автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Разработка технологии термостойкого фильтровального нетканого материала

На правах рукописи

005059922

ЕРОФЕЕВ ОЛЕГ ОЛЕГОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМОСТОЙКОГО ФИЛЬТРОВАЛЬНОГО НЕТКАНОГО МАТЕРИАЛА

Специальность 05.19.02. Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 р мл;:; 2013

005059922

На правах рукописи

ЕРОФЕЕВ ОЛЕГ ОЛЕГОВИЧ7

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМОСТОЙКОГО ФИЛЬТРОВАЛЬНОГО НЕТКАНОГО МАТЕРИАЛА

Специальность 05.19.02. Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре технологии нетканых материалов в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии».

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Волощик Татьяна Евгеньевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, профессор кафедры технологии трикотажного производства федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии»

Заваруев Владимир Андреевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник ОАО НПО «Стеклопластик»

филиал НПК «Терм» Жеребцова Нина Анатольевна

Ведущая организация: ОАО «Центральный

научно-исследовательский текстильный институт»

Защита состоится Ж мая 2013 года в ю часов на заседании диссертационного совета Д 212.144.06 при «Московском государственном университете дизайна и технологии» по адресу: ул. Малая Калужская, д.1, Москва, 119071.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии».

Автореферат разослан 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Шустов Юрий Степанович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы заключается в создании новых видов термостойких фильтровальных нетканых материалов для очистки промышленных выбросов с температурой 250-300°С и исследовании их свойств.

Внедрение таких материалов позволит заменить дорогостоящие импортные аналоги, обеспечить высокие физико-механические свойства, улучшить фильтрующие и термические характеристики, увеличить устойчивость к термическому старению и кислотостойкость, снизить себестоимость фильтров. Автор защищает:

- новую разработанную технологию термостойкого фильтровального нетканого материала с высокими свойствами в сравнении с импортным аналогом;

- оптимальные технологические параметры производства фильтровальных нетканых материалов из термостойких волокон;

- разработанную структуру термостойкого фильтровального нетканого материала с использованием дополнительных компонентов;

- программу расчета эффективности очистки многослойного фильтровального нетканого материала;

- проведенную комплексную оценку свойств разработанных термостойких фильтровальных нетканых материалов и выбранный на её основе материал.

Данная работа проводилась в Московском государственном университете дизайна и технологии на кафедре технологии нетканых материалов. Цель работы и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является разработка технологии термостойкого фильтровального нетканого материала.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Анализ современного состояния производства термостойких фильтровальных нетканых материалов отечественного и зарубежного производства;

2. Анализ патентов и научных трудов, посвященных вопросам разработки структуры, исследования свойств и применения фильтровальных нетканых материалов;

3. Исследование теоретических основ фильтрации с использованием нетканых материалов различной структуры;

4. Разработка технических требований к термостойким фильтровальным нетканым материалам для фильтрации твердых частиц;

5. Разработка структуры термостойких фильтровальных нетканых материалов с использованием дополнительных компонентов;

6. Разработка технологии производства термостойких фильтровальных нетканых материалов;

7. Проведение экспериментальных исследований фильтровальных материалов с использованием современных методов и средств;

8. Анализ полученных результатов исследований и оптимизация технологических параметров термостойких фильтровальных нетканых материалов;

9. Апробация метода Девиса для определения теоретических показателей эффективности фильтрации и воздухопроницаемости фильтровального материала с целью повышения его эксплуатационных свойств;

10. Сравнительные экспериментальные исследования фильтровальных материалов различной структуры, определяющие влияние структурных характеристик и видов обработки на их фильтрующие свойства;

11. Исследование структуры термостойких фильтровальных нетканых материалов после пропускания кварцевой пыли с помощью методов световой микроскопии;

12. Исследование регенерируемости, эффективности фильтрации, пылеемкости фильтровальных материалов из термостойких волокон при многократных циклах регенерации;

13. Сравнительный анализ термической устойчивости разработанного термостойкого фильтровального нетканого материала и импортного аналога, изменения их физико-механических свойств в условиях термического старения, действия растворов кислот и устойчивости к прожигаемости;

14. Сравнительный анализ технико-экономической эффективности разработанного термостойкого фильтровального нетканого материала с улучшенными свойствами и импортного аналога;

15. Разработка проекта технических условий и технологического режима изготовления термостойкого фильтровального нетканого материала.

Методы исследования

В работе использовались стандартные и нестандартные методики исследования физико-механических, функциональных и эксплуатационных свойств волокон и термостойких фильтровальных нетканых материалов.

В процессе исследования влияния технологических параметров на свойства фильтровальных материалов из термостойких волокон применялись современные методы математического планирования и анализа эксперимента Статистическая обработка полученных результатов проводилась с использованием пакета прикладных программ.

Для расчёта теоретических показателей воздухопроницаемости и эффективности очистки применена методика, предложенная Девисом. Исследование структурных характеристик фильтровальных нетканых материалов проводилось методами световой микроскопии.

Для определения термической устойчивости полимеров использован термогравиметрический метод. Изменение физико-механических свойств термостойких фильтровальных нетканых материалов при термическом старении определялось косвенным методом, и при действии растворов кислот — по стандартной методике. Для исследования регенерируемости, эффективности фильтрации и пылеемкости при многократных циклах регенерации использовался ГОСТ 8002-74. Научная новизна работы

• разработана технология термостойкого фильтровального нетканого материала;

• проведена оптимизация технологических параметров фильтровальных нетканых материалов из термостойких волокон;

• выведены математические зависимости, характеризующие влияние технологических параметров на физико-механические, структурные, фильтрующие и термические свойства фильтровальных нетканых материалов из термостойких волокон;

• разработана структура термостойкого фильтровального нетканого материала с использованием дополнительных компонентов;

• проведена апробация метода Девиса и разработана программа расчета теоретических показателей воздухопроницаемости и эффективности фильтрации;

• проведен корреляционный анализ полученных расчетных и теоретических показателей воздухопроницаемости и эффективности фильтрации;

• проведена комплексная оценка свойств термостойких фильтровальных нетканых материалов различных структур, влияющих на их эксплуатационные характеристики;

• подана заявка на патентование термостойкого фильтровального нетканого материала.

Практическая значимость и реализация результатов работы

- разработанная технология термостойкого фильтровального нетканого материала позволяет сократить затраты на сырье, улучшить его фильтрующие и термические свойства и сделать его более доступным для использования на отечественных промышленных производствах;

- разработаны проект технических условий и технологический регламент производства термостойкого фильтровального нетканого материала;

Использование разработанного термостойкого фильтровального нетканого материала позволяет:

1) Заменить дорогостоящие зарубежные фильтровальные материалы;

2) Обеспечить высокие физико-механические свойства фильтров, улучшить их фильтрующие и термические характеристики по сравнению с зарубежными аналогами;

3) Повысить ресурс работы фильтра за счет увеличения устойчивости к термическому старению, кислотостойкости, устойчивости к прожигаемости по сравнению с зарубежными аналогами;

4) Снизить себестоимость по сравнению с зарубежными аналогами в 1,78 раза.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: IV Международном симпозиуме по техническому текстилю, нетканым материалам и защитной одежде Techtextile Russia «Инновационные разработки, современные технологии и применение технического текстиля», «Крокус Экспо», г. Москва, 2009 г.; Международной научно-технической конференции посвященной 90-летию Московского государственного текстильного университета имени А.Н.Косыгина «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ-2009), МГТУ имени А.Н.Косыгина, г. Москва, 2009 г.; X Международной конференции «Использование защитных комбинезонов из нетканых материалов на российских предприятиях. Тенденции и перспективы», «Константиновский дворец», г.Стрельна, 2011 г.

Достоверность проведенных исследований.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, подтверждается патентным поиском, совпадением теоретических положений и экспериментальных результатов, применением современных методов и средств исследования.

Публикации

По результатам диссертации опубликовано 8 статей в журналах и сборниках, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Объём и структура работы. Диссертационная работа изложена в 6 главах с выводами на 174 страницах печатного текста и содержит 51 рисунок, 43 таблицы, список использованных источников из 112 наименований и 1 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, её научная новизна и практическая значимость. Сформулированы цели и задачи исследования.

В первой главе проведен обзор теоретических и экспериментальных исследований эксплуатационной фильтрации, представлены механизмы фильтрации. Изучено современное состояние сырьевой базы термоогнестойких волокон различного назначения, дана их классификация. Проведен анализ физических характеристик волокон и структурных показателей фильтровальных материалов, влияющих на эффективность очистки. Обоснован выбор технологического режима и способа производства фильтровального нетканого материала для очистки высокотемпературных выбросов. Разработаны технические требования, предъявляемые к термостойкому фильтровальному нетканому материалу (ТФНМ). Показана необходимость разработки нового высокоэффективного, экономичного ТФНМ с целью улучшения эксплуатационных свойств. Разработана структура ТФНМ с включением дополнительных компонентов. Проведен анализ влияния поверхностной обработки фильтровальных материалов на эффективность очистки

Во второй главе изложено методическое обеспечение проведения эксперимента. В работе использовались стандартные и нестандартные методики исследования физико-механических, функциональных и эксплуатационных свойств волокон и ТФНМ.

В процессе исследования влияния технологических параметров на свойства фильтровальных нетканых материалов из термостойких волокон применялись современные методы математического планирования и анализа эксперимента. Статистическая обработка полученных результатов проводилась с использованием пакета прикладных программ.

В третьей главе экспериментально обоснован выбор метаарамидных волокон в качестве основного вида сырья для производства ТФНМ.

Представлена экспериментальная работа, состоящая из предварительного и основного эксперимента. В предварительном эксперименте проводилось исследование физико-механических, структурных и фильтрующих свойств фильтровального материала трехслойной структуры (холст-каркас-холст) по плану КОНО-2 (Рис. 1).

2 -1

1 - волокнистый холст; 2 - тканый каркас

Рис. 1 — Схема фильтровального материала структуры холст-каркас-холст

В качестве варьируемых факторов были выбраны поверхностная плотность волокнистого холста (100-220 г/м2) и плотность прокалывания (400800 см"2). Холсты из метаарамидных волокон (0,22 текс, 51 мм) дублировались иглопробивным способом с тканым каркасом из восстановленной полиамидбензимидазольной (ПАБИ) пряжи (150 г/м2). Готовые образцы материала подвергались испытаниям. Обработка результатов испытаний проводилась с использованием пакета прикладных программ.

В результате обработки данных предварительного эксперимента были получены уравнения регрессии и построены графические зависимости, анализ которых позволил провести оптимизацию технологических параметров. В качестве оптимальных параметров выбраны следующие:

- поверхностная плотность волокнистого холста (Х[), г/м2 - 220;

- плотность прокалывания (Х2), см"2 - 600

В основном эксперименте по плану КОНО-2 проводилось исследование физико-механических, структурных и фильтрующих свойств материала четырехслойной структуры (холст-холст-каркас-холст). Холсты из метаарамидных волокон дублировались иглопробивным способом с холстом из стекловолокна и тканым каркасом из восстановленной ПАБИ пряжи (Рис. 2).

1 - волокнистый холст; 2 - холст из стекловолокна; 3 - тканый каркас

Рис. 2 — Схема фильтровального материала структуры холст-холст-каркас-холст

В качестве варьируемых факторов были выбраны плотность прокалывания (400-800 см"2) и поверхностная плотность холста из стекловолокна (50-150 г/м2).

В результате обработки полученных данных были получены уравнения регрессии и построены графические зависимости, анализ которых позволил провести оптимизацию технологических параметров. В качестве оптимальных параметров выбраны следующие:

- плотность прокалывания, см"2 - 600

- поверхностная плотность волокнистого холста

из стекловолокна, г/м2 - 100

По физико-механическим свойствам ТФНМ имеют одинаковые показатели, так как тканый каркас несет основную прочностную нагрузку. Введение холста из стекловолокон в структуру материала не увеличивает его прочность, но способствует увеличению эффективности фильтрации за счёт

уменьшения размера пор, так как линейная плотность стекловолокон ниже, чем у метаарамидных волокон, составляющих наружные слои материала.

В эксперименте подтверждена актуальность применения тканого каркаса из волокон ПАБИ и холста из стекловолокон, повышающих физико-механические и фильтрующие свойства ТФНМ.

Таблица 1 - Свойства ТФНМ различной структуры, полученных при оптимальных технологических параметрах

Структура ТФНМ

№ Показатель Холст-каркас-холст Холст-холст-

каркас-холст

1 Поверхностная плотность, г/м 485 510

2 Толщина, мм 2,0 2,4

3 Разрывная нагрузка в продольном направлении, даН 110,2 116,4

4 Разрывная нагрузка в поперечном направлении, даН 123,5 139,1

5 Разрывное удлинение в продольном направлении, % 18 25

6 Разрывное удлинение в поперечном направлении, % 17 19

7 Воздухопроницаемость, дм3/с-м2 135 113

8 Пористость, % 78 88,7

9 Эффективность очистки, % 98,0 98,7

10 Перепад давления, кПа 1,61 1,80

И Удельная пылеемкость, г/м2 427 388

В четвёртой главе проведена апробация метода Девиса для расчета фильтрующих свойств ТФНМ. Ниже приведены основные формулы для расчёта эффективности фильтрации ТФНМ.

Коэффициент сопротивления фильтра (1):

32 •(! — £•) -Н

(1)

' -(¿вопГ

Н - толщина материала, м; е - пористость материала, %; ¿вол - диаметр волокна, м. Скорость фильтрации (теоретическое значение воздухопроницаемости (2):

АР 11п • /л

и. - вязкость газа, Н*сек/м , ДР — перепад давления, Па

Таблица 2 - Расчётные и экспериментальные значения воздухопроницаемости_

№ Воздухопроницаемость, дм3/(м2*с)

Теоретические Экспериментальные

Без опаливания С опаливанием Без опаливания С опаливанием

1 113 93 116 97

2 117 97 121 101

3 110 94 112 96

Расчётные значения воздухопроницаемости коррелируют с экспериментальными. Коэффициент корреляции по Пирсону составил 0,99926.

Коэффициент суммарной фракционной эффективности захвата частиц в режиме вязкого обтекания изолированного цилиндра за счет совместного действия механизмов инерции и касания (3)

772 = 0,16-[-Я+ (0,25 + 0,4ВДг -0,0263-Р/] (3)

Я - Отношение размеров частицы и улавливающего тела; Рр - «главный» параметр, зависящий от критериев Стокса и Пекле, где захват частиц совершается изолированным цилиндром за счет диффузии, касания и их совместного действия.

По закону улавливания частиц (4) определяется коэффициент проскока: 1£К -2 0,43-2-(1-*)-Н-^ (4)

а - радиус волокна, м.

Фракционная эффективность очистки (5) равна:

77 = 100 - К (5)

Расчётные значения коррелируют с экспериментальными. Среднее значение коэффициента корреляции по Пирсону для разных фракций равно 0,8547. Эффективность фильтрации материалов при разном сырьевом составе тканого каркаса находится на одном уровне, составляя 98,0%. Дополнительная обработка поверхности в виде опаливания повышает эффективность фильтрации материала до 98,5%. Введение в структуру фильтровального материала без опаливания холста из стекловолокна способствует увеличению эффективности фильтрации до 98,7 % за счёт уменьшения размера пор внутри материала. Поэтому после одностороннего опаливания значительно повышается эффективность очистки (до 99,6%) разработанного фильтровального материала.

Таблица 3 — Расчётные и экспериментальные значения эффективности очистки

№ мат ери ала Эффективность фильтрации, %

Теоретические значения Экспериментальные значения

Фракционный состав, мкм Без С

3 4 5 6 7 опаливания опаливанием

1 84,06 93,63 97,82 99,40 99,87 98,0 98,5

2 83,45 93,27 97,64 99,34 99,85 98,0 98,5

3 91,33 97,40 99,43 99,91 99,99 98,7 99,6

Проведен структурный анализ ТФНМ различного состава с использованием метода световой микроскопии, позволяющий установить количественно характер осаждения частиц на фильтровальном материале при очистке промышленных выбросов. В качестве сравнения рассматривались импортный (№1) и разработанный (№2) ТФНМ.

Лицевая сторона ТФНМ из метаарамидных волокон имеет одинаковый захват частиц. Введение холста из стекловолокна из-за мелкопористой структуры увеличивает эффективность очистки. Это подтверждено графиком (Рис. 3), где среднее значение диаметра задержанных частиц у материала №2 почти на 1 мкм больше, чем у импортного аналога №1.

10

№1 №2

■ Лицевая сторона В Внутренний слой □ Абсолютный фильтр

Рисунок 3 - Средние значения размера частиц по эквивалентному диаметру на

различных слоях материала

Сравнительное исследование изменения регенерируемости, эффективности фильтрации, пылеемкости разработанного фильтровального материала структуры холст-холст-каркас-холст с импортным аналогом при многократных циклах регенерации показало, что разработанный фильтровальный нетканый материал, как и его импортный аналог, выдерживает до 2500 циклов регенерации.

В пятой главе представлено исследование влияния факторов эксплуатации на свойства термостойких фильтровальных нетканых материалов различного сырьевого состава.

Исследования фильтровальных материалов и их основных структурных компонентов методом термогравиметрического анализа при различных скоростях нагревания (5, 10 и 20°С/мин) в атмосфере воздуха показали, что введение в состав фильтровального материала тканого каркаса из ПАБИ пряжи и холста из стекловолокна увеличивает термостойкость в сравнении с материалом из метаарамидного волокна (100%) на 30-50°С.

Исследования физико-механических свойств разработанных фильтровальных материалов и импортного аналога при термическом старении и при воздействии 20%-ного раствора серной кислоты показали, что разрывная нагрузка для всех материалов в продольном и поперечном направлениях при температуре 250°С незначительно снижается. При увеличении температуры до 300°С у импортного материала происходит резкое снижение разрывной нагрузки во всех направлениях (10-30%), тогда как у разработанных фильтровальных материалов происходит незначительное снижение разрывной нагрузки (7-10% и 3-7%).

Усадка в продольном направлении и потеря массы у материалов незначительная при температуре 250°С. При воздействии температуры 300°С усадка увеличивается. Эти данные подтверждают возможность кратковременной эксплуатации при температуре 300°С. Разрывная нагрузка после воздействия раствора серной кислоты у материалов незначительно снижается. Импортный аналог имеет потерю прочности 6,7% и 8,1% в продольном и поперечном направлениях. С вводом в состав материала тканого каркаса из пряжи ПАБИ потеря прочности составила 3,0% и 5,8%, а холст из стекловолокна снижает потерю прочности на 2-3%.

Исследована устойчивость к прожиганию ТФНМ. Показано, что структура разработанного материала ввиду наличия слоя из стекловолокна устойчива к прожиганию раскаленной проволокой (800°С в течении 30с). Таким образом, разработанный материал в отличии от импортного аналога может применяться на промышленных производствах, где происходит выброс искр и раскаленных частиц, разрушающих рукавные фильтры.

В шестой главе проведен сравнительный технико-экономический анализ разработанного ТФНМ и его импортного аналога.

Импортный фильтровальный материал на тканом каркасе изготовлен из метаарамидного волокна (100%). Разработанный ТФНМ состоит из метаарамидного волокна (50%), холста из стекловолокна (20%) и тканого каркаса из ПАБИ (30%). Стоимость сырья в себестоимости 1 м2 фильтровального материала составляет для импортного материала - 730,1 руб., для разработанного - 410,76 руб. Себестоимость единицы продукции разработанного материала ниже импортного в 1,78 раза.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведены патентно-информационные исследования и изучена научно-техническая литература, посвященные вопросам разработки структуры, исследования свойств и применения фильтровальных нетканых материалов. Рассмотрены теоретические основы фильтрации с использованием нетканых материалов различной структуры.

2. Проведен анализ современного состояния производства отечественных и зарубежных ТФНМ. Разработаны технические требования к ТФНМ для фильтрации газовой среды.

3. Разработана структура и технология производства ТФНМ, включающего наружные слои из метаарамидных волокон, тканый каркас из восстановленной ПАБИ пряжи и стекловолокнистый холст.

4. Проведены экспериментальные исследования фильтровальных материалов различных структур, которые показали эффективность использования тканого каркаса из отходов ПАБИ пряжи и стекловолокнистого холста в структуре материала.

5. Анализ результатов предварительного эксперимента позволил выбрать оптимальные технологические параметры материала структуры холст-каркас-холст: поверхностная плотность холстов 220 г/м2 и плотность прокалывания 600 см"2.

6. Анализ результатов основного эксперимента позволил выбрать оптимальные технологические параметры материала структуры холст-холст-каркас-холст: поверхностная плотность холста из стекловолокна 100 г/м2 и плотность прокалывания 600 см"2.

7. Проведена апробация метода Девиса для расчета теоретических показателей воздухопроницаемости и эффективности фильтрации исследуемых фильтровальных материалов. Результаты расчетных показателей коррелируют с экспериментальными.

8. Проведен структурный анализ фильтровальных материалов различного состава с использованием метода световой микроскопии. Определено соотношение фракционного состава пыли и средние статистические значения диаметра частиц на различных слоях фильтровальных материалов.

9. Анализ расчетных и экспериментальных показателей эффективности фильтрации, выявил, что сырьевой состав тканого каркаса не влияет на общую эффективность очистки. Установлено, что введение в структуру фильтровальных материалов дополнительного слоя в виде холста из стекловолокна и опаливание одной из его поверхностей повышает эффективность фильтрации материала.

10. Проведенные сравнительные исследования изменения регенерируемости, эффективности фильтрации, пылеемкости разработанного фильтровального материала структуры холст-холст-каркас-холст с импортным аналогом при многократных циклах регенерации показали, что оба материала выдерживают до 2500 циклов регенерации.

11. Сравнительный анализ фильтровальных материалов и их компонентов показал, что введение в структуру фильтровального материала тканого каркаса из ПАБИ пряжи и холста из стекловолокна повышают его термические свойства.

12. Введение в структуру фильтровального материала тканого каркаса из ПАБИ и холста из стекловолокна, инертного к кислотам и щелочам, снижает потерю массы материала, его прочностных свойств и усадку при термическом старении.

13. Благодаря высокой стойкости к прожиганию, разработанный материал в отличие от импортного аналога может применяться на промышленных производствах, где происходит выброс искр и раскаленных частиц.

14. Проведен сравнительный анализ технико-экономической эффективности разработанного ТФНМ с улучшенными свойствами и импортного аналога, который показал, что себестоимость единицы продукции разработанного материала ниже импортного аналога в 1,78 раза.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

О.О. Ерофеев, Т.Е. Волощик, З.Ю. Козинда. Исследование свойств иглопробивных материалов из термостойких волокон. // Известия высших учебных заведений «Технология текстильной промышленности», № 6, 2010 г. — стр. 46-49 стр.

О.О. Ерофеев, Ю.К. Нагановский, Т.Е. Волощик, З.Ю. Козинда. Сравнительный анализ термических свойств волокон, используемых в материалах для фильтрации высокотемпературных сред. // Известия высших учебных заведений «Технология текстильной промышленности», №4, 2011 г. -24-28 стр.

О.О. Ерофеев, Т. Е. Волощик, Тажкенова А.П. Исследование фильтрующих свойств нетканых материалов из термостойких волокон. // Химические волокна, №2,2010 г. - 36-37 стр.

О.О. Ерофеев, Т.Е. Волощик, З.Ю. Козинда, Ю.К. Нагановский. Исследование влияния факторов эксплуатации на свойства термостойких фильтровальных нетканых материалов. // Химические волокна, №6, 2012 г. -стр.12.

О.О. Ерофеев, Т.Е. Волощик. Исследование свойств нетканых материалов из смеси термостойких волокон. // Сборник научных трудов аспирантов МГТУ им. А.Н. Косыгина, выпуск 15, М., 2009 г. - стр.3

О.О. Ерофеев, Т.Е. Волощик. Термостойкие волокна для производства фильтровальных нетканых материалов. // Сборник научных трудов аспирантов МГТУ им. А.Н. Косыгина, выпуск 16, М., 2010 г. - стр.35

О.О. Ерофеев, Т.Е. Волощик, А.П. Тажкенова. Исследование свойств нетканых фильтровальных материалов из термостойкого волокна Арселон-С. // Актуальность проблемы проектирования технологии нетканых материалов. Сборник научных трудов, посвященных 35-летию кафедры технологии нетканых материалов. М., 2010 г. - стр.39

О. О. Ерофеев, Т. Е. Волощик, 3. Ю. Козинда., С. В. Кузьмин, П. В. Никоноров. Структурный анализ термостойких фильтровальных нетканых материалов методом световой микроскопии. // Нетканые материалы, № 4, 2012 г. - 8-10 стр.

Подписано в печать 16.04.13 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1,0 Заказ № 32 Т Тираж 80

ФГБОУ ВПО «МГУДТ» 117997, Москва, ул. Садовническая, 33, стр.1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ДИЗАЙНА И ТЕХНОЛОГИИ»

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМОСТОЙКОГО ФИЛЬТРОВАЛЬНОГО НЕТКАНОГО МАТЕРИАЛА

Специальность 05.19.02. Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

На правах рукописи

04201356568

ЕРОФЕЕВ ОЛЕГ ОЛЕГОВИЧ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Волощик Татьяна Евгеньевна

Москва - 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................... 6

ГЛАВА 1 - СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ТЕРМОСТОЙКИХ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ НЕТКАНЫХ МАТЕРИАЛОВ.................................................................. 13

1.1 Анализ развития мирового рынка фильтровальных материалов......................................................................... 13

1.2 Анализ выбросов вредных веществ в атмосферу отечественными промышленными предприятиями..............................................13

1.3 Теория фильтрации...................................................... 15

1.3.1. Механизмы процесса фильтрации................................. 15

1.3.2. Теоретические исследования процесса фильтрации........... 20

1.4. Анализ сырьевой базы для производства термостойких фильтровальных материалов................................................... 22

1.4.1 Органические термостойкие волокна................................. 24

1.4.2 Неорганические термостойкие волокна.............................. 31

1.4.3 Элементоорганические термостойкие волокна...................... 32

1.5. Анализ современного состояния производства термостойких фильтровальных нетканых материалов для очистки высокотемпературных газов................................................... 34

1.5.1. Требования, предъявляемые к термостойким фильтровальным нетканым материалам........................................................................34

1.5.2. Анализ структурных показателей термостойких фильтровальных нетканых материалов, влияющих на эффективность очистки..................................................................................................................37

1.5.3. Анализ термостойких фильтровальных нетканых материалов, выпускаемых мировыми и отечественными компаниями............... 39

1.5.4. Обоснование выбора технологии производства фильтровальных нетканых материалов............................................................................45

1.5.5. Анализ влияния поверхностной обработки фильтровальных

нетканых материалов на эффективность очистки......................... 49

1.6. Разработка структуры термостойкого фильтровального

нетканого материала для очистки высокотемпературных газов....... 55

ГЛАВА 2 - МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................. 61

2.1 Планирование экспериментальных работ и анализа полученных результатов............................................................................... 61

2.2 Определение корреляционных математических моделей.............................................................................. 65

2.3 Методы оценки свойств материалов.................................... 69

2.3.1 Оценка структурных и физико-механических свойств фильтровальных нетканых материалов.......................................... 69

2.3.2 Методы оценки фильтрующих свойств нетканых материалов...... 70

2.3.3 Оценка фильтрующих свойств нетканых материалов после регенерации........................................................................... 72

2.4 Исследование фильтрующих свойств, зависящих от структурных характеристик фильтровальных материалов................................... 74

2.4.1 Расчёт воздухопроницаемости и эффективности фильтрации в зависимости от структурных характеристик материалов.................... 74

2.4.2 Проведение исследования фильтровальных материалов с помощью световой микроскопии................................................ 78

2.5 Методы оценки влияния факторов эксплуатации на свойства термостойкого фильтровального нетканого материала................... 80

2.5.1 Оценка термической деструкции фильтровальных материалов с помощью термогравиметрического анализа................................. 80

2.5.2 Определение изменения физико-механических свойств фильтровальных нетканых материалов при термическом старении.............................................................................. 83

2.5.3 Оценка устойчивости термостойких фильтровальных нетканых материалов к действию растворов кислот.................................... 84

2.5.4 Определение стойкости термостойких фильтровальных

нетканых материалов к прожиганию..........................................84

ГЛАВА 3 - РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ТЕРМОСТОЙКИХ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ НЕТКАНЫХ МАТЕРИАЛОВ.................................................................... 86

3.1 Экспериментальное исследование термических характеристик сырья для производства фильтровальных материалов..................... 86

3.2 Исследование влияния технологических параметров на свойства термостойкого фильтровального нетканого материала структуры холст-каркас-холст................................................................. 88

3.2.1 Условия проведения предварительного эксперимента.............. 89

3.2.2 Исследование влияния технологических параметров на структурные свойства термостойкого фильтровального нетканого материала структуры холст-каркас-холст..................................... 92

3.2.3 Исследование влияния технологических параметров на физико-механические свойства термостойкого фильтровального нетканого материала структуры холст-каркас-холст..................................... 96

3.3 Исследование влияния технологических параметров на свойства термостойкого фильтровального нетканого материала структуры холст-холст-каркас-холст........................................................ 104

3.3.1 Условия проведения основного эксперимента........................ 104

3.3.2 Исследование влияния технологических параметров на структурные свойства термостойкого фильтровального нетканого материала структуры холст-холст-каркас-холст............................. 106

3.3.3 Исследование влияния технологических параметров на физико-механические свойства термостойкого фильтровального нетканого материала структуры холст-холст-каркас-холст............................ 111

3.3.4. Исследование влияния технологических параметров на фильтрующие свойства термостойкого фильтровального нетканого

материала структуры холст-холст-каркас-холст............................ 115

ГЛАВА 4 - ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ ТЕРМОСТОЙКИХ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ НЕТКАНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФИЛЬТРАЦИИ........... 122

4.1 Теоретические и экспериментальные исследования эффективности фильтрации используемых термостойких фильтровальных нетканых материалов........................................................................... 122

4.2 Структурный анализ термостойких фильтровальных нетканых материалов методом световой микроскопии................................. 129

4.3 Анализ фильтров при многократных циклах регенерации............ 135

ГЛАВА 5 - ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФАКТОРОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА СВОЙСТВА ТЕРМОСТОЙКИХ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ НЕТКАНЫХ МАТЕРИАЛОВ................. 140

5.1 Исследования термических свойств фильтровальных материалов методом термогравиметрического анализа................................... 140

5.2. Изменения физико-механических свойств при термическом старении............................................................................... 148

5.3. Анализ изменения физико-механических свойств термостойких фильтровальных нетканых материалов при испытании на устойчивость к действию растворов кислот................................... 151

5.4 Исследование стойкости к прожиганию термостойких

фильтровальных нетканых материалов......................................... 152

ГЛАВА 6. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ..................................... 155

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ............................................. 163

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................... 165

ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................................... 174

ВВЕДЕНИЕ

Серьёзной экологической проблемой являются выбросы в атмосферу вредных веществ предприятий чёрной и цветной металлургии, химической промышленности, цементных и асфальтобетонных заводов. Промышленные выбросы фильтруются рукавными фильтрами из термостойких нетканых материалов.

В зависимости от типа промышленного производства температура эксплуатации фильтров колеблется от 90°С до 300°С. Критическим является температурный интервал 250-300°С, и сырьевой состав фильтровального материала должен соответствовать условиям эксплуатации. Для фильтрации в этом температурном интервале используют материалы из волокон с высокой термической устойчивостью.

Во всех областях промышленности нетканые фильтровальные материалы вытеснили тканые фильтры, которые в настоящее время используются в тех отраслях, где по условиям эксплуатации требуются высокая прочность, стабильность структуры и грубая очистка.

Многие отечественные и зарубежные фирмы работают над совершенствованием свойств термостойких фильтровальных нетканых материалов, изменяя состав, структуру, виды отделок и обработок, улучшая тем самым их свойства и расширяя область применения.

Для прогнозирования эксплуатационных свойств и разработки новых видов термостойких фильтровальных нетканых материалов необходим анализ их фильтрующих и термических характеристик, который позволит обоснованно выбрать фильтровальный материал для использования в различных производствах при температуре эксплуатации 250 °С и при ее критических повышениях.

Помимо фильтрующих и термических характеристик, в связи с особенностями промышленного производства, при выборе материала необходимо учитывать химический состав фильтруемой среды. Во время эксплуатации фильтровальных установок необходимо поддерживать

температуру выше точки росы. Падение температуры ниже определенного значения «точки росы» приводит к образованию кислот или липкого слоя пыли, которые разрушают материал, снижая срок службы рукавного фильтра. Это необходимо учитывать при проектировании фильтровальных установок с рукавными фильтрами для повышения их срока эксплуатации.

Актуальность работы

На крупнейших промышленных производствах высокотемпературные выбросы твердых и токсичных веществ в атмосферу фильтруются рукавными фильтрами из различных термостойких волокон зарубежного производства. Несмотря на множество предложений в области разработки термостойких фильтровальных нетканых материалов, на сегодняшний день не существует материала, отвечающего комплексу требований по физико-механическим, фильтрующим и термическим свойствам. Из-за специфики сырья фильтровальные материалы из термостойких волокон очень дорогостоящие.

Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки и исследования структуры и свойств новых видов термостойких фильтровальных нетканых материалов для очистки от промышленных выбросов при температуре 250-300°С.

Внедрение таких материалов позволит заменить дорогостоящие импортные аналоги, обеспечить высокие физико-механические свойства, улучшить фильтрующие и термические характеристики, увеличить устойчивость к термическому старению и кислотостойкость, снизить себестоимость готового материала.

Целью работы является разработка технологии термостойкого фильтровального нетканого материала.

Задачи исследований

Исходя из поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Анализ современного состояния производства термостойких фильтровальных нетканых материалов отечественного и зарубежного производства;

2. Анализ патентов и научных трудов, посвященных вопросам разработки структуры, исследования свойств и применения фильтровальных нетканых материалов;

3. Исследование теоретических основ фильтрации с использованием нетканых материалов различной структуры;

4. Разработка технических требований к термостойким фильтровальным нетканым материалам для фильтрации твердых частиц;

5. Разработка структуры термостойких фильтровальных нетканых материалов с использованием дополнительных компонентов;

6. Разработка технологии производства термостойких фильтровальных нетканых материалов;

7. Проведение экспериментальных исследований фильтровальных материалов с использованием современных методов и средств;

8. Анализ полученных результатов исследований и оптимизация технологических параметров термостойких фильтровальных нетканых материалов;

9. Апробация метода Девиса для определения теоретических значений эффективности фильтрации и воздухопроницаемости фильтровального материала с целью повышения его эксплуатационных свойств;

10. Сравнительные экспериментальные исследования фильтровальных материалов различной структуры, определяющие влияние структурных характеристик и видов обработки на их фильтрующие свойства;

11.Исследование структуры термостойких фильтровальных нетканых материалов после пропускания кварцевой пыли с помощью методов световой микроскопии;

12.Сравнительный анализ термической устойчивости разработанного термостойкого фильтровального нетканого материала и импортного аналога,

изменения их физико-механических свойств в условиях термического старения и действия растворов кислот;

13.Исследование регенерируемости, эффективности фильтрации, пылеемкости фильтровальных материалов из термостойких волокон при многократных циклах регенерации;

14. Сравнительный анализ технико-экономической эффективности разработанного термостойкого фильтровального нетканого материала с улучшенными свойствами и импортного аналога;

15.Разработка технических условий и технологического регламента изготовления термостойкого фильтровального нетканого материала.

Методы исследования

В работе использовались стандартные и нестандартные методики исследования физико-механических, функциональных и эксплуатационных свойств волокон и термостойких фильтровальных нетканых материалов.

В процессе исследования влияния технологических параметров на свойства фильтровальных материалов из термостойких волокон применялись современные методы математического планирования и анализа эксперимента Статистическая обработка полученных результатов проводилась с использованием пакета прикладных программ.

Для расчёта теоретических значений эффективности фильтрации и воздухопроницаемости фильтровальных материалов применена методика, предложенная Девисом. Исследование структурных характеристик фильтровальных нетканых материалов проводилось методами световой микроскопии.

Для определения термической устойчивости полимеров использован термогравиметрический метод. Изменение физико-механических свойств термостойких фильтровальных нетканых материалов при термическом старении определялось косвенным методом, и при действии растворов кислот - по стандартной методике. Для исследования регенерируемости,

эффективности фильтрации и пылеемкости при многократных циклах регенерации использовался ГОСТ 8002-74.

Научная новизна работы

- разработана технология термостойкого фильтровального нетканого материала;

- проведена оптимизация технологических параметров фильтровальных нетканых материалов из термостойких волокон;

- выведены математические зависимости, характеризующие влияние технологических параметров на физико-механические, структурные, фильтрующие и термические свойства фильтровальных нетканых материалов из термостойких волокон;

- разработана структура термостойкого фильтровального нетканого материала с использованием дополнительных компонентов;

- проведена апробация метода Девиса и разработана программа расчета теоретических значений эффективности фильтрации и воздухопроницаемости фильтровального материала;

- проведен корреляционный анализ полученных расчетных и теоретических значений эффективности фильтрации и воздухопроницаемости фильтровальных материалов;

- проведена комплексная оценка свойств термостойких фильтровальных нетканых материалов различных структур, влияющих на их эксплуатационные характеристики;

- подана заявка на патентование термостойкого фильтровального нетканого материала.

Практическая значимость работы

- разработанная технология термостойкого фильтровального нетканого материала позволяет сократить затраты на сырье, улучшить его фильтрующие и термические свойства и сделать его более доступным для использования на отечественных асфальтобетонных и цементных производствах;

- разработаны технические условия и технологический регламент производства термостойкого фильтровального нетканого материала;

Использование разработанного термостойкого фильтровального нетканого материала позволяет:

1) Заменить дорогостоящие зарубежные фильтровальные материалы;

2) Обеспечить высокие физико-механические свойства фильтров, улучшить их фильтрующие и термические характеристики по сравнению с зарубежными аналогами;

3) Повысить ресурс работы фильтра за счет увеличения устойчивости к термическому старению и кислотостойкости по сравнению с зарубежными аналогами;

4) Снизить себестоимость по сравнению с зарубежными аналогами в 1,78 раза.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: IV Международном симпозиуме по �