Влияние пенного способа формования на свойства фильтровальных материалов из минеральных волокон Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 676.19

А. С. Смолин, В. К. Дубовый, Д. Ю. Комаров, А. В. Канарский

ВЛИЯНИЕ ПЕННОГО СПОСОБА ФОРМОВАНИЯ НА СВОЙСТВА ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ ИЗ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОЛОКОН

Ключевые слова: стеклянные волокна, связующее, поверхностно-активные вещества. пенное формование, фильтровальная

бумага.

Показано, что пенный способ формования представляется достаточно перспективным для фильтровальных видов бумаги на основе минеральных волокон. Установлено, что при пенном способе формования, благодаря повышению равномерности макроструктуры, улучшаются прочностные свойства бумаги из стекловолокна.

Keywords: glass fibers, a binder, surfactants. foam molding, the filter paper.

It is shown that the foam molding method is quite promising for the filter paper types based on mineral fibers. It is found that the foam molding process, by improving the uniformity of the macrostructure, improved paper strength characteristics of fiberglass.

Основой пенного способа формования волокнистых материалов является диспергирование волокон в высокодисперсной пенной среде. Волокна равномерно распределяются в межпузырьковом пространстве, создавая однородную макроструктуру материала. Основа данной технологии, в частности, факторы пенообразования, режимы получения пены, оптимизация этих характеристик, а также примеры практического использования пенного формования изложена в ряде работ [1-3].

Анализ опубликованных результатов исследований показывает, что пенное формование позволяет получить волокнистые материалы рыхлые, пухлые со значительным объемом пор. Это позволяет полагать, что пенное формования является перспективным способом получения фильтровальных материалов, поскольку

обеспечивает образование высокоразвитой пористой структуры, от которой зависит эффективность фильтрации [4].

Современные технологии предъявляют очень высокие требования к качеству фильтрации различных сред и соответственно к качеству фильтровальных материалов. Проблемы качества фильтровальных материалов решают, прежде всего, подбором соответствующих волокон, в том числе целлюлозных, синтетических и минеральных.

В связи с этим, большой интерес представляют фильтровальные материал из минеральных волокон, которые обладают рядом уникальных свойств, которые недостижимы для материалов из растительного сырья. В частности, фильтровальные материалы из минеральных волокон устойчивость к повышенным температурам и химическому воздействию. Однако из минеральных волокон достаточно сложно получить равномерные по фильтрующим прочностным свойствам

волокнистые материалы, применяя классический способ гидродинамический способ формования. Это связано с тем, что длинные минеральные волокна во время формования флокулируют. Чтобы снизить этот эффект, волокнистую массу разбавляют перед отливом до концентрации 0,015 - 0,02 % и формуют

на бумагоделательной машине с наклонным сеточным столом.

Однако этот специфический используемый на практике способ формования энергетически затратный, требует большого расхода воды и электроэнергию.

В этой связи поиск альтернативных способов формования фильтровальных материалов из минеральных волокон весьма актуален.

Цель настоящих исследований - определение влияния пенного способа формования на свойства фильтровальных материалов из минеральных волокон.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- определить влияние пенного способа формования при варьировании диаметра стеклянных волокон, расходе связующих веществ и ПАВ на свойства фильтровальных материалов;

- определить влияние пенного способа формования на свойства фильтровального материала из сульфатной хвойной и лиственной целлюлозы.

Методы исследований

Пенные дисперсии получались путем перемешивания волокнистой массы в присутствии поверхностно - активного неиногенного вещества алкилполигликозида в количестве 0,3 мг/л, в течение 8-12 минут при скорости 1500 - 2000 об/мин. Концентрация 0,3 мг/л является минимальной, поскольку целлюлозные волокна не являются длинными и дают равномерные структуры при любом способе формования.

Для создания композиции использовались микротонкие и ультратонкие стекловолокна диаметром 0,25, 0,40 и 0,65 мкм. Поскольку минеральные волокна самостоятельно не образуют прочных связей, то при получении отливок из этих волокон использовали неорганическое связующее на основе полигидроксокомплексов алюминия с концентрацией 5,10,15 и 20 % [7].

На лабораторном листоотливном аппарате были получены образцы материалов как традиционным, так и пенным способом формования.

В полученных образцах определялись толщина Н (мм), масса 1 м2 т (г/м2), плотность р (кг/м3), прочность при растяжении др (кПа), сопротивление образцов потоку воздуха, Ар (мм.вод.ст.), коэффициент проницаемости по масляному туману Кпр по МТ (%), капиллярная впитываемость (мм) (табл. 1). Нормативные требования к фильтровальным материалам для очистки газовоздушной среды по прочности при растяжении не менее 300 кПа, по сопротивлению потоку воздуха - не более 10 мм.вод.ст., по коэффициенту проницаемости - не более 0,1-10"4 %.

При «пенном» способе формования, в первую очередь испытывались материалы, полученные из одного типа волокна, при этом изменяли концентрацию связующего и концентрацию ПАВ.

Результаты и обсуждение

На рис. 1-2 показано сравнительное влияние пенного и традиционного способа формования на показатели прочности и толщины образцов из сульфатной хвойной беленой целлюлозы и сульфатной лиственной целлюлозы.

Сравнение показывает, что при незначительном падении прочности, которое характерно для пенного формования, увеличивается толщина отливок. С ростом толщины увеличивается пухлость и пористость материалов. Таким образом, пенный способ формования является вполне перспективным для фильтровальных целлюлозных видов бумаги.

б

Рис. 1 - Влияние пенного способа формования на прочность образцов бумаги: а) сульфатной хвойной беленой целлюлозы: б) сульфатной лиственной беленой целлюлозы

I— Пгтый сп-пооб

б

Рис. 2 - Влияние пенного способа формования на толщину образцов бумаги: а) сульфатной хвойной беленой целлюлозы; б) сульфатной лиственной беленой целлюлозы

Традиционным способом формования самый прочный материал (др = 650 кПа) был получен из 100 % волокна диаметром 0,25 мкм при концентрации связующего 20 %. Однако, этот материал имел высокое сопротивление потоку воздуха (Ар = 24 мм.вод.ст.) (Табл. 1). Материалы, полученные из композиции волокон, дают приемлемый результаты по фильтрующим и механическим свойствам при соотношении волокна 40 % ^ = 0,25 мкм) и 60 % ^ = 0,65 мкм), а также концентрации связующего вещества 20 % (рис. 5).

700 600 Б0О 400

=

¿гоо

4

100 о

(1-0 2Ь

I' 'Л

Ы0 ,<и. т

^ч. ш

1 И"-- * МО

3-1 и

о,г _ }

ЯЛ 60 м л»

¿0 .10 со »0

-Прочность ■

-Сопротивление

ПСШОКНу,,-

ооэду>у —*■

■коэф. Проницаемости ЧО^

Рис. 3 - Классический способ формования. Влияние композиции на характеристики материала. Стекловолокно d = 0,25 мкм и d = 0,65 мкм. Концентрация связующего вещества -20 %

Было установлено, что с увеличением концентрации ПАВ улучшаются фильтрационные и прочностные характеристики (рис.6). Это обусловлено тем, что увеличение концентрации ПАВ приводит к улучшению дисперсности пены.

а

а

Прочность также возрастает с увеличением концентрации связующего вещества.

Таблица 1 - Влияние диаметра стеклянных волокон и концентрации связующего на качество фильтровального материала

распределению волокон и связующего в структуре материала.

Показатели Концентрация связующего вещества Д120э, % Диаметр стекловолокон, мкм

0,65 0,40 0,25

Капиллярная впиты-ваемость , мм 5 75,0 65,0 57,5

10 74,3 63,5 56,9

15 73,5 61,7 55,8

20 72,8 60,3 55,0

Кпр по МТ, % 5 0,6-1 0-1 0,6-10-2 0,5-10-3

10 0,4-1 0-1 0,4-10-2 0,4-10-3

15 0,2-1 0-2 0,2-10-2 0,2-10-3

20 0,1-1 0-2 0,1-10-3 0,1-10-4

Ар, мм. вод. с т 5 2 3,5 14

10 2,3 5,4 18

15 3,1 5,6 22

20 5,9 6,0 24

др , кПа 5 220 300 380

10 290 370 490

15 360 440 600

20 390 480 650

р, кг/м3 5 188,3 188,7 190,7

10 192,5 193,1 192,5

15 193,9 194,2 196,1

20 194,0 195,9 198,0

т, г/м2 5 99,8 100,0 99,2

10 98,2 98,5 98,2

15 98,9 101,0 100,0

20 100,8 101,9 103,0

Н, мм 5 0,53 0,53 0,52

10 0,51 0,51 0,51

15 0,51 0,52 0,51

20 0,52 0,52 0,52

Пенное формование с увеличением дисперсности пены значительно улучшает макроструктуру материала, что приводит к увеличению прочности, снижению сопротивления потоку воздуха и уменьшению коэффициента проницаемости по масляному туману.

Характерно, что в зависимости от механизма связеобразования кардинально изменяется влияние пенного формования для фильтровальной бумаги из целлюлозного волокна и из стекловолокна. Пенное формование снижает прочность отливок из целлюлозы (рис.1,2) и увеличивает прочность образцов из минеральных волокон. В целлюлозных отливках пена мешает образованию межволоконных связей, в отливках из стекловолокна улучшает связеобразование благодаря более равномерному

0,14

-Прочность

0.28

0.55

Концентрации ПАВ, мг/л

-Сопротивление воздух -

1,4

-Коэф. Проницэемогтит10-Д

Рис. 4 - Пенный способ формования. Влияние концентрации ПАВ на характеристики материала. Стекловолокно d =0,25 мкм. Концентрация связующего вещества - 20 %

Наилучший образец (др = 530 кПа; Ар = 3,6 мм.вод.ст.; Кпр по МТ = 0,1-10-4 %) был получен из композиции волокон, при соотношении 80 % ^ = 0,4 мкм) и 20 % ^ = 0,65 мкм), а также концентрации связующего 20% . Такой материал пригоден также для высокоэффективной очистки газо-воздушных сред. (рис. 5).

0,0025

-■ ОрС

-■ ОрС

-■ □ 001

■чО

С

0,0005

- р.кПа

-р.мм. вод. ст.* 10-2

- Кф,%

0,2 0,4 0,6

Концентрация ПАВ, %

Рис. 5 - Влияние концентрации ПАВ при содержании связующего 20 %, состав волокна а=0,4 мкм, 80 %; а=0,65 мкм, 20 %

Выводы

Пенный способ формования представляется достаточно перспективным для фильтровальных видов бумаги на основе минеральных волокон.

При исследовании пенного способа формования, благодаря повышению равномерности

макроструктуры, улучшаются прочностные свойства бумаги из стекловолокна.

Литература

1. Н.А. Зольников, А.С. Смолин, Т.И. Козулина, В сб. Исследование в области технологии бумаги и картона. ВНИИБ, 1982. С. 9-13.

2. А.С. Смолин. Автореф. дисс. д.т.н., Санкт-Петербург, 1999.

3. А.С. Смолин, В.К. Дубовый, Д.Ю. Комаров, Лесн. Журн., 1, 101-108 (2011).

4. Технология целлюлозно-бумажного производства. Справочные материалы. В 3-х томах. Т. II. Политехника, СПб., 2005. С.423, 499.

5. А.Р. Саляхова, А.А. Садриева, Л.И. Залялова, А.А. Солуянова, Т.А. Ямашев, О.А. Решетник, Вестник Казан. технол. ун-та, 17, 22, 263 - 265 (2014).

© А. С. Смолин - профессор, д.т.н., зав. кафедрой технологии бумаги и картона Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна. Высшая школа технологии и энергетики. Институт технологии; В. К. Дубовый - д.т.н., профессор кафедры технологии бумаги и картона Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна. Высшая школа технологии и энергетики. Институт технологии; Д. Ю. Комаров - аспирант кафедры технологии бумаги и картона Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна. Высшая школа технологии и энергетики. Институт технологии; А. В. Канарский -д.т.н., профессор кафедры Пищевая инженерия малых предприятий КНИТУ, [email protected];

© A. S. Smolin - Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of Department of Paper Technology and cardboard St. Petersburg State University of Industrial Technology and Design. Graduate School of Technology and Energy. Institute of Technology; V. C. Duboviy - Dr. Sci. (Tech.), Prof. of the Department of paper and cardboard technology, St. Petersburg State University of Industrial Technology and Design. Graduate School of Technology and Energy. Institute of Technology; D. Y. Komarov - Ph.D. Student, Department of paper and cardboard technology, St. Petersburg State University of Industrial Technology and Design. Graduate School of Technology and Energy. Institute of Technology; A. V. Kanarskiy, Dr. Sci. (Tech.), Prof., Department of food engineering in small enterprises, Kazan National Research Technological University, [email protected].

6. Р.Н Сабирзянова., И.В. Красина, Вестник Казан. технол. ун-та, 17, 24, 56-59 (2014).

7. В.К. Дубовый, В.В. Казаков, ИВУЗ Лесн. журн., 2, 98106 (2005).