UA116946U

UA116946U - METHOD OF OBTAINING THIN FIBER FILTERING MATERIAL

Info

Publication number: UA116946U
Application number: UAU201613180U
Authority: UA
Inventors: Наталія Михайлівна Резанова; Богдан Михайлович Савченко; Юрій Олександрович Будаш; Вікторія Петрівна Плаван; Надія Володимирівна Сова; Руслан Шоімардонович Іскандаров
Original assignee: Київський Національний Університет Технологій Та Дизайну
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2016-12-23
Publication date: 2017-06-12

Abstract

Спосіб отримання тонковолокнистого фільтрувального матеріалу, що включає змішування волокноутворюючого і матричного полімерів, формування композиційної плівки та екстракцію матричного полімеру. Після змішування полімерів формують композиційну стренгу на одношнековому екструдері, а формування композиційної плівки здійснюють методом адитивного нанесення розплаву суміші полімерів на 3D принтері із композиційної стренги з утворенням багатошарової композиційної плівки, в якій шари стренг розташовані перпендикулярно один до одного.A method of obtaining a thin-fiber filter material, comprising mixing a fiber-forming and matrix polymers, forming a composite film and extracting a matrix polymer. After mixing the polymers, a composite strand is formed on a single-screw extruder, and the composite film is formed by the method of additively melting the polymer mixture on a 3D printer with composite strand to form a multilayer composite film in which the strands are arranged perpendicular to each other.

Description

Корисна модель належить до розробки технології формування тонковолокнистих прецизійних фільтрувальних матеріалів (ФМ) на основі ультратонких синтетичних волокон (мікроволокон) шляхом переробки розплавів сумішей полімерів. Фільтри на їх основі застосовуватимуться для прецизійної очистки питної води на виробництві і у побуті та технологічних середовищ, в тому числі і агресивних, від механічних домішок.The useful model belongs to the development of technology for the formation of fine-fiber precision filter materials (FM) based on ultrafine synthetic fibers (microfibers) by processing melts of polymer mixtures. Filters based on them will be used for precise purification of drinking water in production and in everyday life and technological environments, including aggressive ones, from mechanical impurities.

Відомий спосіб отримання тонковолокнистого фільтрувального матеріалу (патент ОБА Мо 6,858,057, Рійег тедіа, МПК ВО10 39/16, 2005), який полягає у формуванні волокон методом роздуву розплаву полімеру з утворенням фільтрувальних шарів. При цьому формують шари з волокон різних діаметрів: перший шар утворений волокнами діаметром (10-30) мкм, а другий - волокнами діаметром « 5,0 мкм. Ефективність фільтрації таким ФМ, визначена за частинками монодисперсного латексу стиролу з діаметром 0,78 мкм, становить (97-99) 9о. Фільтрувальний матеріал складається з одного або більшої кількості шарів тонких волокон (бажано із трьох).There is a well-known method of obtaining thin-fiber filter material (OBA patent Mo 6,858,057, Riyeg tedia, IPC VO10 39/16, 2005), which consists in forming fibers by blowing a polymer melt to form filter layers. At the same time, layers of fibers of different diameters are formed: the first layer is formed by fibers with a diameter of (10-30) μm, and the second - by fibers with a diameter of 5.0 μm. The filtration efficiency of such FM, determined by particles of monodisperse styrene latex with a diameter of 0.78 μm, is (97-99) 9o. The filter material consists of one or more layers of fine fibers (preferably three).

Кожний такий шар відокремлюється від іншого більш грубим матеріалом. Фільтри застосовуються для очистки повітря, а також рідких середовищ (відпрацьоване масло, гідравлічні рідини тощо). При цьому у фільтрувальних матеріалах, одержаних цим методом, волокна у фільтрувальному шарі розташовуються хаотично, і тому ФМ має неоднорідні структуру і щільність. Це може призвести до утворення у фільтрувальному шарі окремих пор більших діаметрів, що зумовить погіршення ефективності фільтрації.Each such layer is separated from the other by coarser material. Filters are used to clean air, as well as liquid media (waste oil, hydraulic fluids, etc.). At the same time, in the filter materials obtained by this method, the fibers in the filter layer are arranged chaotically, and therefore the FM has a non-uniform structure and density. This can lead to the formation of individual pores of larger diameters in the filter layer, which will lead to a deterioration of the filtration efficiency.

Відомий також спосіб отримання тонковолокнистого фільтрувального матеріалу (ГлубішA method of obtaining fine-fiber filter material is also known (Hlubish

П.А., Ірклей В.М., Клейнер Ю.Я., Резанова Н.М., Цебренко М.В., Кернер СМ., Омельченко В.Д.,P.A., Irklay V.M., Kleiner Y.Ya., Rezanova N.M., Tsebrenko M.V., Kerner S.M., Omelchenko V.D.,

Турчаненко Ю.Т. Високотехнологічні, конкурентоспроможні і екологічно орієнтовані волокнисті матеріали та вироби з них - К.: Арістей, 2007. - 263 с), який включає змішування волокноутворюючого і матричного полімерів, формування композиційної плівки та екстракцію матричного полімеру розчинником, інертним по відношенню до волокноутворюючого полімеру.Turchanenko Yu.T. High-tech, competitive and ecologically oriented fibrous materials and products from them - K.: Aristei, 2007. - 263 p.), which includes mixing fiber-forming and matrix polymers, forming a composite film and extracting the matrix polymer with a solvent inert to the fiber-forming polymer.

При цьому формування композиційної плівки здійснюють на черв'ячному екструдері через плоскощілинну головку, а фільтрувальний матеріал складається із одного шару. Як волокноутворюючий і матричний компоненти використовують термопластичні полімери у співвідношенні (20-35) і (65-80) мас. 95 відповідно. В результаті отримують ФМ із мікроволокон з діаметрами від десятих часток до декількох мікрометрів, які розташовані в шарі не за закономAt the same time, the formation of the composite film is carried out on a worm extruder through a slotted head, and the filter material consists of one layer. Thermoplastic polymers are used as fiber-forming and matrix components in the ratio (20-35) and (65-80) by mass. 95 respectively. As a result, FM is obtained from microfibers with diameters from tenths to several micrometers, which are located in an irregular layer

Зо випадку, а чітко орієнтовані в напрямку екструзії, що забезпечує їм однорідні структуру і щільність. Одержані фільтрувальні матеріали мають високу ефективність очистки, завдяки однорідній структурі та незвичайній будові поверхні волокон: кожне мікроволокно по всій довжині покрите нанофібрилами. Це забезпечує їх зчеплення у фільтрувальному шарі. Проте, його міцність у поперечному напрямку значно менша, ніж у поздовжньому. Тому при експлуатації фільтрувального матеріалу його розміщують між двома шарами нетканих матеріалів. Це підвищує матеріалоємність їх виробництва.By chance, they are clearly oriented in the direction of extrusion, which provides them with a uniform structure and density. The obtained filter materials have a high cleaning efficiency, thanks to the uniform structure and the unusual surface structure of the fibers: each microfiber is covered with nanofibrils along its entire length. This ensures their adhesion in the filter layer. However, its strength in the transverse direction is much lower than in the longitudinal direction. Therefore, when using the filter material, it is placed between two layers of non-woven materials. This increases the material intensity of their production.

В основу корисної моделі поставлена задача створити такий спосіб отримання тонковолокнистого фільтрувального матеріалу, в якому введенням нової операції та вибором нового обладнання забезпечувались би підвищення ефективності ФМ та його міцності в обох напрямках, завдяки чому зростали 6 термін експлуатації фільтрів, якість очистки рідких і газових середовищ та розширився б асортимент тонковолокнистих прецизійних фільтрувальних матеріалів.The basis of a useful model is the task of creating such a method of obtaining fine-fiber filter material, in which the introduction of a new operation and the selection of new equipment would ensure an increase in the efficiency of the FM and its strength in both directions, thanks to which the service life of filters, the quality of cleaning liquid and gaseous media, and the assortment of thin-fiber precision filter materials would expand.

Поставлена задача вирішена тим, що в способі отримання тонковолокнистого фільтрувального матеріалу, що включає змішування волокноутворюючого і матричного полімерів, формування композиційної плівки та екстракцію матричного полімеру, згідно з корисною моделлю, після змішування полімерів формують композиційну стренгу на одношнековому екструдері а формування композиційної плівки здійснюють методом адитивного нанесення розплаву суміші полімерів на ЗО принтері із композиційної стренги з утворенням багатошарової композиційної плівки, в якій шари стренг розташовані перпендикулярно один до одного.The problem is solved by the fact that in the method of obtaining thin-fiber filter material, which includes mixing fiber-forming and matrix polymers, forming a composite film and extracting the matrix polymer, according to a useful model, after mixing the polymers, a composite strand is formed on a single-screw extruder, and the formation of the composite film is carried out by the additive method applying a melt of a mixture of polymers on a 3D printer from a composite strand with the formation of a multilayer composite film in which the layers of the strands are located perpendicular to each other.

Доцільно, щоб кількість шарів композиційних стренг складала 2-4.It is advisable that the number of layers of composite strands is 2-4.

Формування композиційної плівки методом адитивного нанесення розплаву суміші полімерів з використанням ЗО принтера дозволяє підвищити однорідність структури та міцність фільтрувального матеріалу у всіх напрямках, завдяки чому зростають прецизійність ФМ, ефективність фільтрації і термін експлуатації та розширюється асортимент тонковолокнистих фільтрувальних матеріалів.The formation of a composite film by the method of additive application of a melt of a mixture of polymers using a ZO printer allows to increase the uniformity of the structure and strength of the filter material in all directions, thanks to which the precision of the FM, the efficiency of filtration and the service life increase, and the range of fine-fiber filter materials is expanded.

Суть запропонованої корисної моделі полягає в тому, що спочатку формують композиційну стренгу із суміші волокноутворюючого і матричного полімерів на одношнековому екструдері з використанням фільтраційної системи з пакетом сіток з розміром комірок (30-50) мкм за тиску 60 (60-80)-105 Па, що забезпечує необхідний ступінь деформування крапель полімеру дисперсної фази та злиття їх у рідкі струмені (мікроволокна). Потім методом адитивного нанесення розплаву суміші полімерів на ЗО принтері формують композиційну плівку із композиційної стренги, вкладаючи її паралельно. При цьому плівка утворюється із двох і більше шарів, в яких стренги розташовані перпендикулярно одна до одної. Після екстракції матричного полімеру із композиційної плівки орієнтація мікроволокон зберігається, що забезпечує формування фільтрувального шару із мікороволокон, чітко орієнтованих в кожному шарі та розташованих перпендикулярно одних до інших. В порівнянні з найближчим аналогом, фільтрувальний матеріал, одержаний за даним способом, має вищі прецизійність та ефективність очищення рідких та газових середовищ, а також більший термін експлуатації, завдяки покращенню однорідності структури та збільшенню міцності фільтрувального шару.The essence of the proposed useful model is that a composite strand is first formed from a mixture of fiber-forming and matrix polymers on a single-screw extruder using a filtration system with a mesh pack with a mesh size of (30-50) μm under a pressure of 60 (60-80)-105 Pa, which ensures the necessary degree of deformation of the polymer droplets of the dispersed phase and their merging into liquid jets (microfibers). Then, by the method of additive application of the melt of the polymer mixture on the ZO printer, a composite film is formed from the composite strand, placing it in parallel. At the same time, the film is formed from two or more layers, in which the strands are located perpendicular to each other. After the extraction of the matrix polymer from the composite film, the orientation of the microfibers is preserved, which ensures the formation of a filter layer of microfibers clearly oriented in each layer and located perpendicular to each other. Compared to the closest analogue, the filter material obtained by this method has higher precision and efficiency of cleaning liquid and gaseous media, as well as a longer service life, thanks to the improvement of the homogeneity of the structure and the increase of the strength of the filter layer.

Фільтрувальний матеріал одержують із суміші волокноутворюючого і матричного полімерів, а компоненти беруть у такому співвідношенні, мас. Фо: волокноутворюючий полімер 20,0-35,0; матричний полімер 65,0-80,0.The filter material is obtained from a mixture of fiber-forming and matrix polymers, and the components are taken in this ratio, wt. Fo: fiber-forming polymer 20.0-35.0; matrix polymer 65.0-80.0.

Фільтрувальний матеріал із одного шару має міцність і ефективність фільтрації на рівні найближчого аналога. Коли кількість шарів є більшою ніж 4, то міцність і ефективність очищення покращуються, але незначною мірою. При цьому зростає опір ФМ, що зумовлює зменшення продуктивності фільтрів, а також збільшується матеріалоємність виробництва.The filter material from one layer has the strength and efficiency of filtration at the level of the closest analogue. When the number of layers is more than 4, the strength and cleaning efficiency are improved, but to a small extent. At the same time, the resistance of the FM increases, which leads to a decrease in the productivity of the filters, as well as an increase in the material consumption of production.

З літератури невідомо одержання тонковолокнистого фільтрувального матеріалу із суміші волокноутворюючого і матричного полімерів шляхом формування композиційної плівки із композиційної стренги методом адитивного нанесення розплаву суміші на ЗО принтері та подальшої екстракції матричного полімеру.From the literature, it is not known how to obtain a thin-fiber filter material from a mixture of fiber-forming and matrix polymers by forming a composite film from a composite strand by the method of additively applying the melt of the mixture on a ZO printer and subsequent extraction of the matrix polymer.

Таким чином, за способом, що пропонується, отримують тонковолокнисті фільтрувальні матеріали, які є більш прецизійними, мають кращу ефективність очищення та одноріднішу міцність, порівняно зі способом найближчого аналога.Thus, according to the proposed method, thin-fiber filter materials are obtained that are more precise, have better cleaning efficiency and more uniform strength, compared to the method of the closest analogue.

Корисна модель пояснюється таким прикладом.A useful model is explained by the following example.

Приклад.Example.

Для отримання тонковолокнистого фільтрувального матеріалу як волокноутворюючий компонент вибрали поліпропілен (ПП) марки ТАТАЕМ На 1007 з показником текучості розплаву 10 г/10 хв., а як матричний співполіамід (СПА) марки 6/66 з температурою плавлення 170 "С та вмістом низькомолекулярних сполук 3,5 мас. 95. Співполіамід попередньо сушили під вакуумомTo obtain fine-fiber filter material, polypropylene (PP) brand TATAEM Na 1007 with a melt flow rate of 10 g/10 min was chosen as a fiber-forming component, and co-polyamide (SPA) brand 6/66 with a melting point of 170 "С and a content of low molecular weight compounds of 3 .5 wt 95. Co-polyamide was pre-dried under vacuum

Зо за температури (85:25) "С до вмісту вологи і летких сполук 0,05 мас. 95. Композиційну стренгу діаметром 1,75 мм формували на одношнековому екструдері з використанням фільтраційної системи із сіток марки П72-П120 з розміром комірок 30 мкм за тиску 70-105 Па. Із одержаної стренги методом адитивного нанесення розплаву суміші полімерів на ЗО принтері формували багатошарові композиційні плівки, в яких шари розташовані перпендикулярно один до одного.From at a temperature (85:25) "C to a moisture content and volatile compounds of 0.05 wt. 95. A composite strand with a diameter of 1.75 mm was formed on a single-screw extruder using a filtration system made of P72-P120 meshes with a cell size of 30 microns per pressure of 70-105 Pa. Multilayer composite films were formed from the obtained strand by the method of additive application of a melt of a mixture of polymers on a 3D printer, in which the layers are located perpendicular to each other.

Екстракцію СПА проводили спирто-водним розчином за температури (70:25) "С. Після екстракції матричного полімеру одержали фільтрувальний матеріал, який складається із ПП мікроволокон.SPA extraction was carried out with an alcohol-water solution at a temperature (70:25) "C. After the extraction of the matrix polymer, a filter material consisting of PP microfibers was obtained.

Це свідчить про те, що запропонований спосіб формування композиційної плівки із суміші волокноутворюючого і матричного полімерів дозволяє реалізувати волокноутворення поліпропілену в матриці співполіаміду. Затримуючу здатність ФМ оцінювали за допомогою лічильника аерозольних частинок АЗ-5 в діапазоні їх діаметрів (0,3-1,0) мікрометрів.This indicates that the proposed method of forming a composite film from a mixture of fiber-forming and matrix polymers allows the realization of fiber formation of polypropylene in a co-polyamide matrix. The retention capacity of FM was assessed using an AZ-5 aerosol particle counter in the range of their diameters (0.3-1.0) micrometers.

Ефективність фільтрації визначали, як відношення кількості затриманих частинок відповідного діаметра до їх кількості у повітрі. Вплив кількості шарів у композиційній плівці на ефективність фільтрації атмосферного повітря від механічних домішок наведено в таблиці.The efficiency of filtration was determined as the ratio of the number of retained particles of the corresponding diameter to their number in the air. The effect of the number of layers in the composite film on the efficiency of filtering atmospheric air from mechanical impurities is shown in the table.

ТаблицяTable

Ефективність фільтрації атмосферного повітря від механічних домішокEfficiency of air filtration from mechanical impurities

Ефективність фільтрації (95) за частинками розміром, мкм шарів | 03 | 04 | 05 | 06 | 07 | 08 | 09 | 70 2 | 850 | 885 | 908 | 938 | 954 | 969 | 991 | 999 4 1 956 | 968 | 979 | 999 | 100 | 700 | 100 | т00Filtration efficiency (95) according to particle size, micron layers | 03 | 04 | 05 | 06 | 07 | 08 | 09 | 70 2 | 850 | 885 | 908 | 938 | 954 | 969 | 991 | 999 4 1 956 | 968 | 979 | 999 | 100 | 700 | 100 | t00

І аналог | 786 | 835 | 859 | 886 | 893 | 919 | 983 | 999And analog | 786 | 835 | 859 | 886 | 893 | 919 | 983 | 999

Аналіз одержаних результатів свідчить, що фільтрувальні матеріали ефективно затримують механічні частинки в усьому дослідженому діапазоні діаметрів.The analysis of the obtained results shows that the filter materials effectively retain mechanical particles in the entire investigated range of diameters.

Фільтрувальний матеріал, який складається із одного шару поліпропіленових мікроволокон, має затримуючу здатність на рівні найближчого аналогу.The filter material, which consists of one layer of polypropylene microfibers, has a retention capacity at the level of the closest analogue.

Зі збільшенням кількості шарів прецизійність і ефективність фільтрувальних матеріалів зростають.As the number of layers increases, the precision and efficiency of the filter materials increase.

Проте, коли кількість шарів стає більшою чотирьох,However, when the number of layers becomes more than four,

значно зростає опір ФМ та зменшується їх продуктивність.the FM resistance increases significantly and their performance decreases.

Фільтрувальний матеріал, який складається із чотирьох шарів, характеризується високими затримуючою здатністю та продуктивністю.The filter material, which consists of four layers, is characterized by high retention capacity and productivity.

Claims

USEFUL MODEL FORMULA

1. The method of obtaining thin-fiber filter material, which includes mixing of fiber-forming and matrix polymers, formation of a composite film and extraction of the matrix polymer, which is characterized by the fact that after mixing the polymers, a composite strand is formed on a single-screw extruder, and the formation of a composite film is carried out by the method of additive application of a melt of a mixture of polymers on ZO printers from a composite strand with the formation of a multi-layer composite film, in which the layers of the strands are located perpendicular to each other.

2. The method according to claim 1, which differs in that the number of layers of composite strands is 2-4.