CC BY
208
Н. Ф. Кашапов, В. Н. Семочкин, Р. Х. Фатхутдинов ВЛИЯНИЕ НАНОСТРУКТУРЫ НА СВОЙСТВА ФИЛЬТРУЮЩИХ УГЛЕНАПОЛНЕННЫХ ЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Проведен анализ сорбционных характеристик промышленных марок активированных углей и целлюлоз. В результате проведенных испытаний выявлено, что введение в композицию угля-катализатора марки КТ-1 в смеси с активированным углем марки СКТ-6А в соотношении 3:1, использование мерсеризованной целлюлозы (40 % от целлюлозной составляющей), минимальное прессование позволяют получить сорбирующий материал с низким сопротивлением воздушному потоку.
В настоящее время серьезную опасность для населения всего мира представляют чрезвычайные ситуации, возникающие в результате техногенных аварий и террористических актов с применением химически и биологическиопасных веществ, так как при аварии с выбросом токсичных химических веществ в окружающую среду их воздействию подвергается не только персонал промышленного объекта, но и значительная часть населения, находящегося в зоне возможного заражения. Одним из способов защиты населения от воздействия супертоксикантов и аварийных химически опасных веществ (АХОВ) является использование средств индивидуальной защиты кожи (СИЗК) и органов дыхания (СИ-ЗОД). В данной работе для создания таких СИЗ разрабатывались фильтрующие защитные материалы на основе угленаполненной целлюлозы.
На начальном этапе был проведен анализ сорбционных характеристик промышленных марок активированных углей и целлюлоз. Из исследованных промышленных углей различных марок по совокупности свойств наиболее оптимальными для использования в фильтрующих материалах определены активированный уголь марки СКТ-6А и целлюлоза сульфатная небеленая марки НСК.
Лабораторным способом были изготовлены образцы угленаполненных целлюлозных материалов и проведены их исследования. На рисунке 1 приведены кривые распределения объема пор в образцах целлюлозы, наполненной активированным углем СКТ-6А различной дисперсности, при постоянной массовой доле угля. На рисунке 2 приведены зависимости физико-механических свойств и времени удержания паров уксусной кислоты от массового содержания активированного угля.
Из этих данных следует, что сорбционная емкость угленаполненной целлюлозы увеличивается с увеличением массовой доли угля, а физико-механические свойства снижаются. Больший сорбционный объем со средним радиусом пор 4 нм по данным ртутной поро-метрии имеет более мелкая фракция угля.
В таблице 1 приведены более полные характеристики свойств угленаполненной целлюлозы в зависимости от содержания угля марки СКТ-6А.
4 8 12 16 20 24 28
Средний радиус пор, Г , (нм)
Рис. 1 - Дифференциальные кривые распределения объема пор по средним радиусам в образцах целлюлозы, наполненной активированным углем СКТ-6А различной дисперсности. Частицы активированного угля размером: 1 - 40 мкм; 2 - 60 мкм; 3 -80 мкм
Рис. 2 - Зависимость показателей качества угленаполненного материала от массовой доли активированного угля СКТ-6А (дисперсность угля 40 мкм)
Из приведенных данных следует, что защитные свойства (время удержания паров уксусной кислоты) угленаполненного целлюлозного материала повышаются с увеличением массового доли угля. Однако данный процесс сопровождается повышением хрупкости, осыпанием угля, снижением прочности и других физико-механических свойств материала.
Оптимальным для сохранения физико-механических и защитных характеристик является введение в целлюлозную композицию 40-45% угля относительно целлюлозы. Содержание угля в угленаполненном целлюлозном материале 20-30%.
Количество фильтруемого через материал воздуха при защите органов дыхания от химических опасных веществ, в отличие от случаев защиты кожных покровов, возрастает более чем в 50 раз. Для усиления защитных свойств исследовали возможность применения каталитических углей. По сорбционным свойствам, распределению пор, дисперсно-
сти и по защитным свойствам определили наиболее оптимальную композицию из смеси углей КТ-1 - СКТ-6А в соотношении 3:1 (табл. 2).
Таблица 1 - Зависимость показателей угленаполненного материала от массовой доли активированного угля СКТ-6А
Мас- совая доля угля, % Масса 1м2 , г Плот- ность мате- риала, г/см3 Предел прочности при растяжении, Н/мм2 Отно-ситель-ное уд-лине-ние, % Со- про- тив- ле- ние про- дав- лива нию, кгс Сопро- тивление излому, ч.д.п. Влаго- проч- ность, % Время удержания паров уксусной кислоты, мин
10 108 0,51 46,1 4,0 73,5 673 29,3 32
15 108 0,48 42,5 4,4 67,0 609 25,9 37
20 108 0,46 39,8 3,6 59,6 503 29,8 42
25 107 0,44 36,0 4,2 57,8 413 31,7 46
30 105 0,44 32,4 3,3 51,9 591 27,8 50
35 104 0,39 29,0 3,0 31,2 411 34,9 54
40 104 0,39 25,0 3,2 29,5 228 41,5 60
45 104 0,39 20,8 2,2 26,6 153 33,1 60
50 103 0,38 17,2 2,2 20,4 46 34,9 68
55 103 0,37 13,0 2,2 13,9 20 37,8 70
60 102 0,36 9,6 2,0 13,4 12 40,8 80
65 101 0,36 7,2 1,9 11,4 6 37,6 85
Таблица 2 - Свойства угленаполненного материала с различным содержанием смеси углей КТ-1 ^ СКТ-6А в соотношении 3:1
Содержание угля, % мас. в гидромассе Масса 2 1 м целлюлозы, г Плот- ность, г/см3 Прочность при растяжении, Н Вла- гопро ч- ность, % Сопротивление потоку воздуха, Па Время удержания паров уксусной кислоты, мин
35 122 0,25 14,3 26 5,0 75-95
40 120 0,25 13,8 29 5,0 105-120
45 120 0,24 13,2 26 5,0 110-125
50 118 0,25 12,7 28 4,9 115-125
Экспериментальные исследования степени фибрилляции волокон показали, что внешняя фибрилляция приводит к увеличению общей наружной поверхности целлюлозного волокна и освобождению большего числа свободных гидроксильных групп, способствующих образованию прочной межволоконной связи; внутренняя фибрилляция частично ослабляет связи между фибриллами, но делает волокна более гибкими и пластичными, при этом их прочность не снижается. В качестве основы выбрана целлюлоза сульфатная небеленая марки НСК при содержании мерсеризованной (подверженной фибрилляции) целлюлозы не более 2/3 от общего количества целлюлозы.
Для определения абсолютных адсорбционных свойств угленаполненных материалов впервые была исследована адсорбция бензола в изотермических условиях образцами угленаполненных материалов для одежды и защиты органов дыхания.
На рисунке 3 приведены изотермы адсорбции бензола углем СКТ-6А (кривая 1), угле-наполненной целлюлозой (кривая 2) и дублированной тканью целлюлозы с углем (кривая 3).
Пунктирной линией показана ветвь десорбции бензола. Для оценки сорбционного вклада целлюлозной компоненты на рис. 4 приведены изотермы сорбции бензола углена-полненной целлюлозой (кривая 1) и чистой целлюлозой (кривая 2). Кривая адсорбции по чистой целлюлозе характерна для слабого взаимодействия паров бензола с твердым телом и наблюдается на непористых и крупнопористых твердых телах.
Параметры пористой структуры угленаполненных материалов в сравнении с чистыми углями, рассчитанные по данным адсорбции и десорбции бензола в изотермических условиях, приведены в таблице 3.
^ (9-і д, ммояъ/г 2,5
1,51,0:
■ и п—а—щг . _—і— -------- ---
О 02 04 Об 08 1,0РІР&
Рис. 3 - Изотермы адсорбции паров бензола образцами на основе активированного угля марки СКТ-6А: о - угля СКТ-6А (кривая 1);
А - целлюлозы, содержащей уголь СКТ-6А (кривая 2);
□ - целлюлозы, наполненной углем СКТ-6А и армированной материалом с дискретным клеевым покрытием (кривая 3); пунктирная линия - ветвь десорбции
Рис. 4 - Изотермы адсорбции паров бензола:
А - угленаполненная целлюлоза (кривая 1);
о -целлюлоза (кривая 2); пунктирная линия - ветвь десорбции
Таблица 3 - Параметры пористой структуры активированных углей и угленаполнен-ных материалов
Образец Параметры пористости по уравнению Дубинина-Радушкевича Параметры пористости по уравнению Дубинина-Стекли Объем мезо- "Т/ см /г Сорбци- онный объем, см3/г
Wо, см3/г Ео, кДж/моль Хо, нм Wo, см3/г Ео, кДж/моль Хо, нм
Уголь СКТ-6А 0,66 20,86 0,48 0,19 0,85
Целлюлоза с СКТ-6А 0,19 28,46 0,54 0,06 0,25
Армированная тканью целлюлоза с СКТ-6А 0,06 19,33 0,52 0,64 19,62 0,51 0,03 0,09
Уголь КТ-1 0,29 19,76 0,51 0,319 18,71 0,55 0,21 0,50
Целлюлоза с КТ-1 0,077 13,64 0,57 0,087 12,91 0,74 0,03 0,10
Армированная целлюлоза с углем КТ-1 0,007 18,01 0,60 0,015 0,05
Параметры рассчитывались по уравнениям Дубинина-Радушкевича и Дубинина-Стекли соответственно:
W=Woexp[(A/pEo)]; (1)
W=Wo0/(2*(1+2m’52A2)1/2)*exp[-(m’xo2A2/1+2m’52A2)]•[1+erf(xo/5*(1+2m’52A2)1/2)], (2)
где W - объем адсорбированного вещества;
№о - предельный адсорбционный объем микропор;
А - дифференциальная мольная работа адсорбции;
в - коэффициент подобия характеристических кривых (для паров бензола коэффициент равен 1);
Е0 - характеристическая энергия адсорбции пара стандартного вещества (бензола); Wо0 - общий объем микропор;
Хо - полуширина микропор для максимума кривой распределения объема пор по размерам;
б - дисперсия - параметр, который характеризует ширину распределения микропор по размерам;
т’ - коэффициент, постоянный для паров бензола.
Они достаточно близки, что служит подтверждением корректности оценки. Уменьшение сорбционного объема, отнесенного к массе материала, соответствует уменьшению
массовой доли угля в материале, содержание которого в армированных материалах составляет 8,7%.
Основной объем адсорбционного пространства для смесевого угля приходится на ме-зопоры с радиусом 14 нм (рис. 5).
Рис. 5 - Кривая распределения пор по эффективным радиусам образца угленапол-ненного материала на основе углей КТ-1и СКТ-6А
В результате проведенных испытаний выявлено, что введение в композицию угля-катализатора марки КТ-1 в смеси с активированным углем марки СКТ-6А в соотношении 3:1, использование мерсеризованной целлюлозы (40 % от целлюлозной составляющей), минимальное прессование позволяют получить сорбирующий материал с низким сопротивлением воздушному потоку (4 Па в одном слое, 8 Па в двойном слое) и высокими защитными свойствами. Установлено, что основной объем сорбционного пространства приходится на поры размером 14 нм, что позволяет достигать высокие сорбционные свойства угленаполненных целлюлозных материалов, обеспечивающих защиту органов дыхания от воздействия высокотоксичных веществ и АХОВ не менее 20 мин.
© Н. Ф. Кашапов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии оборудования медицинской и легкой промышленности КГТУ; В. Н. Семочкин; Р. Х. Фатхутдинов
