автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Фильтровальные материалы на основе минеральных волокон для сверхтонкой очистки газовоздушных сред

санкт-петербургская лксотехпимвская академия - •* '

~ ! Па правах рукописи

' ; V . ;

2 2 ШОП г-

ДУБОВЫЙ ВЛАДИМИР КЛНМКНТЬЕВИЧ

ФИЛЬТРОВАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОС!Ю1!1 МИНЕРАЛЬНЫХ ВОЛОКОН ДЛЯ СВЕРХТОНКОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВОЗДУШНЫХ СРЕД

05.21.03. Технология и обетование химическом переработки дрс.тепшм;

ХИМИЯ ДрСИССППЫ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических маук

Санкт-Петербург - 1998

Работа выполнена на кафедре целлюлозно-бумажного производства Санкт-

петербургской лесотехнической академии.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Чижов Г.И

Официальные оппоненты-доктор технических наук К.-шпрский АН.

кандидат технических наук, доцент Хованский В.В.

Ведущее предприятие- АО Всероссийский научно-исследовательский

институт целлюлозно-бумажной промышленности.

Защита состоится «_» _июня__1998г. п__часов на

заседании диссертационного состава К 064.60.01 в Архангельском государственном

техническом университете по адресу:

163007, г. Архангельск, наб. Северной Двины, д. 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан «____»_мая___1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат химических наук, доцент

Скребен Т.Э.

Общая характеристика диссертационной работы.

Актуальность темы.

' Успешная реализация проводимых в настоящее время экономических реформ и включение России в мировое рыночное хозяйство невозможны без резкого ускорения научно-технического прогресса в том числе и в целлюлозно-бумажной промышленности. Во многих отраслях' народного хозяйства - электронной, радиотехнической, атомной, медико-биологической и других - существуют высоко технологии, которые предъявляют особые требования к чистоте воздуха, используемого в качестве технологической сред и воздуха рабочих помещений, а в ряде случаев и отработанного воздуха, выбрасываемого в атмосферу. В частности, при изготовлении электронной и радиотехнической аппаратуры воздух рабочих помещений - «чистых комнат» - практически не должен содержать частицы размером 0,1-0,3 мкм. Лишь при такой чистоте помещения возможно получение высококачественной аппаратуры. Достичь 'требуемой степени чистоты воздуха возможно путем его фильтрации через волокнистые фильтрматериалы.

В настоящее время фильтровальные материалы для очистки воздуха изготавливаются на основе целлюлозы и асбеста, иногда с добавками других минеральных волокон.' Эти материалы обеспечивают очистку воздуха с эффективностью не более 99,999 %. Они горючи и пылят, что вызывает вторичное загрязнение фильтруемой среды. Несоответствие качества выпускаемых фильтровальных материалов для тонкой очистки газовоздушных средств требованиям сегодняшнего дня приводит к росту непроизводительных издержек в электронной и радиотехнической промышленности, повышает себестоимость выпускаемой продукции , снижает ее техническим уровень.

В связи с этим весьма актуальной является не только разработка технологии конкретного высокоэффективного материала для тонкой очистки газовоздушных сред, но и выяснение закономерностей формирования показателей качества в таких материалах.

Цель и задачи исследования.

Цель настоящей работы заключается в разработке и обосновании технологии высокоэффективного фильтровального материала на основе минеральных волокон для тонкой очисткй газовоздушных сред с исключительным или преимущественным использованием неорганических связующих.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

• Изучить влияние композиции и способа формования на свойства фильтровального материала из минеральных волокон.

• Исследовать влияние неорганических связующих, главным образом, соединений алюминия, на эксплуатационные параметры фильтровальных материалов на основе минеральных волокон.

А

• Проверить целесообразность использования комбинированной упрочняющей добавки - «волокна ПВС + соединения алюминия» в композиции фильтровальных материалов на основе минеральных волокон.

• Исследовать и дать математическое описание влияния параметров процесса на показатели качества фильтровального материала.

• Изучить взаимосвязь параметров структуры и фильтрующих характеристик бумагоподобных материалов на основе минеральных волокон.

Научная новнзна.

Впервые исследованы двух- и трех компонентные фильтрматериалы из стеклянных, базальтовых и каолиновых волокон и установлена количественная зависимость между параметрами технологического процесса с показателями качества материала.

Изучено влияние двухслойного формования на показатели качества фильтрматериала и предложено объяснение наблюдаемым закономерностям. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность использования волокон ПВС в сочетании с неорганическим связующим для упрочения фильтровальных материалов на основе минеральных волокон.

Показана применимость «теории протекания» к исследованию механизма разрушения бумагоподобных материалов на основе минеральных волокон, с использованием понятий этой теории рассчитаны межволоконные расстояния в фильтрматериалах и продемонстрирована закономерная связь этого параметра с фильтрационными характеристиками материала Практическая значимость.

В результате систематических исследований илияния условий отлива, композиции по волокну, расхода связующего и способа формования на показатели качества разработаны основы техноло! ни бумагоподобных материалов из минеральных волокон, пригодных, в том числе, и для гонкой очистки газовоздушных сред.

Предложенные способы упрочения фильтрматериалов с помощью комбинированного связующего пригодны для любыч композицизионных материалов на основе исследованных минеральных волокон, независимо от назначения этих материалов.

По результатам выполненных исследований получены два патента РФ. Личное участие яыора заключается в выполнении всего объема экспериментальных исследований по отработке технологии фильтровального материала на основе минеральных волокон дня тонкой очистки газовоздушных сред и их теоретическое объяснение.

При непосредственном участии автора и под его руководством выполнены эксперименты по исследованию структуры фильтрматериалов на основе «теории протекания» и дана интерпретация полученных результатов.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на научно- технических конференциях Санкт-Петербургской лесотехнической академии в 1993-1997гг.

Отличаются существенной новизной и выносятся на защиту следующие основные положения:

1. Результаты исследования влияния композиции и способа формования фильтровального материала на его свойства.

2. Результаты исследования влияния комбинированного связующего из волокон ПВС и сульфата алюминия на качество фильтрматериала на основе минеральных волокон.

3. Результаты исследования структуры фильтрматериала из минеральных волокон на основе изучения пороговых явлений при разрушении образцов.

4. Состав и способ получения фильтрматериала на основе минеральных волокон.

Диссертация состоит из введения, трех глав, общих выводов, списка использованной литературы из 126 наименований.

Материалы изложены на 175 страницах, включая 19 таблиц и 37 рисунков. Краткое содержание работы.

Во ведении обосновывается актуальность темы диссертации. В первой главе представлен обзор литературы, в котором рассмотрены основные положения теории фильтрации аэрозолей, приведены и проанализированы известные литературные данные об используемых в производстве фильтровальных материалов волокнистых полуфабрикатов и искусственных минеральных волокон, а также об использовании полигидроксокомплексов алюминия в качестве связующих при производстве бумаги. Изложены сведения об алгомосиликатных связующих и ноливинилспиртовых волокон как упрочняющих бумагу агентов.

Во второй главе дан перечень и приведены характеристики основных материалов, использованных при проведении работ, а также изложены методики исследований и испытаний образцов.

Третья глава - экспериментальная часть. Приступая к разработке технологии фильтрматериала для тонкой очистки газовоздушных сред, мы, на основе экспертной оценки и анализа технической литературы, определили уровень требований к качеству материала, на которые следует ориентироваться:

• предел прочности на разрыв - не ниже 0,3 МПа;

• сопротивление потоку воздуха - не более 10 мм вод. ст.;

• коэффициент проскока - не более 0,2

При этом было определено, что достижение последних двух показателей является обязательным, а достижение намеченного уровня предела прочности -желательным.

I. Влияние композиции и способа формования фильтровального материала не

показатели его качества.

В первом разделе экспериментальной части излагаются результаты изучения свойств фильтровальных материалов, композиция которых была составлена из двух или трех разных волокон, взятых в различном соотношении. В опытах были использованы стеклянные волокна диаметром 0,25 и 0,7 мкм, каолиновые волокна диаметром 2-3 мкм и базальтовые волокна диаметром 0,75 мкм. Масса отливок во всех случаях составляла 200 г/м2 ,рН массы при отливе 7-7,5, расход использовавшегося в качестве связующего сульфата алюминия был 10% (в ед. А12Оз) к массе волокон.

Основные результаты, полученные в опытах с однослойными двухкомпонентными материалами представлены в табл 1.

Эти результаты показывают, что варьируя соотношение различных минеральных волокон и используя в качестве связующего сульфат алюминия можно изготовить целую гамму фильтрматериалов с широким диапазоном свойств, могущих быть использованными в разнообразных практических целях. Однако ни один из полученных образцов не обладал всеми свойствами материалов для тонкой очистки газоводушных сред.

Известно, что двух- или многослойные виды бумаги на основе растительных волокон обладают лучшими показателями качества, чем однослойный материал той же композиции и с то же массой 1м2. На основании этого были исследованы двухслойные образцы фильтровальных материалов тех же композиций, что указаны в табл. 1. Каждый слой образца имел массу 100 г/м2 , композиция слоев была одинаковой.

Вопреки ожиданиям, обнаружилось, что в случае минеральных волокон двухслойный способ формования не всегда обладает преимуществами в сравнении с однослойным. По прочности двухслойные материалы, содержащие каолиновые и стеклянные волокна заметно уступают однослойным. Соответственно, двухслойные материалы из каолиновых и стеклянных волокон, имеют меньшее аэродинамическое сопротивление в сравнении с у однослойными, а коэффициент проскока на несколько порядков больше.

Фильтровальные материалы, состоящие только из стеклянных волокон диаметром 0,25 и 0,7 мкм менее чувствительны к способу формования. Взаимосвязь предела прочности с содержанием в композиции стекловолокон диаметром 0,7 мкм при однослойном и двухслойном формовании одна и та же: с увеличением процентного содержания указанных волокон прочность растет. Только при двухслойном формовании нарастание прочности протекает интенсивнее. Наиболее отчетливо преимущества двухслойного способа формования проявляются у фильтрматериалов, содержащих базальтовые волокна. Предел прочности у них заметно выше, чем в однослойных образцах, однако по мере уменьшения в композиции доли базальтовых волокон предел прочности уменьшается. Отмеченная закономерность отчетливее проявляется в образцах со стекловолокном диаметром 0,25мкм. Сопротивление потоку воздуха при двухслойном способе формования

таблица I

Влияние композиции на качество однослойно]-о фильтрматериала

Каолиновое волокно Базальтовое-волокно

Раосод.% 100 1 73 I SO I 15 | 0 75 | 50 | 23 | 0 100 1 75 I 50 I 25 I 0 75 | 50 | 25 | 0

Дяметрсгек-домшжон, лн 0JS 0.7 3JJ 0.7

Расход ст«-ловодожза.% a 23 50 75 100 13 50 75 100 0 25 50 75 100 25 50 75 loo

Предел прочности, кПа 3ZT SOI 369 1JS 71 179 206 188 208 ISS 156 35 113 71 115 12S 150 208

Сопротивление потоку возоуха, мы вод. ст. 4.75 2« 52.7 3.5 1.75 3.3 4.75 5.5 5.25 4,5 1.7 ,5 2.0 1.75 2J5 4,0 4,25 5,2

Коэффициент проскока. % 0,122 3,JxW | 6*10' o.os 41 0.1 0,029 2,25x10"* 0.047 0,015 2.8 Ml 0.75 0,07! 0,08 0,035 0,047

таблица 6.

Оценка расстояния между волокнами в лабсраторных образцах.

Видколокш Расход сыауктего Количестве Сторона квадрата. Объем дефекта. Количество Количество Количество Расстояние между

«элементарных мм 10J см1 волосок в квааратс ВОЛОКОН в одном «эквивалентных волокнами, мам

слоев направлении линеек»

Стсмютелокио 5 8960 2.20 10.8 90 45,0 203 10-11

d-0.37.wx 10 то 2.20 11.2 90 45,0 :о< 10-11

Стекловолокно 5 2,20 1U 44 22,0 100 20-22

d-0.SI ш 10 4154 2.20 10.4 54 ¡7.0 123 18.19

Слкооаодкао 3 2770 2J0 9.3 36 18,0 82 27-28

d-0.7MKM 10 3090 2.20 10.4 3S '8.0 82 27-28

СТПЕЯОМДОКНО 5 1647 2,20 7.3 35 .7,3 80 ' 27.28

d-0 91 MD» 10 1813 2.20 8.3 32 S.0 73 30-31

Кмтот 3 315-473 1.55 2J 10-15 >7.5 32-18 35-50

млооо 10 307-461 из 2J 9-13 • .5^.5 29-12 40-50

d- 2-3 ш

бсПАТОИ« 3 2116 1J5 3.8 17 1.5 55 28-29

теяопо 10 2263 U3 4.1 [8 5.0 58 26-27

d"0.75 мкы

заметно выше только в композициях со стекловолокном диаметром 0,25 мкм. В композициях, содержащих базальтовые волокна и стекловолокно диаметром 0,7 мкм определенной взаимосвязи между аэродинамическим сопротивлением фильтрматериала и способом его формования не обнаруживается.

Сопротивление потоку воздуха определенной взаимосвязи со способом формования не обнаруживает, в -целом у двухслойных образцов она несколько выше, но разница эта не велика и все значения показателя остаются ниже 10 мм вод. ст.

Нагляднее всего преимущество двухслойного способа формования для фильтрматериалов, состоящих из смеси базальтовых и стеклянных волокон проявляется в коэффициенте проскока. У двухслойных материалов в указанной композиции коэффициент проскока на 3-5 порядков ниже, чем в однослойных. Особенности изменений показателей качества у фильтрматериалов различной композиции при изменении способа формования связаны с различиями во

фракционном составе минеральных волокон составе. В ряде случаев переход от однослойного формования к двухслойному позволяет расширить диапазон свойств фильтрматериала на основе минеральных волокон. В первую очередь двухслойный способ формования может быть рекомендован для фильтрматериалов содержащих в композиции базальтовые волокна. Поскольку двухкомпонентные материалы не обладали необходимым комплексом свойств, в следующей серии опытов были исследованы трехкомпонентные композит^ I.

Анализ данных, полученных на двухкомпонентных материалах, позволяет предположить, что лучших результатов в случае однослойного формования можно отдать при сочетании каолиновых волокон и стеклянных волокон диаметром 0,25 и 0,7 мкм. При двухслойном формовании целесообразнее использовать смесь тех же двух стеклянных волокон и базальтового волокна.

Наиболее удобным и информативным методом исследования совместного влияния ряда факторов на тот или иной показатель качества материала является многофакторный эксперимент, позволяющий изменять все интересующие исследователя параметры по оптимально составленной программе. Результатом такого исследования является многофакторная математическая модель в виде многочлена заданной системы.

Для выяснения одновременного влияния природы и количества трех видов минеральных волокон на прочностные и фильтрационные характеристики фильтрматериала был проведен эксперимент по симплекс решетчатому плану второго порядка для трех переменных типа {3,4}. В качестве независимых переменных были выбраны расходы каолинового волокна и стеклянных волокон диаметром 0,25 и 0,7 мкм. Пределы варьирования расхода каждого из волокон были от 0 до 100% с шагом 25%. Исследуемыми характеристиками лабораторных образцов фильтрматериалов являлись: предел прочности при разрыве, сопротивление потоку воздуха, коэффициент проскока. Проверка уравнений регрессии, полученных после обработки экспериментальных данных на ЭВМ по специально разработанной программе на адекватность, т.е. соответствие

экспериментальных данных данным, вычисленным но уравнениям, проводилась по Ь критерию (критерию Стыодента) п контрольных точках. Уравнения регрессии позволили построить изолинии (аппликаты) свойств фильтрматериалов в зависимости от изменения его композиции но волокну. Из анализа графических зависимостей, представленных п барометрических координатах треугольных диаграмм «состав — свойство» становится очевидным, что однослойные трехкомпонентные фильтрматерналы на основе каолиновых и стеклянных волокон при любых вариациях композиции не обладают сочетанием свойств, необходимых для материалов для тонкой очистки гатовтлуншмх сред. Главным недостатком этих материалов является неудовлетворительный коэффициент проскока.

С трехкомпонентными композициями, состоящими из смеси базальтовых волокон и стеклянных волокон диаметром 0,25 и 0,7 мкм были проведены три серии экспериментов. В первой из них образцы изготавливали однослойными, во второй - двухслойными, причем каждый слой имел одну и ту же композицию. В третьей серии опытов образцы также изготавливали двухслойными, но один слой всегда состоял только из базальтовых волокон, второй - из смеси стеклянных волокон, взятых в требуемом соотношении. В первых двух сериях образцы характеризовались малой прочностью н завышенным аэродинамическим сопротивлением. Наилучшие результаты были получены в третьей серии с двухслойными образцами с разной композицией слоев.

На диаграмме «состав-свойство» (рис. I) показаны, во-первых, область, внутри которой псе материалы имеют коэффициент проскока равный или меньше 1хЮ'5 %, во-вторых, область внутри которой все материалы имеют сопротивление потоку воздуха равное или меньшее 10 мм.вод.ст. и, наконец, область, внутри которой псе материалы имеют предел прочности равный или больше 150кПа на рис. I видно, что в определенной части треугольника все три области совпадают. Этот участок закрашен. Следовательно, двухслойные фильтрматерналы на основе смеси базальтовых и стеклянных волокон с добавкой 10% от смеси волокон сульфата алюминия могут применяться для тонкой очистки газовоздушных сред. Но только в том случае, если технология изготовления фильтра и условия его эксплуатации допускают использование фильтрматериала с невысокой механической прочностью.

о/ ОКИ и V V V V чип &ар»/г,с&зе беисто

Ряс. I

2. Влияние волокон 11ВС па качество фильтровального материала на основе минеральных волокон.

Основной целью исследования в экспериментах настоящего раздела являлась разработка способов упрочения фильтрматериалов, изготовленных из базальтовых и стеклянных волокон диаметром 0,25 мкм. Для этого в дополнение к сульфату алюминйя в композицию вводились волокна ПВС.

Эти волокна содержат большое количество гидроксильных групп, обладающих способностью к образованию водородных связей. Поэтому ПВС-волокна используются главным образом как связеобразующий агент, т.е. для упрочения бумаги. Однако, способствуя возникновению новых межволоконных связей, ПВС-волокна воздействуют тем самым и на структуру материала, а значит, и на его фильтрационные характеристики. Применительно к выбранной нами композиции этот вопрос предметом исследования до настоящего времени еще не был. Помимо этого представлялось необходимым исследовать действие на изучаемые характеристики фильтрматериала таких факторов, как расход не- органического связующего и рН отлива

В опытах данного раздела применен метод пятифакторного планирования эксперимента - план Хартли: т=5. В качестве независимых переменных были выбраны: содержание базальтовых и стеклянных волокон, расход сульфата алюминия и волокон ПВС и рН отлива. Обработка результатов эксперимента на ЭВМ по специально разработанной программе привела к выводу, что лучшей композицией является следующая:

- базальтовых и стеклянных волокон- п" 50%, расход сульфата алюминия - 5%, расход волокон ПВС - 1,25%, рН отлиьп 4

При этой композиции материал имеет следующие характеристики

- предел прочности - 170 кПа, сопротивление потоку воздуха - 9,4 мм вод.ст., коэффициент проскока - 0,6х 10"5%

Анализ полученных уравнений регрессии показал, что зависимость предела прочности фильтрматериалов на основе минеральных волокон от рН отлива аналогична той, которая найдена для бумаги из целлюлозы: максимум прочности в нейтральной области и заметное ее снижение в кислой и щелочной областях. Как видно из табл. 2, в кислой области при рН отлива 4 увеличение расхода сульфата алюминия ведет к росту предела прочности, а в щелочной области при рН отлива 10

- к его уменьшению. Объясняется это тем, что при рН 4 полнота осаждения гидроксида из исходного сульфата алюминия далека от максимальной (примерно 83,2% вместо максимально возможных 99,1%) . В то же время, осаждающиеся в результате гидролиза полигидроксокомлексы алюминия кординационно активны по отношению к волокнам, чем и объясняется рост прочности с увеличением расхода сульфата алюминия. При рН 10 начинается деполимеризация полигидроксокомлексов алюминия и переход их в алюминатные формы обладающие высоким отрицательным электрокинетическим потенциалом. В такой форме полигидроксокомплексы алюминия действуют уже не как связующее, а как инертный наполнитель и поэтому увеличение расхода сульфата алюминия ведет к снижению прочности материала.

Таблица 2

Влияние расхода сульфата алюминия и РН отлива на предел прочности фильтрматериала (расход ПВ с 1,25 %)

Расход АЬ203,% РН отлива

4.0 5,5 7.0 8.5 10,0

0 140,5 239,1 279.6 261.2 184,2

1,0 149,3 245.0 284.(1 263.5 184,3

2,5 160,6 254,0 288,8 265,0 182,5

5,0 174,6 262,6 291.9 262.6 174,6

7,5 183,3 2М.7 287.5 251.6 157,1

10,0 184,2 261.2 279.6 239.3 1411,5

Таблица 1

Влияние расхода сульфата алюминия и РН отлива на коэффициент проскока фильтрматериала ( расход ПВС 1,25 %)

Расход АЬ203.% РН отлива

4,0 5.5 7,0 8.5 10.(1

0 0,9*10' 0,3x10-' <1.9x10 ' 0.3x10' 0.9x10'

1.0 0.6x10"' 2x10"' 11.2 0.4x10' 0.6x10'

2,5 0.3x10' 0.31 0.51 0,31 0,3x10'

5.0 0,9х 10 4 0.51 0.71 0.51 0,4x10'

7,5 0.3x10-' 0.31 0.51 0,31 0,3x10'

10,0 0.9x10' 0,3x10' 0.9x10" О.ЗхК)' 0.9x10'

Расход сульфата алюминия, которому соответствует максимум предела прочности в рассматриваемом случае составляет примерно 5-6 %, в то время как в ранее описанных опытах он составлял 10 %. Указанные расходы сульфата алюминия представляют собой так называемые «расходы насыщения», при которых все функциональные группы на поверхности волокон, способные к координационному взаимодействию с чолигидроксокомплексами алюминия, в такое взаимодействие вступили. После этого добавочные порции гидроксида алюминия действуют уже не как связующее, а подобно обычному минеральному наполнителю, т.е. приводят к ослаблению материала.

В обсуждаемых опытах, в отличие от экспериментов 1-го раздела, в композиции присутствовали волокна ПВС, что привело к уменьшению на поверхности минеральных волокон количества свободных ОН-групп и, соответственно, огражение к снижению «расхода насыщения».

Зависимости сопротивления потоку воздуха от расхода сульфата алюминия при определенном значении рН отлива аналогичны соответствующим зависимостям, установленным для предела прочности.

Как показывают данные табл. 3, наименьший коэффициент проскока имеют образцы отлитые при рН 4 и 10. При всех расходах сульфата алюминия данный показатель качества у этих образцов отвечает требованиям, установленным для фильтрматериалов для тонкой очистки газовоздушных сред. Наибольший коэффициент проскока, выше необходимого уровня, имеют образцы, изготовленные в нейтральной среде при рН отлива 7.

Для окончательного решения вопроса об оптимальном рН массы при отливе фильтрматериалов на основе минеральных волокон было проанализировано влияние этого фактора на показатели качества образцов при различных дозировках волокон ПВС и постоянном расходе сульфата алюминия 5 %. Установлено, что при отливе в слабощелочной среде по мере увеличения дозировки волокон ПВС предел прочности фильтрматериала растет, а при отливе в слабокислой среде, наоборот, падает, при этом с увеличением щелочности (кислотности) среды отмеченный эффект усиливается. Связано это очевидно с тем, что в кислой среде волокна ПВС набухают плохо и не проявляют адгезии к минеральным волокнам. В щелочной среде благодаря активному набуханию и частичному растворению волокон ПВС наблюдается связеобразующий эффект и тем больший, чем выше рН среды.

Основным итогом, полученным в ходе экспериментов с переменным расходом сульфата алюминия и фиксированной Дозировкой волокон ПВС , равно как и наоборот - с переменным расходом волокон ПВС и фиксированной дозировкой сульфата алюминия, является вывод о целесообразности отлива фильтрматериалов на основе минеральных волокон в кислой среде при рН 4. Хотя, получаемый при этих условиях фильтрматериал и не обладает максимально возможной прочностью, однако имеет очень хороший коэффициент проскока и сопротивление потоку воздуха, близкие к требуемому.

■ В ходе дальнейших экспериментов, взяв за основу выше указанную композицию был исследован двухслойный способ отлива , но в отличие от ранее описанных опытов один слой отливки состоял только из базальтовых волокон, а второй только из стеклянных. Такой способ позволяет получить материал с переменной пористостью по толщине, что дает возможность полнее реализовать положительные свойства каждого из волокон.

Для сокращения числа опытов и более полного изучения характеристик двухслойного фильтровального материала был составлен двухфакторный план эксперимента, где независимыми переменными были: расход сульфата алюминия от 0 до 10 % и расход волокон ] I ВС - от 0 до 2,5

При этом были выполнены три серии экспериментов, отличающиеся местом ввода упрочняющих добавок. В одной серии они добавлялись только в базальтовые волокна, в другой - только в стеклянные, а в третьей - в оба слоя в соотношении 1:1."

Исходя из значений всех трех показателей качества, лучшим вариантом является дозировка упрочняющих добавок в оба слоя волокон. При этом влияние волокон ПВС на предел прочности безусловно положительное. При всех дозировках этой добавки максимум предела прочности приходится на расход сульфата алюминия 5-6%. Наибольшее из отмеченных в этой серии экспериментов значение предела прочности составляет 330 кПа. Оно имеет место при расходе волокон ПВС - 2,5 % и сульфата алюминия 4-6%. Коэффициент аэродинамического сопротивления, во всех исследуемых случаях, был много лучше установленных для фильтровальных материалов для тонкой очистки газовоздушных сред требований.

Коэффициент проскока у всех образцов, содержащих от 0,7 до 1,9% волокон Г1ВС и от 0 до 3,5 или от 6,5 до 10 % сульфата алюминия был менее 0,2x10 .

1.1

Указанные образцы не показывают максимальной прочности, но и достигнутая прочность (на уровне 250 кПа) не намного отличается от необходимой для материалов для тонкой очистки газовоздушных сред,

В заключение можно констатировать, что отлитый при рН 4 двухслойный фильтрматериал, один слой которого составлен из базальтовых волокон диаметром 0,75 мкм, а другой - из стеклянных волокон диаметром 0,25 мкм, в оба слоя которого были введены в равном количестве волокна ПВС и сульфат алюминия, вполне пригоден для тонкой очистки газовоздушных сред.

3. Влияние диаметра стеклянных волокон и массы 1м: на ноктатели качества двухслойных филътрматериалов.

С целью снижения себестоимости разработанного фильтрматериапа без ущерба для его потребительских свойств было решено вместо волокон диаметром 0,25 мкм использовать более толстые, и, естественно, более дешевые волокна диаметром от 0,37 до 0,9 мкм.

Условия и способ отлива были такими же, как и в заключительной серии раздела 2. Упрочняющие добавки в равном количестве вводились в оба слоя, общий расход их составлял: сульфат алюмппия - 3%. ПВС - 1,25 %. Результаты испытаний полученных образцов показали, что полная замена стекловолокон диаметром 0,25мкм на любое другое волокно влечет- за собой такое ухудшение качества фильтрматериала. которое делает его непригодным для тонкой очистки газовоздушных сред.

Во второй серии экспериментов были изготовлены образцы, в которых доля стекловолокон диаметром 0,25 мкм последовательно уменьшалась, оно заменялось соответствующим количеством стекловолокна диаметром 0,9 мкм. Результаты испытания этих образцов представлены в табл. 4.

Полученные результаты свидетельствуют, что при замене 50 % микротонких стеклянных волокон диаметром 0,25 мкм на супертонкие волокна диаметром 0,9 мкм фильтрационные свойства материала меняются незначительно и его можно использовать для тонкой очистки газовоздушных сред.

На заключительном этапе этой серии экспериментов было изучено влияние массоемкости на фильтрационные характеристики двухслойного материала. Для исследования были изготовлены двухслойные образцы с массой 1м - 50 , 100, 150 и 200г и с композицией:

1 слой - 100% базальтовых волокон +2,5% сульфата алюминия + 0,65 % ПВС

2 слой - 50% стеклянных волокон диаметром 0,25мкм + 50% стеклянных волокон диаметром 0,9 мкм + 0,5% сульфата алюминия + 0,65 % ПВС;

Из полученных данных, представленных в табл. 4 видно, что при снижении массы 1 м2 до 150г получается фильтрматериал, практически не отличающийся по показателям качества от материала с массой I м2 равной 200г.

Таблица 4

Влияние диаметра стеклянных волокон диаметром 0,9 и 0,25мкм на качество двухслойного фильтровального материала.

Состав фильтрматериала по слохм Предел Сопротивление потоку Коэффициент

прочности, кПа ¡кпдуха. мм вод. ст. проскока. %

Слои Еатпль-товое Стеклянные волокна. %

воло-

кио.% 0= 0.25 мкм 0 =0.9 мкм

1слой 100 - - 265 4.81 0.02х КГ*

2слой - 100

(слой [00 . 217 4.42 0,05х И)'1

2елой - 75 25

(слой юо - . 177 4,00 0,14х Ю4

2слой - 50 50

1слой 100 . 139 3.48 0.0079

2слой - 25 .75

1слой 100 108 1.59 0,89

2слой - - 100

Таблица 5

Влияние массы 1 м2 фильтрматериала на прочностные и фильтрующие характеристики.

Масса 1м1, г Предел прочности, кПа Сопротивление потоку вотдуха, мм вод.ст. Коэффици отпросился, %

51,2 675 2,89 0,03

100,2 222 3,67 0.00067

148,0 191 4,79 0,000078

199,0 213 4,95 0,000002

4.Исследование структуры фильтрматериалов из минеральных волокон на основе изучения «пороговых явлений» при разрушении образцов.

Результат опытов с упрочняющими добавками показывают, что далеко не всегда изменения бумагоподобного материала из минеральных волокон может вести к изменениям межволоконных сил связи. В значительной мере наблюдаемые закономерности связаны с особенностями структуры материала. К таким особенностям относятся, в числе прочего, и дефекты структуры, простейшим из которых является сквозное отверстие. Описываемые ниже результаты были подучены путем моделирования дефектов в образце материала. Искусственный дефект в образце создавали, прокалывая его иглой диаметром 1,75мм.

В ходе экспериментов испытаниям на прочность подвергали образцы одного и того же материала, но с последовательно увеличивающимся числом дефектов. Полученные результаты представлены в виде графиков в координатах «доля

— f*exnft * »»»тмит* 9

—-— р«сяплсумф*"* впкттгия Iff ф;

Дпяме'р С1С1Л1ИММ1М1И1.' I • Mliu;

2-Л,)>м>м; .1 ■ Л.?« нам;

А- П,9| м»м;

рис. 2

Влияние доли дефектов на прочность при разрыве

дефектов - предел прочности на разрыв» на рис. 2., из которого видно, что до некоторой, вполне определенной, концентрации дефектов в материале предел прочности остается неизменным, а затем, при минимальном увеличении доли дефектов, резко падает. Эта точка перелома графика прочности и является «порогом», по достижении которого система перестает быть единым целым и распадается на блоки с отличающимися характеристиками.

Характерно, что фактическая прочность материала из стеклянных волокон при неизменном расходе связующего, ■ зависящая от диаметра волокон, не связана с «порогом» протекания: последний во всех исследованных случаях наблюдается при одной и той же доле дефектов - около 18 %.

По всей видимости, структура материалов из стекловолокон характеризуется примерно одинаковой степенью дефектности, которая зависит не от диаметра волокон, а от наличия посторонних включений. Именно с этих позиций следует объяснять наступление «порога протекания» при меньшей - около 9% - доле дефектов у отливок из базальтового и каолиновых волокон.

На основе полученных результатов была проведена ориентировочная оценка структуры бумагоподобного материала из минеральных волокон, результаты которой представлены в табл. 6. Из данной таблицы видно, что усредненное расстояние между волокнами в плоскости листа зависят главным образом от диаметра исходных волокон и не связаны с расходом связующего. Сравнение параметра «расстояние между волокнами» с фильтрационными характеристиками материала показало, что между ними существует функциональная зависимость, но только в том случае, если сравниваются материалы, изготовленные из волокон одной природы (в нашем случае стеклянных). В других случаях указанная зависимость отсутствует.

Выводы.

1. На основании проведенных систематических экспериментальных исследований предложено научное обоснование разработанных основ технологии фильтрующих материалов на основе минеральных волокон для сверхтонкой очистки газовоздушных сред. 2. На основании изучения двухкомпонеитных однослойных бумагоподобных материалов на основе минеральных волокон установлено, что максимальными

t

прочностью и задерживающей, способностью обладают композиции; из каолиновых и стеклянных волокон.

3. Установлено, что при одинаковой композиции двухслойные фильтрующие материалы обладают лучшими фильтрующими характеристиками, чем однослойные.

4. Показано, что применение в качестве упрочняющих добавок одновременно сульфата алюминия и волокон ПВС обеспечивает достижение лучшего сочетания прочностных и фильтрующих свойств материала, чем при использовании каждой из добавок в отдельности.

5. Установлено и обоснованно снижение «расхода насыщения» сульфата алюминия в присутствии волокон ПВС.

6. Методом моделирования дефектов в листе показано, что процесс разрушения бумагоподобного фильтрмагериала из минеральных волокон носит «пороговый» характер.

7. Произведена оценка межволоконных расстояний в фильтрматериалах на основе минеральных волокон и показано, что между указанными параметрами и фильрационными свойствами материала существует закономерная связь

8. По результатам выполненных исследований получены два патента Российской Федерации на фильтрующий материал для тонкой очистки газовоздушных сред.

Основные положения диссертации содержатся в следующих публикациях:

1. Патент РФ № 2027475. «Фильтровальный материал для тонкой очистки воздуха.» В.П. Богданова, В.К. Дубовый, Г.И. Чижов.

2. Патент РФ № 2075329 «Фильтровальный материал для тонкой очистки воздуха.» В.П. Богданова, Л.А. Дубовая, Г.И. Чижо1, В.К. Дубовый.

3. В.К. Дубовый Двухкомпонентные однослойные фильтровальные материалы. - В кн.: Тезисы докладов молодых ученых Лесотехнической академии. 20-26 апреля 1998г.- СПб.: СПбЛТА, 1998, е.- 60.

4. В.К. Дубовый Трехкомпонентные фильтровальные материалы на основе минеральных волокон,- В кн.: Тезисы докладов молодых ученых Лесотехнической академии.20-26 апреля 1998г.- СПб.: СПбЛТА, 1998, е.- 64-65.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах с заверенными подписями присылать по адресу: 163007,

г.Архангельск - 7, набережная Северной Двины, 17, АГТУ, Ученый Совет.

Лицензия ЛР № 020578 от 04.07.97

Подписано в печать с оригинал-макета 18.05.98. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-год, л. 1,0. Печ.л.1.0. Тираж 100 чю. Заказ 131. С 13а. Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия Издательско-полиграфнческнй отдел СПбЛТА 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер, 3