RO133323B1

RO133323B1 - Membrană electrofilată multistrat şi procedeu de obţinere a acesteia

Info

Publication number: RO133323B1
Application number: ROA201700905A
Authority: RO
Inventors: Cristina Antonela Banciu; Adela Băra; Elena Chiţanu; Virgil Emanuel Marinescu
Original assignee: Institutul Naţional De Cercetare Dezvoltare Pentru Inginerie Electrică Icpe - Ca
Priority date: 2017-11-07
Filing date: 2017-11-07
Publication date: 2022-09-30
Also published as: RO133323A2

Description

Orice persoană are dreptul să formuleze în scris și motivat, ia OSIM, o cerere de revocare a brevetului de invenție, în termen de 6 luni de la publicarea mențiunii hotărârii de acordare a acesteia

RO 133323 Β1

Invenția se referă la o membrană electrofilată multistrat, destinată proceselor de filtrare a apei, și la procedeul de obținere a acesteia.

Se cunoaște faptul că, electrofilarea este un proces de obținere a membranelor nețesute constituite din fibre cu diametre de dimensiuni nanometrice și submicronice. Aceste membrane au porozitate ridicată cu pori interconectați, au suprafața specifică mare și pori de mici dimensiuni [Homaeigohara S. Sh., Buhra, K., Ebertb K., Polyethersulfone electrospun nanofibrous composite membrane for liquid filtration, Journal of Membrane Science, 2010, voi. 365, pp. 68-77], aceste caracteristici făcându-le adecvate pentru utilizarea în procesele de filtrare [Wertz J., Schneiders, I., Filtration media: Advantagesof nanofibrecoating technology, Filtration &Separation, 2009, voi. 46, no. 4, pp. 18-20],

Sunt cunoscuți o serie de polimeri care se utilizează în procesul de electrofilare, precum: poliacrilonitril, polistiren, polimetil metacrilat, policlorură de vinii, poliamidă, polietilen tereftalat, alcool polivinilic, polieter imidă, polietilen glicol, acetat de celuloză, polietilenă, polipropilenă etc. [Huang Z.-M., Zhang, Y.-Z., Kotaki, M., Ramakrishna, S., A reviewon polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites, Compos. Sci. Technol., 2003, voi. 63, pp. 2223-2253; Bara A., Marinescu V., Chitanu E., Banciu C., Clicinschi F., Influence of process parameters on the morphology of polyacrylonitrile electrospun fibers, Industria Textila, 2015, voi. 66, nr. 4, pp. 232-239; Banciu C., Bara A., Chitanu E., Lungulescu M., Ion I., Leonat L, Filtering membranes basedon electrospun expanded polystyrene/(3-cyclodextrin fibers, Published in: Kf* International Symposium on Advanced Topics in Electrica! Engineering (A TEE), March 23-25,2017, Bucharest, Romania, IEEE, pp. 223-226, DOI: 10.1109/ATEE.2017.7905084; Chitanu E., Bara A., Patroi D., Marinescu V., Codescu M.M., Banciu C., PAN/ZnO composite electrospun fibers for UV shielding applications, Published in: 1(f^hInternational Symposium on Advanced Topics in Electrica! Engineering (A TEE), March 23-25,2017, Bucharest, Romania, IEEE, pp. 227-230, DOI: 10.1109/ATEE.2017.7905098],

Granulele de polistiren au fost studiate ca posibil element filtrant în tratarea apelor, în plus, o membrană superhidrofobă din nanofibre de polistiren a fost electrofilată, aceasta având o eficiență ridicată de separare a emulsiilor ulei-apă [Lee M. W., An S., et al., Electrospun Polystyrene Nanofiber Membrane with Superhydrophobicity and Superoleophilicity for Selective Separation of Water and Low Viscous Oii, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, voi. 5, no. 21, pp. 10597-10604],

Polistirenul expandat este utilizat de obicei pentru izolare și împachetare. Reciclarea deșeurilor de polistiren expandat într-o membrană electrofilată cu aplicații în filtrare poate fi utilă din punct de vedere economic [Shin C., Chase G.G., Reneker D.H., Recycled expanded polystyrene nanofibers applied in filter media, Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, 2005, voi. 262, pp. 211-215], dar și din punct de vedere al protejării mediului înconjurător.

Membranele de ultrafiltrare convenționale sunt bazate pe structuri compozite multistrat [Vaisniene A. D., Ktunskis J., Buika, G., Electrospun PVA nanofiber for gas filtration applications, Fiber8_lTextile in East. Euro., 2009, voi. 77, pp. 40-43; Yoon K., Kim K., Wang X., Fang D., Hsiao B. S., Chu B., High flux ultrafiltration membranes based on electrospun nanofibrous PANscaffoids andchitosan coating, Polymer, 2006, voi. 47, pp. 2434-2441], incluzând o membrană poroasă asimetrică pentru funcția de filtrare și un suport nețesut (diametrul fibrelor submicronic) pentru a oferi integritate structurală și rezistență mecanică. A fost propus și un concept de fabricare a membranelor de ultrafiltrare

RO 133323 Β1 cu flux ridicat, care implică folosirea membranei de nanofibre electrofilată pentru a înlocui 1 membrana poroasă asimetrică [Yoon K., Kim K., Wang X., Fang D., Hsiao B. S., Chu B., High flux ultrafUtratlon membranes based on electrospun nanoflbrous PAN scaffolds 3 and chltosan coatlng, Polymer, 2006, voi. 47, pp. 2434-2441], Sistemul constă dintr-o structură compozită cu trei niveluri: stratului superior neporos hidrofil dintr-o acoperire de 5 chitosan, o membrană electrofilată de nanofibre PAN ca strat intermediar și o microfibră nețesută convențională de poliester ca substrat de suport. 7

Brevetul US 9220998 B2 prezintă un mediu filtrant pentru filtrarea lichidelor utilizând o membrană nanofibroasă electrofilată multistrat obținută prin electrofilare cu aer. Polimerii 9 utilizați în invenție sunt următorii: poliesteri aromatici, polifosfazene, poliuretani, acetat de celuloză, conținutul polimerului în soluția de electrofilat fiind între 5 și 22,5% masic. 11

Documentul US 2010/0307119 A1 prezintă o metodă de obținere a unui filtru de nanofibre multistrat prin depunerea de nanofibre pe o față sau pe ambele fețe ale unui 13 substrat, urmată de un al doilea pas de împachetare sub forma unei serpentine a mediului filtrant compozit. Nanofibrele sunt obținute prin electrofilare dintr-o soluție polimerică sau din 15 topituri ale diverșilor polimeri precum: poliolefine, poliacetali, poliamide, poliesteri, eteri și esteri de celuloză, polialchilensulfide, poliarilenoxizi, polisulfone, nailon, polistiren, 17 poliacrilonitril, policarbonat și amestecuri ale acestora.

Cererea de brevet internațională WO 2013158028 A1 prezintă un mediu de filtrare 19 multistrat pentru detoxifierea contaminanților chimici și dezinfecția contaminaților biologici. Mediul filtrant include două straturi dezinfectante de nanofibre și unul de detoxifiere dispus 21 între cele două straturi dezinfectante. Mediul de filtrare este încărcat cu un conținut ridicat de material detoxifiant care poate asigura o eficiență de detoxifiere de aproximativ 95%. 23

Mediul filtrant poate include și substanțe medicinale pentru aplicații medicale și un senzor pentru indicarea timpului de viață al mediului filtrant. 25

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în realizarea unei membrane electrofilate multistrat cu umectabilitate crescută și suprafață specifică mare. 27

Membrana electrofilată multistrat, pe bază de poliacrilonitril și polistiren destinată proceselor de filtrare a apei conform invenției, este alcătuită dintr-un substrat de tifon pe care 29 este depus un strat de fibre electrofilate obținute din deșeuri de polistiren expandat și un strat superior din fibre electrofilate din poliacrilonitril, membrană care se prezintă ca un nețesut, 31 produsul final având, în funcție de parametrii de procesare, aria suprafeței specifice BET de 20...50 m²/g, dimensiunea porilor de 3...9 pm, permeabilitatea la apă de 2100...2700 33

L/m²-h-bar, rezistența mecanică la rupere prin tracțiune de 1...5MPa, modulul de elasticitate de 0,04...0,18 GPa, un unghi de contact cu apa al stratului superior de 15...35°, diametrul 35 fibrelor din stratul de polistiren expandat electrofilat de 400...900 nm și diametrul fibrelor din stratul de poliacilonitril electrofilat de 200...600 nm. 37

Procedeul de obținere a membranei electrofilate multistrat, conform invenției, constă în faptul că, pe un substrat textil de tifon cu rol de suport mecanic se depune, în prima etapă, 39 un strat de fibre electrofilate care se obține prin dizolvarea polistirenului expandat în dimetilforamidă în proporție de 15...20% în greutate prin agitare magnetică timp de 30 41 minute, la o temperatură de 25°C și o turație de 420 rot/min până la dizolvare, soluția obținută se electrofilează imediat într-o instalație de electrofilare în următoarele condiții: tempe- 43 ratura în interiorul incintei de lucru de 35°C, tensiunea aplicată de 18 kV, debitul de livrare al soluției de 1,5...2 ml/h, distanța față de placa colectoare de 20 cm, timpul de depunere a 45 fibrelor electrofilate de 240 min, apoi, în a doua etapă, peste primul strat se depune un alt strat de fibre electrofilate, care se obține prin dizolvarea poliacrilonitrilului în dimetilforamidă 47 în proporție de 15...20% în greutate, prin agitare magnetică timp de 40 min, la o temperatură

RO 133323 Β1 de 5O...55°C și o turație de 420 rot/min, soluția obținută se electrofilează imediat într-o instalație de electrofilare în următoarele condiții: temperatura în interiorul incintei de lucru de 35°C, tensiunea aplicată de 18 kV, debitul de livrare al soluției de 1,5...2 ml/h, distanța față de placa colectoare de 20 cm, timpul de depunere a fibrelor electrofilate de 120 min, membrana astfel obținută se usucă la o temperatură de 25°C, sub ventilație, timp de 4...6 h.

Invenția prezintă următoarele avantaje:

- membrana electrofilată este flexibilă și poate fi obținută în diverse forme și dimensiuni;

- membrana electrofilată are porozitate deschisă și o suprafață specifică mare;

- stratul membranei alcătuit din fibre polistiren expandat este obținut prin reciclarea unui deșeu, acest lucru având un impact pozitiv din punct de vedere economic și al protejării mediului;

- stratul superior din fibre de poliacrilonitril asigură o creștere a umectabilității membranei;

- substratul textil din tifon utilizat este ieftin, ușor de procurat și asigură rezistența mecanică a membranei.

în continuare se prezintă un exemplu de procedeu de obținere a unei membrane electrofilate multistrat, conform invenției, alcătuită dintr-un substrat de tifon pe care este depus un strat de fibre electrofilate obținute din deșeuri de polistiren expandat provenit din construcții și un strat superior din fibre electrofilate din poliacrilonitril, membrană care se prezintă ca un nețesut, exemplu care are legătură și cu fig. 1 și fig. 2 care reprezintă:

- fig. 1, imaginea SEM a stratului superior al membranei multistrat alcătuit din fibre de poliacrilonitril electrofilate;

- fig. 2 - imaginea SEM a membranei electrofilate multistrat.

Pentru obținerea membranei electrofilate multistrat, conform invenției, se utilizează următoarele materii prime: polistiren expandat rezultat ca deșeu din construcții fără a fi purificatînainte de utilizare, fibre de poliacrilonitril (densitate liniară nominală 1,32 dtex, 6000 de filamente) și dimetilformamidă (densitate 0,94 g/cm³, puritate > 99,8%).

Procedeul de obținere a unei membrane electrofilate multistrat cuprinde următoarele etape: prepararea soluțiilor polimerice din polistiren expandat și poliacrilonitril în dimetilformamidă, electrofilarea soluției polimerice din polistiren expandat, electrofilarea soluției polimerice din poliacrilonitril și uscarea membranei electrofilate obținute.

Polistirenul expandat este mărunțit, după care este dizolvat în dimetilforamidă în proporție de 15...20% în greutate prin agitare magnetică timp de 30 min la temperatura camerei de ~ 25°C și o turație de 420 rot/min. Se obține o soluție vâscoasă transparentă. Imediat după omogenizarea soluției, aceasta este introdusă într-o seringă pentru a fi utilizată în procesul de electrofilare.

Electrofilarea soluției obținute prin dizolvarea polistirenului expandat în dimetilformamidă se face într-o instalație de electrofilare în următoarele condiții: temperatura în interiorul incintei de lucru de ~ 35°C, tensiunea aplicată de 18 kV, debitul de livrare al soluției de 1,5...2 ml/h, distanța față de placa colectoare de 20 cm, timpul de depunere a fibrelor electrofilate de 240 min. Fibrele de polistiren se depun pe un substrat textil de tifon cu rol de suport mecanic pentru membrana obținută.

Fibrele de poliacrilonitril sunt mărunțite, după care sunt dizolvate în dimetilforamidă în proporție de 15...20% în greutate prin agitare magnetică timp de 40 min la temperatura de 5O...55°C și o turație de 420 rot/min. Se obține o soluție vâscoasă transparentă. Imediat după omogenizarea soluției, aceasta este introdusă într-o seringă pentru a fi utilizată în procesul de electrofilare.

RO 133323 Β1

Electrofilarea soluției obținute prin dizolvarea fibrelor de poliacrilonitril în dimetilfor- 1 mamidă se face într-o instalație de electrofilare în următoarele condiții: temperatura în interiorul incintei de lucru de ~ 35°C, tensiunea aplicată de 18 kV, debitul de livrare al soluției de 3 1,5...2 ml/h, distanța față de placa colectoare de 20 cm, timpul de depunere a fibrelor electrofilate de 120 min. Fibrele de poliacrilonitril se depun peste stratul de fibre de polistiren 5 depuse anterior.

Uscarea membranei electrofilate multistrat, conform invenției, se face în interiorul 7 instalației de electrofilare la temperatura camerei de ~ 25°C, sub ventilație, timp de 4...6 h.

După uscare se obține o membrană electrofilată multistrat cu aria suprafeței specifice 9 BET de 20...50 m²/g, dimensiunea porilor de 3...9 pm, permeabilitatea la apă de 2100...2700 L/m²-h-bar, rezistența mecanică la rupere prin tracțiune de 1 ...5 MPa, modulul de elasticitate 11 de 0,04...0,18 GPa, un unghi de contact cu apa al stratului superior de 15...35°, diametrul fibrelor din stratul de polistiren expandat electrofilat de 400...900 nm și diametrul fibrelor din 13 stratul de poliacilonitril electrofilat de 200...600 nm.

Claims

Revendicări

1. Membrană electrofilată multistrat, pe bază de poliacrilonitril și polistiren destinată proceselor de filtrare a apei, caracterizată prin aceea că, este alcătuită dintr-un substrat de tifon pe care este depus un strat de fibre electrofilate obținute din deșeuri de polistiren expandat și un strat superior din fibre electrofilate din poliacrilonitril, membrană care se prezintă ca un nețesut, produsul final având, în funcție de parametrii de procesare, aria suprafeței specifice BET de 20...50 m²/g, dimensiunea porilor de 3...9 pm, permeabilitatea la apă de 2100...2700 L/m²-h-bar, rezistența mecanică la rupere prin tracțiune de 1...5 MPa, modulul de elasticitate de 0,04...0,18 GPa, un unghi de contact cu apa al stratului superior de 15...35°, diametrul fibrelor din stratul de polistiren expandat electrofilat de 400...900 nm și diametrul fibrelor din stratul de poliacilonitril electrofilat de 200...600 nm.
2. Procedeu de obținere a membranei electrofilate multistrat, definită în revendicarea 1, caracterizat prin aceea că, pe un substrat textil de tifon cu rol de suport mecanic se depune, în prima etapă, un strat de fibre electrofilate care se obține prin dizolvarea polistirenului expandat în dimetilforamidă în proporție de 15...20% în greutate prin agitare magnetică timp de 30 min, la o temperatură de 25°C și o turație de 420 rot/min până la dizolvare, soluția obținută se electrofilează imediat într-o instalație de electrofilare în următoarele condiții: temperatura în interiorul incintei de lucru de 35°C, tensiunea aplicată de 18 kV, debitul de livrare al soluției de 1,5...2 ml/h, distanța față de placa colectoare de 20 cm, timpul de depunere a fibrelor electrofilate de 240 min, apoi, în a doua etapă, peste primul strat se depune un alt strat de fibre electrofilate, care se obține prin dizolvarea poliacrilonitrilului în dimetilforamidă în proporție de 15...20% în greutate, prin agitare magnetică timp de 40 min, la o temperatură de 5O...55°C și o turație de 420 rot/min, soluția obținută se electrofilează imediat într-o instalație de electrofilare în următoarele condiții: temperatura în interiorul incintei de lucru de 35°C, tensiunea aplicată de 18 kV, debitul de livrare al soluției de 1,5...2 ml/h, distanța față de placa colectoare de 20 cm, timpul de depunere a fibrelor electrofilate de 120 min, membrana astfel obținută se usucă la o temperatură de 25°C, sub ventilație, timp de 4...6 h.