Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ литературных источников 8
1.1 Типы механизмов фильтрации 9
1.1.1 Механизмы фильтрации макроуровня 9
1.1.2 Механизмы фильтрации микроуровня 13
1.1.3 Эффективность механизмов фильтрации 14
1.2 Фильтрационные характеристики фильтровальных материалов 18
1.2.1 Пористость фильтровальных материалов 18
1.2.2 Качественные фильтрационные характеристики 20
1.3 Модели и закономерности фильтровальных материалов 23
1.3.1 Модели фильтров 23
1.3.2 Влияние размера частиц на механизм фильтрации 28
1.4 Выводы 30
2 Существующие методы оценки качества фильтровальных материалов 32
2.1 Общие положения 32
2.2 Объекты исследования 33
2.3 Изготовление лабораторных образцов 35
2.4 Оценка качества воздушных фильтров 37
2.4.1 Характеристики воздушных фильтров 37
2.4.1.1 Расчет пористости 37
2.4.1.2 Метод определения эффективности фильтрации
2.4.2 Прочностные характеристики 42
2.4.3 Методы оценки структурных характеристик
2.4.3.1 Анализ качества формования бумаги 44
2.4.3.2 Определение анизотропии минеральноволокнистых материалов 45
2.5 Методики исследования геометрических размеров минеральных волокон 47
2.6 Статистическая обработка результатов. 49
3 Экспериментальная часть 50
3.1 Установление механизмов фильтрации 50
3.1.1 Исследование метода определения эффективности фильтрования 50
3.1.2 Определение пористости 53
3.2 Влияние длины волокна и композиции на характеристики структуры и качества высокоэффективных минеральноволокнистых материалов 56
3.2.1 Влияние длины волокна на структуру материала 56
3.2.2 Влияние композиции на эффективность фильтрования 67
3.2.3 Влияние массы 1 м2 на эффективность фильтрации
3.3 Влияние анизотропии на потребительские свойства 87
3.4 Сравнительная характеристика разработанных минеральноволокнистых фильтровальных материалов и существующих аналогов 99
4 Практическое применение 103
Общие выводы 109
Список литературы 111
- Механизмы фильтрации микроуровня
- Модели и закономерности фильтровальных материалов
- Метод определения эффективности фильтрации
- Влияние композиции на эффективность фильтрования
Введение к работе
Актуальность темы. Наиболее современные и прогрессивные отрасли науки и техники основаны на чистых технологиях, которые пользуются в передовых странах серьезной государственной поддержкой. Чистые технологии направлены на снижение и (или) предотвращение загрязнений окружающей среды. Включают в себя проектирование и выпуск основного оборудования, приборов, фильтров ЕРА, НЕРА и ULPA, материалов для них и т.п. Акцентируя внимание на фильтровальных материалах классов очистки ЕРА, НЕРА и ULPA, отметим, что в России развитие данных бумагоподобных технологий находится на начальной стадии и ориентировано в большей степени на заимствование информации от зарубежных партнеров. Темпы развития существующей научной базы получения фильтровальных материалов по бумажным технологиям основываются на комплексном подходе: исследование структуры высокоэффективных фильтровальных материалов классов ЕРА, НЕРА и ULPA, моделирование материалов с заданными эксплуатационными свойствами, разработка и описание технологии их получения.
Известно, что фильтровальные материалы отличаются тонкой капиллярно-пористой структурой, при этом закономерности влияния структуры на потребительские свойства данных материалов раскрыты не полностью. Данная работа посвящена научному обоснованию закономерностей влияния структуры фильтровальных материалов на эффективность фильтрации и другие потребительские свойства высокоэффективных минеральноволокнистых материалов.
Цель и задачи исследования. Цель – установить закономерности влияния капиллярно-пористой структуры на фильтрующие свойства высокоэффективных минеральноволокнистых материалов для очистки воздуха.
Для достижения цели поставлены и реализованы следующие задачи:
1. Установить механизмы фильтрации для высокоэффективных минерально-
волокнистых материалов.
-
Исследовать влияние длины волокна и композиции материала на характеристики структуры и качества высокоэффективных минеральноволокнистых материалов.
-
Изучить анизотропию структуры и ее взаимосвязь с потребительскими свойствами фильтровальных материалов.
-
Оценить области практического использования и разработать рекомендации по применению высокоэффективных фильтровальных материалов из стеклянных и базальтовых волокон.
Научная новизна. Установлено определяющее воздействие механизмов фильтрации: касания, диффузии и инерционного захвата частиц для минераль-новолокнистых фильтровальных материалов. Установлено преобладание механизма касания и диффузии над механизмом инерционного захвата частиц при увеличении расхода воздуха свыше 10 л/мин. Предложено использовать размер наиболее захватываемых частиц (MСPS) для косвенной оценки преобладающих механизмов фильтрации. Установлен нелинейный характер взаимосвязи пори-
стости и эффективности фильтрации, основанный на способности высокопористых материалов удерживать большее количество загрязняющих частиц (сорб-ционная емкость) при одновременном увеличении вероятности проскока частиц через сверхвысокопористые материалы.
Впервые установлен уровень анизотропии высокоэффективных минерально-волокнистых материалов классов HEPA и ULPA не превышающий 1,6 по показателю TSIMD/CD. Экспериментально подтверждено наличие тесной связи прочностных характеристик с показателями анизотропии.
Практическая ценность. Разработаны рекомендации по применению мине-ральноволокнистых материалов: в качестве высокоэффективных фильтровальных материалов для средств индивидуальной защиты органов дыхания (СИ-ЗОД); фильтровальных и (или) сепарационных материалов для систем вентиляции и охлаждения воздуха, в том числе для агрегатов косвенно-испарительного типа (подтверждено актом об опытно-промышленной выработке материалов и актом об использовании); для фильтров очистки горячих газов и экранов для локализации низовых лесных пожаров (подтверждено актом испытаний). Сформулирован комплекс требований к материалам, применяемым в данных областях использования. Проведен сравнительный анализ разработанных фильтровальных материалов с существующими аналогами по основным качественным и структурным характеристикам.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на Международной научной конференции «Наноструктурные волокнистые и композиционные материалы» (Санкт-Петербург, 2012 г.); II Всероссийской (XVII) молодежной научной конференции «Молодежь и наука на Севере» (Сыктывкар, 2013 г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов» (Архангельск, 2013, 2015 гг.); VIII Всероссийской научной конференции «Химия и технология растительных веществ» (Калининград, 2013 г.), а также ежегодной научно-технической конференции профессор-ско-преподавательского состава САФУ (Архангельск, 2013-2014 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя: введение, анализ литературных источников, существующие методы оценки качества фильтровальных материалов, экспериментальную часть, включающую 4 раздела, практическое применение, общие выводы, список использованных источников. Содержание работы изложено на 128 страницах, включая 75 рисунков и 24 таблицы, библиографический список содержит 139 наименований.
Механизмы фильтрации микроуровня
Фильтрация по типу скопа. Особенностью данного типа фильтра является образование тонкого слоя скопившихся частиц на поверхности фильтра, который действует как дополнительный фильтрующий слой [13, 14]. В случае если частицы (или часть из них) более крупные по размеру, чем поры, т.н. фильтрационный скоп может привести к началу процесса поверхностной фильтрации. Также фильтрационный скоп может образовываться, когда все частицы меньше, чем поры (до 8 раз меньше, чем диаметр пор), особенно если концентрация твердых частиц относительно высокая (более 2 % по массе) [15]. Это случается при образовании мостов частиц поперек входов в поры, которые образуют основу, на которой скоп будет расти, как показано на рисунке 1.4.
Следовательно, вторая цель фильтрации полностью отражена в последнем механизме фильтрации. Этот процесс является особенно важным для некоторых химических процессов, т.к. образующийся скоп может быть ценен и его сбор является целью процесса [17]. Такие фильтры исполняются по типу рукава [16], а образовавшийся внутри слой скопа становится фильтрующим слоем, при этом сам фильтровальный материал служит основой. Например, для сбора пыли (или другого материала) служат фильтры при очистке потока способом импульсной и обратной тяги [18], которые позволяют легко отделить скоп и заново использовать фильтр.
В работе [19] установлено, что любой процесс фильтрации будет включать два и более рассмотренных механизмов. Несколько процессов фильтрации будут быстро «наполнять» фильтр, т. к. поры будут быстро забиваться частицами.
С другой стороны механизмы фильтрации могут привести к захвату мелких частиц крупными порами [20]. Реальный механизм (или комбинация механизмов) подходит к любому частному случаю и зависит от характеристик и фильтра, и удерживаемых частиц аэрозоля [21]. Различие между четырьмя базовыми механизмами по двум категориям практической фильтрации, приведены в таблице 1.1.
Роль механизмов фильтрации в практической (прикладной) фильтрации (с – старшая роль, м – младшая роль) [22] Механизм Роль фильтра Очистка (приборка) Фильтрация Поверхностное притяжение м с Глубинный захват с Глубинный захват с Фильтрационный скоп с м Результаты работы [23] показали, что новый фильтр или только что очищенный будет пропускать частицы независимо от типа аэрозоля. Чистота и качество фильтрата будут прогрессивно улучшаться, как только характеристики фильтровального материала поменяются за счет заполнения пространства частицами между слоями фильтра и на его поверхности [24]. Как только в соответствии с механизмом глубинной фильтрации будет заполнено внутреннее пространство фильтрующего материала, начнется фильтрация по типу поверхностной фильтрации или скопа.
Механизмы, представленные на рисунках 1.1–1.4, являются вариантами основной группы фильтрационных процессов, в которой все среды проходят через фильтровальный материал в одну сторону. Это традиционный путь, по которому проводится процесс фильтрации. В настоящее время существует альтернативный процесс [25], достаточно значимый в промышленности, осуществляемый в результате перпендикулярного ввода неосновного потока частиц в основной поток среды (воздуха), проходящий через фильтр. Таким образом, частицы задерживаются на обратной стороне фильтра, в значительной степени выдуваясь основным потоком среды, который обычно рециркулирует в данном процессе. Такая техника называется «фильтрация поперечного потока» (тангенциальная или параллельная фильтрация) [26].
Основная часть теорий, касающихся фильтровальных материалов, основана на механизме глубинной фильтрации захвата или осаждения [1, 2, 4]. Механизмы фильтрации на уровне взаимодействия частицы и волокна, представляющие процесс фильтрования, изображены на рисунке 1.5. 1. Процесс инерционного осаждения. Инерционное осаждение возникает, когда инертность частицы достаточно высока, чтобы вырваться из потока воздуха и притянуться к волокну. 2. Процесс касания. Этот механизм возникает в случае, когда частица не имеет достаточной инертности, чтобы вырваться из потока фильтруемой среды, однако при прохождении частицы рядом с волокном естественные силы притяжения заставляют частицу присоединиться к нему. 3. Процесс диффузии. Диффузия основана на броуновском движении частиц маленького диаметра ( 0,5 мкм). Эти случайно-вероятностные движения могут стать причиной возможного захвата частиц волокнами. 4. Процесс электростатического притяжения. Данный механизм притяжения основан на электрическом или электростатическом заряде частицы и/или волокна, который будет заставлять частицу отклоняться от потока и присоединяться к волокну. Более подробное объяснение данного механизма дано в следующем разделе.
Изучение теорий захвата частиц показало значимость влияния размера частиц на проявление механизмов фильтрации. Н.А. Фукс в работе [27] указал, что частицы небольшого размера приводятся в действие броуновским движением и становятся объектом захвата под действием диффузии [28]. Крупные частицы обладают большим инерционным импульсом, соответственно у них больше вероятность вырваться из потока среды и быть захваченными силой инерции. Частицы среднего размера 0,04– 0,4 мкм еще достаточно большие для обеспечения диффузионного эффекта захвата, но уже малы, чтобы иметь достаточный импульс для проявления инерционного механизма [29]. Этот размер частиц наиболее трудный для захвата несколькими фильтрационными механизмами одновременно. Размер таких частиц обозначается показателем MPPS (most penetrated particle size – размер наиболее проникающих частиц) [30].
Рассмотренные механизмы осаждения частиц на волокне могут быть охарактеризованы следующими показателями: эффективность инерционного захвата EI, эффективность касания ER, и эффективность диффузии ED [31]. По мнению автора [32], электростатическое притяжение не всегда логично включать в расчет, т.к. вероятность проявления данного механизма среди фильтровальных материалов различна. Минеральноволокнистым материалам механизм электростатического притяжения несвойственен по причине относительно нейтрального заряда волокон [33], в отличие от целлюлозных волокон. На вопрос о заряде частиц аэрозоля более информативно отвечает теория распределения заряда частиц Н.А. Фукса [27].
Многие исследователи [36, 37] пренебрегают инерционными механизмами или рассчитывают их в паре с механизмами касания, таким образом, рассчитывая ERI. При исследовании тонкой фильтрации фильтровальных процессов [36] было предположено, что инерционный процесс при нормальной скорости фильтрации не является самым важным и им можно пренебречь для большинства моделей фильтров. С. Дэвис ввел показатель EDR – общая эффективность одиночного волокна E [34], обусловленная эффектом диффузии и касания в поле потока Кувабары [38]: EI = ED + ER + EDR df ; (1.1) E = ED + EDR + EREI. (1.2) где –индекс фильтрации, м-1; – уплотненность, м3/м3; df - диаметр волокна, м; - вектор скорости, м/с.
Модели и закономерности фильтровальных материалов
Эффективность фильтрующего материала оценивали согласно ГОСТ Р ЕН 1822– 3–2012 «Высокоэффективные фильтры очистки воздуха ЕРА, HEPA и ULPA. Часть 3. Испытания плоского фильтрующего материала» [96]. Настоящий стандарт устанавливает требования к эффективным фильтрам очистки воздуха применяемым в системах вентиляции и кондиционирования воздуха и в технологических системах [101]. Часть 2 данного стандарта включает список используемых аэрозолей и используемые агрегаты для проведения испытания образцов ГОСТ Р ЕН 1822–2–2012 «Высокоэффективные фильтры очистки воздуха ЕРА, HEPA и ULPA. Часть 2. Генерирование аэрозолей, испытательное оборудование, статистика счета частиц» [100]. Данный стандарт составлен на основе международного стандарта ЕН 1822–2:2009 «Высокоэффективные фильтры очистки воздуха ЕРА, HEPA и ULPA. Часть 2. Генерирование аэрозолей, испытательное оборудование, статистика счета частиц» (EN 1822–2:2009 «High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA) – Part 2: Aerosol production, measuring equipment, particle counting statistics» [95]).
К контрольным аэрозолям относятся аэрозоли жидких частиц, как правило масла, и твердых частиц. Жидкие аэрозоли определены в списке стандарта ГОСТ Р ЕН 1822–1– 2010 [89], а твердые – в ГОСТ Р EН 1822–2–2012 [100] и в ГОСТ Р EН 1822–4–2012, приложение D [102]. В нашем исследовании использовались аэрозоли жидких частиц – диоктилфталата (DOP) и твердых частиц – соли хлорида натрия (NaCl).
Схема прибора предусматривает монодисперсное генерирование частиц, то есть единовременно образуется фракция частиц аэрозоля конкретного размера. Получение квази-фракции начинается со свободного распыления аэрозоля из соответствующей емкости; концентрации раствора аэрозоля: 0,01, 0,1, 1%. Затем проходя вместе с подаваемым потоком сжатого воздуха, аэрозоль поступает в электростатический классификатор, где частицы могут быть классифицированы по их электрической подвижности. То есть под влиянием электрического поля через классификатор проходит часть потока частиц, имеющая определенную электрическую подвижность. Электрическая подвижность частицы является функцией размера частицы и величины электрического заряда. Таким образом, здесь имеет место теория распределения заряда частиц Н.А. Фукса [27].
Исследования проводили на тестере фильтров модели AFT 3160. В этой модели стандартом предусмотрено наличие нейтрализаторов частиц, установленных на входе и на выходе в классификатор. Во время генерирования частицы аэрозоля получают незначительный заряд, а любое отклонение от нейтрального заряда частицы увеличивает вероятность захвата частиц волокнами фильтровального материала, что может существенно повлиять на результаты анализа. Поэтому наличие узла нейтрализации частиц повышает точность определения эффективности. Принцип действия заключается в добавлении достаточного количества положительных и отрицательных ионов в поток аэрозоля в результате ионизации радиоактивным излучением.
Счетчики частиц существуют фотометрического и конденсационного типа. В схеме AFT 3160 установлены счетчики конденсационного типа. Принцип действия заключается в нагреве и конденсации паров частиц аэрозоля, что приводит к значительному увеличению их размеров, а затем их фиксации фотоприемником.
Модель AFT 3160 (рисунок 2.4, а) подходит для детального исследования объекта с возможностью широкой вариации параметров и режимов теста. Сравнение технических характеристик приборов AFT разных моделей представлены в таблице 2.4.
Фильтровальные материалы на основе минеральных волокон качественно отличаются от целлюлозных материалов по прочностным показателям. Подтверждением этому является принципиальное отличие строения минеральных волокон и целлюлозы. Целлюлозное волокно состоит из множества слоев микрофибрилл [103], минеральное волокно такого строения не имеет, но может отличаться повышенной шероховатостью, гладкостью и пористостью [104].
В целом прочность фильтровальных материалов на основе минеральных волокон определяется тремя ключевыми видами связей: во-первых, силами трения, зависящими в основном от характера поверхности волокон и плотности структуры; во-вторых, межмолекулярным взаимодействием; в-третьих, водородной связью как частным случаем координационной связи [105, 106].
Метод определения эффективности фильтрации
Категорирование фильтровальных материалов осуществляется в соответствии с ГОСТ Р ЕН 1822–1–2010 «Высокоэффективные фильтры очистки воздуха ЕРА, HEPA и ULPA. Часть 1. Классификация, методы испытаний, маркировка» [89]. Для изготовления качественного продукта производитель должен выдерживать высокие фильтрующие показатели материала, что не должно сопровождаться снижением остальных других характеристик качества. Для этого необходимо установить механизмы фильтрации, наиболее характерные при работе минеральноволокнистых фильтровальных материалов независимо от их класса очистки воздуха.
Анализ теоретических положений позволил выделить механизмы фильтрации, протекающие на микро- и макроуровнях в фильтровальных волокнистых материалах разных классов очистки воздуха. Основными причинами различия структуры традиционных целлюлозно-бумажных материалов и минеральноволокнистых являются отличия в конструкции сеточной части БДМ и как следствие в технологии напуска массы на сетку. Объекты исследования – минеральноволокнистые фильтровальные материалы, отличаются высокой пористостью и низким электрическим зарядом на поверхности волокна, что обуславливает нестандартное проявление в них механизмов фильтрации в отличие от целлюлозных материалов.
Для уточнения механизмов фильтрации были проведены исследования на образцах фильтровального материала на основе стеклянного волокна при варьировании режимов фильтрации воздушных сред. В качестве переменных факторов были приняты: тип аэрозоля, размер частиц аэрозоля и расход потока аэрозоля.
Анализ результатов подтвердил высказанное предположение и позволил выявить отличие механизмов фильтрации для минеральноволокнистых материалов и материалов из растительных волокон. Так, для минеральноволокнистых материалов механизм электростатического притяжения частиц не проявляется, что объясняется низким зарядом минеральных волокон.
Электростатический механизм фильтрации заключается в скоплении твердых частиц аэрозоля на заряженных участках волокон с образованием дендритов, что увеличивает эффективность фильтра. Жидкие частицы имеют большую площадь покрытия заряженных участков волокна, такое экранирование может вызвать значительное увеличение проницаемости фильтра и напрямую зависит от размера частиц, т.е. чем больше частица, тем сильнее экранирование.
Данное положение не подтвердилось при исследовании минеральноволокнистых фильтровальных материалов [111]. Значения MPPS для жидких и твердых частиц аэрозоля при расходе воздуха 32 л/мин остаются на одном уровне, равном 0,1 мкм. При этом проницаемость частиц независимо от типа аэрозоля можно считать постоянной: для жидких частиц – 0,016 %, твердых – 0,014 % (рисунки 3.1 и 3.2). Подобная тенденция сохраняется для всех значений расхода воздуха в диапазоне от 0,05 до 85 л/мин.
Существующие закономерности фильтрации, основанные на изучении суммарной эффективности механизмов фильтрации, предусматривают преобладание механизмов касания и диффузии захвата частиц размером менее 0,2 мкм, при большем размере возрастает роль инерционного захвата частиц. Поэтому для установления всех механизмов фильтрации по диаграмме С. Дэвиса (рисунок 1.6) был введен и использован показатель MCPS (most captured particle size – размер наиболее захватываемых частиц), обратный показателю MPPS. Другими словами, данный размер частиц позволил установить наименьшую проницаемость фильтровальных материалов при разных условиях фильтрования, т.е. разных скоростях потока воздуха. 0,05 20 32,0 л/мин
В результате анализа данных (рисунки 3.1 и 3.2) установлено, что, при небольших скоростях потока воздуха (до 10 л/мин) наблюдается наибольшая эффективность фильтрации для частиц размером 0,05 мкм (как для жидких, так и для твердых частиц аэрозоля), что по данным С. Дэвиса, соответствует наибольшей эффективности механизмов касания и диффузии. При высоких скоростях потока воздуха (более 10 л/мин) наибольшая эффективность фильтрации наблюдается для частиц аэрозоля размером 0,3 и 0,4 мкм как для жидких, так и твердых, что соответствует наибольшей эффективности механизма инерционного захвата частиц.
Протекание механизмов фильтрации в минеральноволокнистых материалах может быть обосновано следующим образом: увеличение расхода фильтруемого потока закономерно приводит к росту проницаемости как для жидких частиц аэрозоля, так и для твердых. При увеличении скорости воздуха поток перестает быть ламинарным, подвижность частиц повышается, возрастает роль механизмов инерционного захвата, а эффективность механизма касания и диффузии проявляется в меньшей степени. Это подтверждается смещением значений MCPS в сторону частиц большего размера от 0,05 к 0,4 мкм. Данные наглядно продемонстрированы на графиках (рисунки 3.1 и 3.2).
Полученные результаты позволили установить, что при повышении скорости потока преобладание механизмов фильтрации меняется. В качестве косвенной меры оценки преобладания механизмов фильтрации предложено использовать размер наиболее захватываемых частиц (MCPS). Частицы диаметром более 0,2 мкм (условно отнесены к крупным) лучше удерживаются при проявлении механизма инерционного захвата и большом расходе воздуха ( 10 л/мин). Частицы менее 0,2 мкм (условно относятся к мелким) лучше удерживаются при проявлении механизмов касания и диффузии и малом расходе воздуха (10 л/мин).
Основная скорость потока воздуха для испытания минерально-волокнистых материалов была принята в соответствии с требованием стандарта 32 л/мин, поэтому в целом было установлено преобладание инерционного механизма фильтрации. Установленные механизмы фильтрации справедливы для работы высоко- и сверхэффективных материалов классов очистки HEPA и ULPA соответственно [112].
Влияние композиции на эффективность фильтрования
Ухудшение показателей качества по мере повышения массы 1 м2 можно объяснить сильным уплотнением и высокой флокуляцией структуры. При этом снижение пористости приводит к снижению эффективности фильтрации образцов, и наоборот (рисунок 3.33, а). Полученные результаты подтверждают выдвинутые ранее предположения о влиянии пористости на эффективность фильтрации (п. 3.1, рисунок 3.3). Важно отметить, что значение пористости при этом не превысило значения, определенного как пороговое 0,93 см3/см3 (максимум 0,928 см3/см3).
Повышение флокуляции с ростом массы 1 м2 образцов, количественно подтверждается увеличением доли флокул крупного диаметра и закономерно сопровождается снижением эффективности фильтрации, рисунок 3.33, б.
Зависимости влияния массы 1 м2 на показатели структуры и качества фильтровальных материалов согласуются с представленными выше результатами исследования промышленных образцов минеральноволокнистых материалов. Эффективность фильтрации снижается при увеличении доли крупных флокул по диаметру и увеличивается при увеличении количества мелких флокул в структуре материала.
Обобщая полученные результаты можно выделить следующее: увеличение массы 1 м2 приводит к ухудшению структуры полотна материала на основе минеральных волокон, что подтверждается линейным увеличением ИФ и доли крупных флокул по диаметру и снижением доли мелких флокул по диаметру; установлена линейная зависимость снижения пористости материала при повышении массы 1 м2. При этом пористость прямо пропорциональна эффективности фильтрации. Поэтому справедливо утверждать, что увеличение массы 1 м2 материала имеет негативное влияние на эффективность, т.е. имеет место масштабный эффект - чем больше объем образца, тем больше вероятность нахождения в нем опасного дефекта; значимых коэффициентов корреляции массы 1 м2 с прочностными характеристиками не выявлено. Зависимости не установлены. 3.3 Влияние анизотропии на потребительские свойства В данном разделе пойдет речь о влиянии свойств анизотропии как структурной характеристике на потребительские свойства фильтровальных материалов. Способность к нанесению линий рилевки и гофрированию фильтровального материала является важной на стадиях последующей его переработки в фильтрующий элемент. Данный показатель во многом зависит от анизотропии свойств материала, что особенно актуально в случае с минеральноволокнистыми типами бумаг, отличающимися высокой хрупкостью. Таким образом, связь между способностью к переработке фильтровального материала и его анизотропией свойств является равнонаправленной. Поэтому изучение зависимости данных показателей актуально, а развитие направления их производственного контроля необходимо для улучшения качества готовой продукции. Учитывая присутствие доли длинных минеральных волокон в материале, в отличие от более коротких целлюлозных, стоит ожидать, что в таких нетканых минеральноволокнистых материалах может обнаружиться высокая ориентация волокон в МН.
В ходе исследования анизотропии структуры фильтровальных материалов использовались 2 основных способа определения. Первый способ – наиболее распространенный и доступный: расчет значения отношения прочностных показателей МН/ПН, полученных при испытании образцов разрушающими методами; второй, основанный на неразрушающем ультразвуковом методе определения «направления максимальной эластичности волокон» (TSO) и «индекса модуля упругости» (TSI) материала, позволяет рассчитать отношение показателя индекса модуля упругости в МН/ПН (TSIMD/CD).
Для оценки профиля угла TSO, TSIMD, TSICD и TSIMD/CD был проведен анализ образцов фильтровальных материалов с различным композиционным составом на основе базальтовых и стеклянных волокон (см. таблицу 2.1 и 2.2).
На основании результатов исследований, представленных выше (см. п.3.2), было выдвинуто предположение, что анизотропия будет возрастать или снижаться при варьировании композиции, что и было подтверждено явной разницей профилей показателей TSI и TSO. Представленные ранее результаты влияния доли волокон марки МТВ-0,25 в композиции показали наибольшее влияние на индекс формования. Увеличение содержания волокон МТВ-0,25 в композиции привело к улучшению просвета за счет снижения средней длины волокна. Это напрямую отразилось на анизотропии фильтровальных материалов, что было показано в работе [131].
На рисунке 3.34 представлены профили TSI и угла TSO структуры стекловолокнистых материалов разной массы 1 м2 с содержанием в композиции волокон марки МТВ-0,25 равным 14,3 %. Полученные профили показателей TSI и TSO вполне закономерны. Интервалом адекватных значений массы установлен диапазон 90–100г/м2. Среди исследуемых образцов, только один попадает в указанный интервал значений. Полученные профили показателя TSO не укладываются в рекомендованный разработчиками метода [109] диапазон значений ±5о (рисунок 3.34, а). Данный факт обусловлен конструктивными особенностями БДМ для получения нетканых минеральноволокнистых материалов. В технологии формования материалов на сеточном столе из длинных минеральных или синтетических волокон, нет понятия коэффициент напуска (соотношение скорости напуска массы к скорости сетки), во многом определяющего анизотропию бумажных и картонных листов.