автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Совершенствование технологий производства фильтровального картона для тонкой очистки воздуха

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

Глухова Ирина Анатольевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОПЙ ПРОИЗВОДСТВА ФИЛЬТРОВАЛЫЮП) КАРТОНА ДЛЯ ТОНКОЙ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА

05.21.03. Технология и оборудование химической переработки древесины; химия древесины

. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1992

Работа выполнена на кафедре целлюлозно-бумажного производства

Санкт-Петербургской лесотехнической академии.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Чижов Г.И.

Официальные оппонента Ведущая организация

- доктор технических наук, профессор Калинин H.H.

- кандидат технических наук,

Каган М.Р.

- ПО "Кировбумпром"

Защита диссертации состоится "ЛУ" Л1 .199Д, г.

в пцзс* дасов на заседании специализированного совета Д 063.50.02 в Санкт-Петербургской лесотехнической академии(194018, Санкт-Петербург, Институтский пер.,5, 2 уч.здание,библиотека кафедры целлюлозно-бумажного производства).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Лесотехнической академии.

Автореферат разослан "11".... / 199&J.

Ученый секретарь

специализированного совета V^Sß^v. Д.А.Пономарев

РОССИЙСКАЯ Гвг^ I

| дес-1

БИЬЛИОТККА ~ 3.

ОБЩАЯ ХАРА1С1ЕРЙС1ИКА РАБОТЫ

А^туадьдос^, раб,о,та. Во многих отраслях народного хозяйства-электронной,радиотехнической,атомной,медико-биологической и других-существуют высокопрецизионные технологии,которые предъявляют особые требования к чистоте воздуха,используемого в качестве технологической среда,и воздуха рабочих помещений,а в ряде случаев и воздуха,выбрасываемого в атмосферу. В частности,при изготовлении электронной и радиотехнической аппаратуры воздух рабочих помещений - "чистых комнат" - не должен содержать частицы размером 0,3-0,1 мкм. Лишь при такой чистоте воздуха возмокно получение высококачественной аппаратуры. Достичь требуемую степень чистоты воздуха возмокно путем его фильтрации через волокнистые фильтр-материалы. В настоящее время фильтрующие материалы для очистки воздуха изготавливаются на основе целлюлозы и асбеста с добавками других минеральных волокон. Эти материала обеспечивают очистку воздуха от часгвц размером 0,3 мкм с эффективностью очистки 99,999$. Эти материалы горючи и пылят,что вызывает вторичное загрязнение фильтруемой среды.

Пылимость материала вызвана их низкой механической прочностью. В этой связи является актуальным создание высокоэффективного фильтрующего материала с повышенной механической прочностью. Цедь, к .зрдачд иссдадовандо. Целью настоящей работы является разработка технологии фильтрующего материала с повышенной механической прочностью из минеральных во локонС стеклянных и базальтовых)для высокоэффективной очистки воздуха от частиц размером 0,3 мкм.

Для достижения поставленной цели необходимо: -обосновать выбор подходящего связующего Д7оя минеральных волокон; -определить влияние наиболее значимых технологических факторов на эффективность выбранного связующего;

-исследовать структурно-деформативные свойства фильтрующих материалов нз основе минеральных волокон.

Научная новязиа. Доказана целесообразность применения продуктов пиролиза соединений алюминия для повышения прочности материалов из стекловолокна. Показано,что применение соединений алюминия в сочетании с поливинилспиртовыш волокнами приводит к повышению механических и фильтрующих характеристик материала. Определено,что двухслойное формование материала из стекловолокон способствует улучшению физико-

механических свойств фильтрующего материала. Изучено влияние отек-* ля иных волокон на деформационные свойства материала. Предложен способ оценки механических и деформационных свойств материала»основанный на определении в них дефектов,а такаю показана возможность применения "теории протекания" для оценки геометрических параметров структуры фильтрующего материала.

Цдактичеррая, здадоюсть. Получены результаты,используемые при изготовлении опытного образца фильтрующего материала для тонкой очистки воздуха.

Апрп(1птти|я работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили положительную оценку на научно-технических конференциях ЛТА. им.С.М.Кирова(1987-1989г.г.),на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы развития композиционных видов бумаги и, картона и изделий из них" (г.Киев, 1989г.)

Ду.бликрдар. По результатам исследований опубликовано 5 статей, по лучено три авторских свидетельства.

Стпуктупэ иоб^ерл диссецт,адщ1. Диссертационная работа изложена на 196 е.,состоит из введения,шести глав,выводов,библиографий из 117 наименований и приложений. Работа включает в себя 24 рисунка и 29 таблиц.

Ошаш. лоламша..вн№.<?имиз.. та- ,ши,тт:

1.Результатн исследований по использованию соединений алюминия для упрочнения фильтровального картона из минеральных волокон.

'¿.Результаты исследований по использованию волокон поливинилового спирта в сочетании с добавками соединений алюминия для упрочнения фильтрующего материала из минеральных волокон.

3.Результаты исследований преимуществ двухслойного отлива фильтрующего картона в сравнении с однослойным.

4.Результаты исследования структурно-деформационных характеристик фильтрующего картона из минеральных волокон.

О

г* иоо

о

а «X -Г <0

3 X о г,2

с= 1.11

н X

3 =* 05

£ ГТ1 О Щ

» / ' / / ч г

/ » /

/ >

/ / /

/ £ /

и

Рис.3. Влияние диаметра стеклянных волокон на коэффициент проницаемости фильтрующего материала

1 - длина исходных волокон

3 мм;

2 - длина исходных воло-

кон 5 мм

О 0.1 ОД 0.5 ОЛ 0,5 0,6 0,7 0,8 0.9 1А

Янлметр волокон, мкм

В качестве связующих добавок использовались растворы алюмината натрия, сульфата и хлорида алюминия. Продолжительность контакта соединений алюминия с волокнистой массой,по установлении требуемого рН,составила 10 мин, рН отлива равнялся 8,расход соединений алюминия -10% (в ед. )к массе волоком.

Результаты испытаний полученных образцов фильтр-картона представлены в табл.1.

Таблица I

Влияние природы соединений алюминия на прочность фильтр-материала из стеклянных волокон

Диаметр волокна, мкм Предел прочности на разрыв,МПа

контрольный образец ыа леог легфо4), же6

0,25 0,441 0,58 0,49 0,56

0,6 0,058 0,22 0,14 0,27

0,9 0,052 0,37 0,31 0,38

Из табл.1 следует,что добавки соединений алюминия значительно повышают прочность материалов из минеральных волокон. При этом наибольший абсолютный,но наименьший относительный прирост прочности наблюдается у образцов,изготовленных из микротопких стеклянных волокон диаметром 0,25 мкм. Предел прочности увеличивается при использовании

в качестве добавки алюмината'натрия в 1,31 раза.а сульфата и хлорида алюминия - в 1,11 и 1,27 раза соответственно. Аналогичная зависимость прослеживается и для материалов из болов грубых ультра-и супертонких волокон диаметром 0,6 и 0,9 мкм.

Следующая серия экспериментов была поставлена для выяснения влияния рН среды,расхода и природы добавленных в массу соединений алюминия на прочность и фильтрующие характеристики материала из минеральных волокон. При проведении экспериментов был использован метод факторного планирования. В качестве независимых переменных были выбраны следующие параметры: Х^- - диаметр волокна,мкм; Л2 - рН волокнистой массы при отливе; Хд - расход соединений алюминия,^. В качестве зависимых переменных были выбраны: У1 - предел прочности на разрыв при растяжешш.МПе; у^ - сопротивление потоку воздуха,мм вод.ст.; У3 - коэффициент проницаемости,

В результате математической обработки экспериментальных данных на ЗИЛ "Искра-555" подучены уравнения регрессии,переменные в которых приведены в кодированных единицах. В случае использования в качестве связующего минеральных волокон алюмината натрия уравнения регрессии имеют вид:

У| = 2,226 + 1,015 Хх -1,056 % + 0,249 Ц + + 2,591X5 - 0,815 Х^ _ 1,532 Х32 + + О.ОвЗХ-^ + 0,083 ХХХ3 - 0,433 Х2Х3

= 0,912 - 13,475 Х2 + 0,31 Х2 - 0,28Х3 + +19,42 Хх2 - 7,062 Х22-7,312Х32 - 0,65 Х^ +

+ 0,525 Х^ - 0,575 Х^д У а= 14,348 + 2Д01Х-,- - 0,75X2-- 1,21Х3 -

-14,288 Хх2 + 0Д5£ х22 - 1,151 Хд2 - 0,437 Х^ +

+ 0,637 Хз-Хд - 0,532 При замене алюмината натрия на сульфат алюмидия уравнения регрессии приобретают следующий вид:

У1° = 1,452 - 0,917 - 0,231 Ц + °'292 Х3 +

+2,563 Хх2 - 1.001 Х22 - 1,036 Х^-0.034 ХХХ2 -43,091 ХХХ3 - 0,224 Х^д

' , э* = 4 + 12,3 Xj + 0,49 х2 + 0.36 Х3 + 14,6 X-j-2 -

-1,85 _ it9Xg2 - 0,825 Х^ + 0,05 XjXg-

-0,275 XjjXg

У3° =4,803 + 0,07 Xx + 0,099 Xg-0,263 --4,688Xj2 - 1,303X2-? + 1,296 Xg2 _ -0,04 XjXg + 0,022 XgXg

При использовании в качестве связующего хлорида алюминия уравнение регрессии примет вид:

Yf = 2,662 - 0,892 Хг - 0,071 X.¿ + 0,171 Х3 +

+2,079 Xj2 - 1,224 X¿2 - 1,388 X32 + 0,221 X-^ + 0,085 XjXg + 0,234 XgXg

yx = 11,956 - I4.82Xj-0.IX2 + 1.692 X3 + + 21,993 Xj-2 - 9,606 Xj2 + 9,456 X32 + + 0,462 X^ - 1,912 Xj-з - 1,187 XgXg

Был исследован диапазон значений рН 4-12,то есть диапазон,в котором существуют полигидроксокомплексн алюминия. Практически во всем исследованном диапазоне значений рН добавки соединений алюминия приводят к упрочнению мате риала,которое решающим образом зависит от величины рН массы при отливе.

Для алюмината натрия диапазон рН,в котором наблюдается наибольший рост прочности.приходится на 5,6-7,2,хлорида алюминия 6,4-8,5,а сульфата алюминия - 6,4-8,5.

Образование структур типа волокно-гидроксид-волокно происходит благодаря вовлевенкю .¡поверхностных гадроксвдов стекловолокна во внутреннюю координационную сферу алюминиевого комплекса,что приводит к ускоренному нарастанию прочности.

Фильтрующие характеристики картона также зависят от рН среды. С увеличением прочности материала растет и его аэродинамическое сопротивление. Из опробованных соединений сульфат алюминия дает на единицу прироста прочности материала наименьший прирост сопротивления потоку воздуха,то есть обладает наиболее удачным для фильтр-материала сочетанием свойств. По этой причине в ходе исследований в качестве упрочняющей добавки использовался сульфат алюминия. Эффект от добавки в массу любого связующего будет зависеть от его расхода. При использовании в качества связующего алюмината натрия,фильтр-кар-

тон из микротошшх волокон диаметром 0,25 мгаз имеет наибольшую прочность при расхода связующего 5-12%,а материал из волокон диаметром 0,3 мил - при расходе связущего 3-12Йчрис.4). Дальнейшее увепичо -;шя расхода связующего приводит к снижению прочности материала. При использовании в качестве упрочняющей добавки сульфата алюминия макси му:,.' прочности материала соответствует расходу 8~125»( рис.5). При использовании хлорида алюминия наибольшее увеличение прочности имеет место при расходе о-14$(рис.6).

Стеклянное волокна вступают во взаимодействие с продуктами гидролиза соединений алюминия своими поверхностными гидроксилами. Расход соединений алюминия,при котором все поверхностные ОН-группы стеклянных волокон вовлечены в координационную связь,соответствует моменту насыщония и обеспечивает максимальный прирост межволоконного взаимодействия. До момента насыщения соединения алюминия выступают ка;: активное связующее стеклянных волокон,а сверх оптимального количества гидроксид будет играть роль инертного наполнителя. Чем больше будет избыток гидроксида,том в большей степени будет снижаться прочность материала.

Дальнейшее увеличение прочности фильтровального материала на осн ве стеклянных волокон возмогло при использовании в его составе допоя нителышх компонентов,например,волокон поливинилового спирта(ПВС). В ходе проведения экспериментов было установлено,что добавка волокон ПВС оказывает существенное влияние на прочность и фильтрующие характеристики материала,что мокно объяснить образованием дополнительных связей между волокнами. В результате обработки на ЭШ эксперименталь ных данных получена модель из трех уравнений,адекватно описывающих процесс.

У =4,421 - 1,981 Хх + 0,342 I, + 1,377 Хд + +1,505 X2 - 0,879 Х22 _ 0,454 Хд2 + -г 0,558 Х^ _ о,576 Х1Х3 _ 0,278 Х2Х3

У2 = 5,825 - 27,795 Х-^+О,? Х2+ 12,06)^ +

+ 26,9 Х^.огб Хх2 - 0,625 Хд2 - 0,825 Х^ --13,725 Х1Х3 + 0,475 Х2Х3

У3 = -0,661 + 6,598Х1 - 0,991 Х2 - 3,496 Хд +

+ 2,368 х| + 2,796 Х| + 3,521 Х§ - 0,577 ХЛ -- 3,815 Х^Хд + 0,587 Х^д

о с £

24 6 » 10 « Л 16 18 20

Рясход АЕ203,'/.

но.4. Зависимость прочности и фильтрующих характеристик картона из стеклянных волокон от расхода алюмината4 натрия

а ..

I ■ • з" . 5- > • 1 V * о ■ 5 з- с о» ■ | 2. < ■ 5 1- а • с о ел ■ т. ■ 0.70 а • 2 о,(б < X ■ ? 0.12 и 0 1 ою с • 5 цо1 а> а.

с

? 7 < * С

/ V

Г 1

2 <» 6 8 (0 12 И 16 (& 20

Расход. Нг03 Д

.5. Зависимость прочности и фильтрующих характеристик картона из стеклянных волокон от расхода сульфата алюминия

г И 8 10 (2 № 16 18 20 расход амэд

Рис.6. Зависимость прочности и фильтрующих характеристик картона из стеклянных волокон от расхода хлорида алюминия

В табл.2 дана сравнительная характеристика материала с добавкой к без добавки ПВС в композицию фильтр-картона.

Таблица 2

Влияние добавки ПВО на прочность фильтрующего материала из стеклянных волокон

Диаметр Масса Предел прочности на разрыв,Ша

волокна, мкм I м2, г без связующего рП=8 прирост прочности рН=8 ПВС=0,2/£ прирост прочности

0,25 200 0,0541 0,535 0,481 0,781 0,246

0,9 201 0,0052 0,268 0,263 0,306 0,038

Даже небольшой количество ПВС - 0,2$ - увеличивает прочность материала из волокон диаметром 0,25 мкм в 1,5 раза по сравнению с образцами,упрочненными только добавками сульфата алюминия и в 1,2 раза у материала из волокон диаметром 0,9 мкм.

Полученный эффект.по всей вероятности,достигается не только тем,

что волокна поливинилового спирта термоплавки и в процессе сушки образуют пленку,которая склеивает стеклянные волокна,но и тем,что спиртовые гидроксшш,также,как и гидроксилы,находящиеся на поверхности стекловолокна,вовлекаются во внутреннюю координационную сферу алюминиевого комплекса,повышая суммарную энергию связи. Больший

рочняющий эффект микротонких волокон можно отнести,по всей вероят-зти.за счет более развитой поверхности и плотности их упаковки в аниде объема материала.

Наиболее надежным приемом изготовления фильтрующего материала равномерной микропористой структурой является способ многослойного пива. Как правило.многослойный материал,изготовленный из того же покна.что и однослойный,при той же массе I м2 оказывает в 1,2-1,5 за менше сопротивление току воздуха,чем однослойный при одинако-л качестве фильтрации.

Нами был поставлен эксперимент с целью получения переменно-пористо фильтр-материала из минеральных волокон. Материал изготавливал-сппсобом двухслойного отлива. Один слой изготавливали из микротон-t стеклянных волокон диаметром 0,25 мкм. В этот слой не вводились хакие добавки,и он являлся слоем для тонкой фильтрации. Во второй зй минеральных стеклянных волокон(слой грубой фильтрации) вводились 5авки поливинилспиртовых волокон в количестве 0,2-2,5% от массы аб-1ЮТно сухих волокон и раствор сульфата алюминия в количестве 1-10% ед. ).

Благодаря такому подходу удалось сочетать в фильтр-картоне свой-ва материалов на основе микротонких во локон-высокую прочность и мао проницаемость - со свойством материала на основе грубых волоконное аэродинамическое сопротивление. Отношение массы слоя из тонких юкон к массе слоя из грубых волокон варьировали в пределах 1:1, 2. ,1:3 ,при неизменной массе I м2 материала - 200 г. рН волошшс-1 массы при отливе слоя из грубых волокон поддерживали равным 8.

При достаточной прочности материала,полученного способом двухслойно отлива,его аэродинамическое сопротивление уменьшается в 5-8 раз сравнению с материалом.изготовленным из волокон диаметром 0,25 мкм.

В переменно-пористом материале слой,образуемый волокнами диамет-л 0,25 мкм,выполняет двоякую роль: является армирующим слоем и спо-Зствует образованию мелкопористой структуры материала.

Дальнейшие эксперименты были направлены на исследование структур--деформационных характеристик материала на основе минеральных воин. При невысоких значениях напряжения материал ведет себя гак упру-

э тело.и структура его характеризуется модулем упругости, яьнейшнй рост прилагаемого напряжения приводит к замедленно-упругой формации. Появление пластической деформации зависит от вида и эфйек-зности действия связующей добавки.

В ч,е,твр.р.трк дддв,а излокены результаты проведения опытной выработки фильтр-картона из стекловолокна с использованием соединений алюминия в качестве упрочняющей добавки,которая показала,что использование соединений алюминия в качестве связующей добавки способствует росту прочности материала из стеклянных волокон.

ВЫВОДЫ

1.Установлена взаимосвязь фильтрующих и механических свойств материала с геометрическими параметрами минеральных волокон. Определено изменение фильтрующих свойств материала в процессе фильтрации.

2.Показана целесообразность применения в качестве упрочняющей добавки для фильтрующего материала из стеклянных волокон соединений алюминия.

3.Установлено,что совместное использование поливинилспиртовых волокон и сульфата алюминия приводит к повышению прочности материала без ухудшения его фильтрующих характеристик.

4.При совместном применении соединений алюминия и поливинилспиртовых волокон оптимапьшй расход составляет 8-12р(в ед. )в диапазоне рЯ 7,5-8,5, расход волокон ПВС - 1,2-1,5$.

5.Двухслойное формование стокловолокоиного материала позволяет повысить как фильтрующие характеристики,так его механическую прочность.

6.Установлена взаимосвязь деформационных свойств материала с геометрическими размерами стеклянных и базальтовых волокон.

7.11оказана возможность определения дефектов(сквозных отверстий) для оценки характеристики структуры материала по его механическим и деформационным свойствам.

Ь.Показана возможность применения "теории протекания" для оценки геометрических параметров структуры фильтровального материала!

Основные положения диссертации содержатся в следувдих публикациях:

1.И.А.Глухова,Г.И.Чижов. Фильтровальный картон для тонкой очистки воздуха.-В кн. Технология бумаги и картона: Мэквуз.сб.научн.тр., Л.,ЛТП ЦБП,1989,ст.99-103.