых закономерностей позволяет установить следующее. При увеличении массы 1 м2 образцов в 5 раз воздухопроницаемость понижается всего в 1,5-2 раза. Примерно на эту величину воздухопроницаемость образцов падает и при уменьшении диаметра волокон от 15,0 до 0,2 мкм. Необходимо отметить, что коэффициент проскока К аэрозольных частиц снижается в указанных условиях практически на три порядка - от 1010-6 до 13 10-3 %. Такого

повышения

задерживающей способности при изменении изучаемых факторов не наблюдается у фильтровальных материалов из растительных волокон, предназначенных для очистки воздуха в машиностроении [2, 4]. Видимо, это объясняется различием в механизмах задержания аэрозольных частиц фильтрами из минеральных волокон и значительно более крупных частиц пыли фильтрами из растительных волокон.

При изменении указанных факторов прочность достигала максимального (0,58 МПа) значения у образцов с массой 1 м2 500 г из микротонких стеклянных волокон, минимального (0,18 МПа) - у образцов мас-^ 2

сой 1 м 100 г из грубых стеклянных волокон, т. е. она повышалась почти в 4 раза. При этом решающий вклад в это изменение внесло увеличение массы 1 м образцов от 100 до 500 г, значительно меньше повлияло снижение диаметра волокон от 15,0 до 0,2 мкм.

Отдельно рассмотрим результаты испытаний образцов из базальтового волокна, полученного более дешевым

Таблица 1

Влияние массы 1 м на свойства бумагоподобных композитов из различных минеральных волокон

Минеральные волокна (диаметр) Масса 1м2, г Воздухопроницаемость (при АР = 2 мбар), л/(м"-с) Коэффициент проскока К-10". % Сопротивление разрыву, МПа

Стеклянные

Грубые (15,0 мкм) 107 2250 1300 0,18

205 1940 980 0,28

308 1560 680 0,33

410 1390 460 0,38

510 1180 240 0,45

Супертонкие (2,0 мкм) 100 1620 143 0,24

208 1320 135 0,26

315 1180 100 0,38

412 985 65 0,43

508 850 37 0,49

Ультратонкие (0,7 мкм) 102 1320 100 0,28

200 1100 85 0,38

301 950 50 0,44

400 865 30 0,47

503 790 22 0,50

Микротонкие (0,2 мкм) 105 1110 95 0,26

206 988 75 0,40

309 860 42 0,45

404 790 24 0,53

500 748 10 0,58

Каолиновые

Супертонкие (2,0 мкм) 103 1410 125 0,21

212 1280 108 0,25

298 1000 85 0,34

409 885 59 0,42

509 820 30 0,46

Ультратонкие (0,8 мкм) 95 1250 98 0,28

211 1190 89 0,33

312 911 60 0,44

415 866 28 0,55

499 800 24 0,56

Базальтовые

Супертонкие (2,0 мкм) 98 650 380 0,07

195 600 312 0,12

310 530 295 0,15

414 430 220 0,20

512 390 200 0,25

Супертонкие очищенные 108 1210 160 0,18

(2,0 мкм) 200 1000 140 0,20

300 880 111 0,22

400 820 72 0,34

505 740 48 0,40

центробежным способом, что приводит к образованию большого (до 30 %) количества так называемых «корольков». Как свидетельствуют данные табл. 1, эти включения существенно снижают фильтрующие и прочностные свойства образцов. После удаления вручную этих образований фильтрующие свойства и прочность образцов из супертонких базальтовых волокон, как и характер их изменения с ростом массы 1 м2 , становятся аналогичными образцам из супертонких стеклянных и

каолиновых волокон. Поскольку ручной способ очистки базальтовых волокон не приемлем для производства, в дальнейших опытах их не использовали.

Во второй серии опытов изучали влияние изменения плотности образцов на их фильтрующие и прочностные свойства. Масса 1 м составляла 200 г. Минимально возможная плотность получена путем сушки отливок на горке при I = 125 ^ и поднятой прижимной сетке. Результаты испытаний образцов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Влияние плотности на свойства бумагоподобных композитов из различных минеральных волокон

Минеральные волокна (диаметр) Плотность, г/см3 Воздухопроницаемость (при АР = 2 мбар), л/(м2-с) Коэффициент проскока Г-10 3, % Сопротивление разрыву, МПа

Стеклянные

Грубые (15,0 мкм) 0,05 7 520 8 560 000 0,08

0,10 5 600 650 800 0,14

0,16 3 540 42 500 0,18

0,22 2 310 2 990 0,20

0,26 1 810 890 0,26

Супертонкие (2,0 мкм) 0,06 5 990 800 000 0,10

0,12 4 350 93 800 0,15

0,15 2 200 11 900 0,19

0,20 1 550 9 500 0,26

0,28 1 300 130 0,28

Ультратонкие (0,7 мкм) 0,07 5 300 120 500 0,10

0,10 4 110 50 900 0,15

0,15 2 000 6 000 0,22

0,24 1 490 960 0,25

0,26 1 190 85 0,28

Микротонкие (0,2 мкм) 0,05 4 950 90 100 0,11

0,11 3 820 12 500 0,13

0,15 2 120 9 500 0,27

0,22 2 000 158 0,34

0,27 1 900 64 0,42

Каолиновые

Супертонкие (2,0 мкм) 0,07 5 550 604 000 0,10

0,12 4 280 120 300 0,17

0,17 2 710 30 000 0,20

0,23 1 680 9 800 0,26

0,25 1 200 100 0,32

Ультратонкие (0,8 мкм) 0,06 4 240 98 050 0,12

0,12 3 300 25 000 0,18

0,17 2 200 9 500 0,22

0,21 1 350 760 0,29

0,25 1 000 83 0,36

Проанализировав результаты, приведенные в табл. 2, необходимо отметить, что повышение плотности образцов существенно увеличивает их прочность с одновременным снижением воздухопроницаемости и коэффициента проскока. Уменьшение диаметра волокон от 15,0 до 0,2 мкм приводит к незначительному, примерно на 20 %, повышению плотности образцов, высушенных без давления. Однако фильтрующие свойства и прочность отливок значительно больше зависят от диаметра волокон. Так, воздухопроницаемость этих образцов снижается в 1,8 раза, коэффициент проскока уменьшается почти на порядок, а прочность повышается на 25 %.

Повышение плотности образцов до 0,25.0,27 г/см3 привело к снижению воздухопроницаемости в 4-5 раз и коэффициента проскока на 3-4 порядка при одновременном увеличении прочности в 3-4 раза.

Обобщая полученные в ходе экспериментов закономерности, отметим следующее.

1. Показано, что, изменяя массу 1 м2, плотность, диаметр и природу минеральных волокон, можно получить бумагоподобные композиты с широким спектром фильтрующих свойств и прочности.

2. Изменение массы 1 м от 100 до 500 г снижает воздухопроницаемость в 1,5-2 раза, коэффициент проскока частиц масляного тумана - на 3 порядка при возрастании прочности образцов почти в 4 раза.

3. Повышение плотности отливок от 0,50.0,70 до 0,25.0,27 г/см3 снижает воздухопроницаемость в 4-5 раз, коэффициент проскока на 3-4 порядка при увеличении прочности образцов в 3-4 раза.

Таким образом, по эффективности воздействия на изучаемые свойст-

ва переменные факторы в порядке

убывания можно расположить в сле-

1 2

дующии ряд: плотность, масса 1 м , диаметр волокна, природа волокна.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дубовый В.К. Бумагоподобные композиционные материалы на основе минеральных волокон: Дис. ... д-ра техн. наук. СПб, 2006. 370 с.

2. Канарский А.Н. Фильтровальные виды бумаги и картона. М.: Экология, 1991. 272 с.

3. Кирш А.А. Моделирование и расчет аэрозольных волокнистых фильтров: Автореф. дис. ... д-ра хим. наук. М., 1977. 33 с.

4. Пузырев С.А. Бумага и картон как фильтрующие материалы. М.: Лесн. пром-сть, 1970. 86 с.

5. Уайт П., Смит С. Высокоэффективная очистка воздуха. М.: Атомиздат, 1967. 312 с.

Поступила 18.04.2011

V.K. Dubovy1, D.P. Markeev2, N.V. Sysoeva3

1 Saint-Petersburg State Technological University of Plant Polymers

2JSC Gatchina Pilot Plant of Paper-making E qu i p ment

3Northern (Arctic) Federal University

Effect of 1 m2 Mass and Density on Properties of Papery Filter Materials from Different Mineral Fibers

It is established that increase of 1m2 mass and density as well as decrease of fiber diameter allows to decrease air permeability in 2 - 5 times, increase strength in 3 - 4 times and decrease the particles overshoot coefficient of oil mist by 3 - 4 units. It is shown that it is possible to get composites with broad spectrum of filtering properties and strength under these conditions without changing composition.

Keywords: paper, mineral fibers, mineral-fiber composites, filter materials, density, mineral fibers size, air permeability, overshoot coefficient, strength.