CZ20013569A3 - Postup přípravy filtrů na bázi polyurethanové drtě - Google Patents

Description

Oblast techniky

Vynález se týká postupu přípravy filtrů na bázi polyurethanové drtě, použitelných zejména jako cigaretové filtry nebo jako filtry pro čištění vzduchu, plynných směsí a disperzí od materiálů a látek přítomných v těchto soustavách jako nežádoucí příměsi ve formě hrubých, koloidních nebo molekulových disperzí, případně všech těchto komponent současně.

Stav techniky

Teoretickými otázkami procesů sorpce plynů, par, kapalin a disperzí nízkomolekulámích a vysokomolekulárních látek, jakož i strukturou sorpčních materiálů se zabývá celá řada autorů monografií. Obecně aktivita adsorbentů závisí na mnoha faktorech, z hlediska jejich struktury především na měrném povrchu adsorbentů, jeho povrchové aktivitě (tj. koncentraci aktivních míst determinované chemickým složením, případně povrchovou koncentrací defektů), distribuci volného objemu podle velikosti pórů, a dalšími.

Zvlášť vysoké nároky z hlediska sorpčních vlastností jsou kladeny na sorbenty využívané k odstraňování škodlivin z cigaretového kouře. Při řešení filtru cigaretové špičky (nebo všeobecně filtru do cigarety) je nutno filtr konstruovat takovým způsobem, aby kladl co nejnižší aerodynamický odpor při kouření, tj. nepůsobil fyzickou námahu), měl nízkou hmotnost, měl dostatečnou kapacitu pro plánovaný počet cigaret (tj. vysoký specifický povrch), aby neměnil chuťové charakteristiky cigaretového aerosolu a aby selektivně adsorboval jen nejnebezpečnější chemické substance, kterými jsou zejména karcinogeny (benzpyren, nitrosamin, benzen, formaldehyd, aromatické aminy).

Jak je z výše uvedeného patrné, jedná se o poměrně široké spektrum vlastností, které musí být dosaženy v poměrně malém objemu ve vzájemném synergickém účinku. Kromě klasických materiálů na výrobu těchto filtrů se nově ověřují a využívají lehčené porézní - pěnové hmoty, např. polyurethany.

Přímá aplikace polyurethanů, jako nosičů aktivních adsorbentů pro odstraňování škodlivin z plynů, případně z cigaretového kouře je rovněž předmětem řady řešení, chráněných patenty.

Sorbent u něhož se předpokládá splnění výše uvedených požadavků je navržen např. v patentu US 3,718,612, kde je popsána polyurethanové matrice, vytvořená částicemi drceného polymeru ·· · • · ·

-2 • · · · · « ··· ·· »· ··» bez mikroporézní struktury. V GB patentu 1,346 536 se popisuje způsob výroby cigaretového filtru tím způsobem, že částice filtračního materiálu na bázi polyurethanové drtě se rozemelou a naskládají rovnoměrným způsobem. Tyto částice se pak ženou přes komoru, kde se pokryjí lepidlem síťujícím teplem. Tímto způsobem připravená směs se pak vytvaruje do požadovaného tvaru filtru a tepelně síťuje. V tomto patentu se popisuje také zařízení a mechanický postup výroby. Nezabývá se chemickým složením vlastního filtru, kde se jedná o blíže nespecifikovaný polyurethanový materiál. V patentu US 3 650 278 se popisuje mechanická filtrace cigaretového dýmu bez použití adsorpčního materiálu. Jedná se o konstrukci jehlových ventilů s nastavitelným průřezem, a tím i stupněm filtrace. Při využití této konstrukce dochází k odstranění toxických látek zejména kondenzací dehtu. Tato konstrukce může být po modifikaci využita jako první kondenzační část nově konstruovaného filtru. Do této kategorie patří i patentová přihláška WO 89/03183, ve které se popisuje konstrukce hliníkového filtru tvořeného lamelovanou válcovanou hliníkovou fólií v cylindrickém, mřížkovém, nebo trubkovitém uspořádání.

Z hlediska přípravy a charakterizace vlastní aktivní adsorpční matrice na bázi polyurethanu je zajímavý patent US 3,718,612, kde jako adsorpční aktivní matrice byly použity částice drceného tuhého polyurethanu bez mikroporézní struktury. Polyurethanové částice esterového typu se připravují drcením tuhé polyurethanové pěny a opracováním horkou vodou nebo párou. Tímto způsobem se dosahuje hydrolýzy nezreagovaného isokyanátu a jiných volných látek s cílem získání inertní matrice filtru. Částice se drtí na maximální velikost kolem 750 pm. Takto lze připravit matrice bez škodlivých zbytkových látek, které by se uvolňovaly při kouření. Při vlastní výrobě tuhého polyurethanu lze do reakční směsi přidávat ve vodě rozpustné soli prvků V. A a VI. A skupiny periodické tabulky prvků, jako např. alkalické soli wolframu. Přídavek těchto solí zrychluje vlastní reakční rychlost tvorby polyurethanu. Do směsi se dále mohou přidávat anorganická plniva, jako hydroxid hlinitý, trisilikát hořčíku apod. Předpokládá se, že tato plniva mají příznivý účinek na odstranění určitých dráždivých složek z tabákového dýmu. Tímto způsobem připravená matrice filtru vykazovala vysokou povrchovou energii a byla elektricky nabitá.

V patentu US 3,650,278 se popisuje adsorpční systém pro pohlcování cigaretového dýmu z popelníku. Jedná se o uspořádání pomocí kanálků, čímž se zvýší povrch styčných ploch a hnacího agregátu pro vytvoření proudění vzduchu sorpčním materiálem. Z cigaretového dýmu se v první fázi odstraňují mikročástice na filtru vytvořeném ze skelné vaty nebo kovových vláken. Jako ···

-3 adsorpční materiál se používá aktivní uhlí nebo aktivovaný hliník impregnovaný manganistanem draselným. V této aplikaci se používá jako matrice mechanického filtru z polyurethanu esterového typu.

Dispergování částeček aktivovaného uhlí v matrici filtru s vytvořením aktivních ventilačních ka nálků se popisuje v patentové přihlášce EP 0908110. V tomto případě se příslušný filtr skládá ze dvou částí o různé porozitě sorpční hmoty.

V patentové přihlášce WO 99/15730 se popisuje pěnový postup přípravy filtru pro filtraci oleje, benzínu a vzduchu v automobilovém průmyslu na bázi mechanicky připravené buničiny. Z této matrice se připraví filtrační listy, které se před vlastním naskládáním (žlábkováním) impregnují pogumováním, nebo latexem, případně se mohou impregnovat polyurethanem. Jako příměsi do vlastní matrice filtračního materiálu, buničiny, se mohou přidávat různá vlákna jiného původu, např. bavlněná nebo vlněná.

Zajímavými se jeví také patentové přihlášky, případně patenty, ve kterých se popisuje příprava partikulární kompozitní matrice na bázi pěnového polyurethanu a aktivního uhlí. Vysokého stupně specifického povrchu je dosaženo tím způsobem, že se připravená polyurethanové pěna s otevřenými póry impregnuje termoplastickým lepidlem v rozpouštědle, které je současně zpěňovadlem. Tímto postupem se dosahuje toho, že vnitřek pórů je pokryt lepící vrstvou, na které se pak zachycují mikročástice aktivního uhlí do požadovaného stupně naplnění. Dále se tato komplexní matrice polyurethan-pojivo-sorbent suší při pokojové teplotě aby se odstranilo zpěňovadlo do stavu, kdy se pěna zhroutí na původní objem. Pak se tato komplexní matrice může zahřívat v inertní atmosféře při zvýšené teplotě po dobu, dokud se neodpaří všechna zbytková rozpouštědla a další činidla. Tímto způsobem se navíc k lepícímu účinku připojuje i zachycení částic aktivního uhlí mechanickým sevřením v důsledku smrštění polyurethanové matrice. Zahřívání v inertní atmosféře se může provádět např. v dusíku při teplotě maximálně 120°C. Při výrobě tohoto filtru lze použít široký výběr kombinací pojivá nebo zpěňovadla.

V patentové přihlášce WO 98/16296 se popisuje příprava a vlastnosti filtru na polyurethanové bázi, určeného pro filtraci kapalin a plynů od písku. V patentové přihlášce EP 0663226 se popisuje kazetový filtr vhodný jednak pro sedimentaci těžkých makroskopických nečistot z motorového oleje nebo benzínu tím způsobem, že pro hrubé očištění se využívá účinku gravitace (sedimentace) s následnou filtrací přes aktivní polyurethanový filtr.

• Φ Φ ·· ·

Φ «

ΦΦ

-4Filtry pro filtraci vzduchu nasávaného do výbušných a vznětových motorů jsou popsány v řadě patentových přihlášek, kde se navrhuje technické řešení přívodu vzduchu k vlastnímu aktivnímu sorpčnímu materiálu na bázi polyurethanu originálním způsobem, pro dosažení oddělení hrubých nečistot sedimentací nebo mechanickou filtrací přes kovové filtry.

Patentová přihláška EP 0 803 275 popisuje přípravu filtru vhodného pro čištění vzduchu v budovách a všeobecně v klimatizaci, kde se vzduch žene vysokou rychlostí čistícím systémem filtru pro odstranění prachových částic a zápachu. Jako sorpční matrice se využívá třírozměrná síťovaná pěnová polyurethanová matrice s vnitřními póry, jejich počet je SOinch'¹. Připravená pěnová polyurethanová matrice je charakteristická pravidelnou dodekánhedronovou konfigurací. Vlastní polyurethanová matrice se ještě upravuje přídavkem baktericidních činidel. Jako plnivo je možné do matrice filtru použít aktivní uhlí, aktivní kaolin, aktivní hliník, silikagel, apod.

Další patentové přihlášky, WO 97/26980 a WO 98/42429, popisují filtry vzduchu do sacího potrubí motoru. Tyto patenty jsou si velmi podobné, liší se jenom použitým konstrukčním materiálem kolem aktivní polyurethanové filtrační matrice, nebo celých částí konstrukce z tvrzeného polyurethanu. Chemické složení směsi pro přípravu polyurethanové matrice není blíže specifikováno, detailně se popisuje jen konstrukce filtru.

Většina výše uvedených řešení umožňuje přípravu aktivních sorbentů na bázi polyurethanového systému, ale příprava těchto systémů podle nich je technologicky náročná, což se následně projevuje na konečné ceně produkce.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody většiny dosavadních řešení do značné míry odstraňuje postup přípravy aktivních filtrů na bázi polyurethanového systému, tvořeného polyurethanovou drtí, doplněnou o další absorpčně aktivní složky (např. oxidy) a pojivá (např. na bázi celulózy), zejména filtrů pro odstraňování cigaretového kouře, filtrů pro odstraňování mikroskopických nečistot systémů mazání motorů, filtrů pro odstraňování škodlivin z výlukových plynů motorů, filtrů pro odstraňování mikroskopických nečistot sacího traktu vzduchu motorů, filtrů pro filtraci dávkovačích systémů paliva motorů, případně dalších typů filtrů, podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že tuhá polyurethanová pěna běžné industriální produkce se ve vhodném drticím «« 9 • · ·

-5zařízení (např. kladívkový mlýn, čelisťový drtič, koloidní mlýn, kulový mlýn apod.) rozdrtí při teplotě - 60°C až -20°C na částice o střední velikosti od 1 pm do 100 pm, tyto částice polyurethanu se pak smísí buď s práškovou aluminou, SiO₂, MgO nebo Fe₂O₃ o velikosti Částic 1 až 20 pm, nebo se směsí všech uvedených oxidp, a dále se smísí s hydroxy-ethylcelulózou a/nebo karboxymethylcelulózou, a/nebo oxycelulózou o střední molární hmotnosti 5x10³ až 5xl0⁵ Da v hmotnostním poměru polyurethan: oxidy: derivát celulózy = 1: 0,1- 0,3 : 0,01- 0,2 s malým přídavkem vody tak, že vznikne těstovitá hmota, která se po homogenizaci ve šnekovém směšovači vytlačí ve formě fibril přes hubici o průměru otvorů 0,2 mm do bezvodého ethanolu za současného sekání tak, aby vznikly válcovité částice o délce 1 mm, přičemž tyto částice jsou následně odděleny od alkoholové fáze a podrobeny dostatečnému tepelnému zpracování pro odstranění zbytkové vody a ethanolu.

Polyurethanovou drť připravenou popsaným způsobem lze dále podrobit plazmochemickému opracování účinkem vysokofrekvenčního výboje o frekvenci 1 až 20 MHz a dopředném výkonu 100 až 400 W ve fluidním loži ve vzduchu za atmosferického tlaku po dobu setrvání v reaktivní zóně nejvýše 1 až 3 sekundy.

Polyuretanová drť připravená tímto způsobem se použije jako přísada do celulózové vlákniny, ve které se jako klížidlo použije vodorozpustný derivát celulózy, např. hydroxyethylcelulóza, hydroxypropylcelulóza, karboxymethylcelulóza, a/nebo oxycelulóza v hmotnostním poměru celulosová vláknina : polyurethan : vodorozpustný derivát celulózy = 1 : 0,1 - 0,3 : 0,05 - 0,1. Systém se pak standardním způsobem zpracuje podle požadavků na jednotlivé užití filtrů např. na archovacím stroji.

Postup podle vynálezu bude blíže vysvětlen na následujících příkladech.

Příklady provedeni vynálezu

Příklad 1

Tuhá polyuretanová pěna běžné industriální produkce se rozdrtí při teplotě -20°C v vhodném kladívkový mlýnu na částice o střední velikosti od 30 pm. Částice polyurethanu se pak smísí s práškovou aluminou, SiO₂, MgO a Fe₂O₃ o velikosti částic 1 až 20 pm a s hydroxyethylcelulózou o střední molární hmotnosti 5xl0³ až 5xl0⁵ Da v hmotnostním poměru

* ··	··
·· 9	•	• ·	··
• ·	•	• ·	•
• ·	> ·	• ·
• ·	•	• ·	•
9·· ·<		··

-6polyurethan : oxidy : derivát celulózy = 1 : 0,2 : 0,15 a s přídavkem vody, aby vznikla těstovitá hmota. Po homogenizaci ve šnekovém hnětiči se hmota vytlačí přes hubici s otvory o průměru 0,2 mm do prostředí bezvodého ethanolu ve formě fibril. Fibrily se za hubicí sekají, čímž vzniknou válcovité částice o délce cca 1 mm. Částice se oddělí od alkoholové fáze a podrobí dostatečnému tepelnému a plazmatickému zpracování při kterém se odstraní zbytková voda a ethanol, např. účinkem koronového nebo vysokofrekvenčního výboje. U vytvořeného sorbentu se testuje celková sorpční kapacita.

Příklad 2

Polyuretanová drť připravená způsobem podle příkladu 1 se podrobí plazmochemickému opracování účinkem vysokofrekvenčního výboje o frekvenci 13,56 MHz a dopředném výkonu 180 W ve vznosu, ve fluidním loži ve vzduchu při atmosferickém tlaku, tak aby doba setrvání v reaktivní zóně nepřesáhla 1 až 3 sekundy. Opracované polyurethanové částice se zachycují, např. v sériově zapojeném cyklonu a zpracují dále postupem podle příkladu 1.

Příklad 3

Polyuretanová drť připravená způsobem podle příkladu 1 se použije jako přísada do celulózové vlákniny ve které se jako pojivo použije hydroxyethylcelulóza, v hmotnostním poměru celulozová vláknina : polyurethan : vodorozpustný derivát celulózy = 1 : 0,2 : 0,1. Systém se dále zpracuje standardním způsobem na archovacím stroji nebo lisováním do tvaru vhodného pro uvažovanou aplikaci. Plošný netkaný vláknitý útvar se aktivuje účinkem koronového výboje při teplotě 150 až 220 °C.

Průmyslová využitelnost

Způsob přípravy sorbentu na bázi částicového polyurethanu pro sorpci toxických látek z plynných směsí, aerosolů, případně jiných disperzí, vhodný pro aplikace při ochraně zdraví, životního prostředí, případně při účelových separacích směsných soustav. Je použitelný zejména jako náplň pro cigaretové filtry nebo např. jako vrstevnaté lože pro průtočné reaktory, pro separaci toxických látek z plynných směsí nebo kapalných, zejména vodných, roztoků.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Postup přípravy aktivních filtrů na bázi polyurethanového systému, tvořeného polyurethanovou drtí, doplněnou o další absorpčně aktivní složky (např. oxidy) a pojivá (např. na bázi celulózy), zejména filtrů pro odstraňování cigaretového kouře, filtrů pro odstraňování mikroskopických nečistot systémů mazání motorů, filtrů pro odstraňování škodlivin z výfukových plynů motorů, filtrů pro odstraňování mikroskopických nečistot sacího traktu vzduchu motorů, filtrů pro filtraci dávkovačích systémů paliva motorů, případně dalších typů filtrů, vyznačený tím, že tuhá polyurethanová pěna běžné industriální produkce se ve vhodném drticím zařízení rozdrtí při teplotě

   - 60°C až -20°C na částice o střední velikosti od 1 μιη do 100 pm, tyto částice polyurethanu se pak smísí buď s práškovou aluminou, SiO₂, MgO nebo Fe₂O₃ o velikosti částic 1 až 20 pm, nebo se směsí všech uvedených oxidů, a dále s hydroxyethylcelulózou a/nebo karboxymethylcelulózou, a/nebo oxycelulózou o střední molární hmotnosti 5xl0³ až 5x10³ Da v hmotnostním poměru polyurethan : oxidy : derivát celulózy = 1: 0,1- 0,3 : 0,01- 0,2 s malým přídavkem vody tak, že vznikne těstovitá hmota, která se po homogenizaci ve šnekovém směšovači vytlačí ve formě fibril přes hubici o průměru otvorů 0,2 mm do bezvodého ethanolu za současného sekání tak, aby vznikly válcovité částice o délce 1 mm, přičemž tyto částice jsou následně odděleny od alkoholové fáze a podrobeny dostatečnému tepelnému zpracování pro odstranění zbytkové vody a ethanolu.
2. 2. Způsob podle nároku 1. vyznačený tím, že polyuretanová drť se před míšením aktivuje účinkem vysokofrekvenčního výboje o frekvenci 1 až 20 MHz a dopředném výkonu 100 až 400 W ve vznosu ve fluidním loži ve vzduchové atmosféře při celkovém tlaku 1 bar a době pobytu částic v aktivní zóně 1 až 3 sekundy.
3. 3. Způsob podle nároku 1. vyznačený tím, že směs polyurethanu, oxidů kovů a SÍO2 se použije jako zanáška do celulózové vlákniny a jako klížidlo se použije derivát celulózy, výhodně hydroxyethylcelulóza, karboxymethylcelulóza, nebo oxycelulóza a systém se následně zpracuje standardním papírenským postupem, tj. odvodněním a lisováním v archovacím stroji do tvaru vhodného pro následnou aplikaci a vytvořený plošný netkaný vláknitý útvar se aktivuje tepelně a/nebo plazmochemicky účinkem koronového výboje o výkonu 1 až 5 W cm'² podobu 2 až 20 sekund.