Введение к работе
Актуальность работы.
Ежегодные темпы роста российского рынка мембранных фильтров оцениваются в 10-15%, что обусловлено повышением интереса к мембранной технологии со стороны потребителей, как бытовых фильтров, так и промышленных систем водоподготовки, водоотведения, переработки отходов производства, специфических процессов в пищевой, химической, нефтегазовой отраслях. Одним из возможных путей влияния на конкурентоспособность выпускаемых трубчатых мембран является увеличение показателей физических, механических свойств его компонентов, а также повышение эффективности разделения жидких сред.
В производстве мембранных фильтров применяются материалы различной структуры, которые в значительной степени определяются способом их производства. При этом использование тканых и нетканых материалов для производства трубчатых мембран сдерживается рядом объективных причин: отечественные тканые и нетканых материалы по ряду показателей свойств не соответствуют мировым аналогам. Часть из них не обладают достаточной прочностью, гидрофильностью, адгезионной способностью, что приводит к снижению эксплуатационных свойств трубчатых мембран. При их использовании усложняется процесс склеивания, обнаруживаются различные дефекты. Во время эксплуатации снижаются показатели физических, механических и эксплуатационных свойств. Применение же импортных материалов приведет к повышению себестоимости готового изделия. Одним из наиболее эффективных методов достижения заданных свойств тканых и нетканых материалов являются различные способы их модификации, которые за счет химического, физико-химического или физического воздействия на рабочую поверхность материала мембран придают уже готовым изделиям новые свойства, необходимые в процессах разделения.
Обзор и анализ современных методов модификации полимерных материалов мембран показал, что эффективным методом являются плазменные технологии. Модификация плазмой высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда пониженного давления имеет следующие преимущества: экологичность, отсутствие значительной температурной нагрузки; отсутствие воздействия агрессивных химикатов на обрабатываемые материалы.
Работа направлена на решение актуальной проблемы модификации тканых и нетканых материалов дренажного каркаса путем обработки в ВЧЕ разряде пониженного давления, позволяющей получать трубчатую мембрану с повышенными физическими, механическими и эксплуатационными свойствами.
Работа выполнена в Казанском национальном исследовательском технологическом университете в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по госконтракту 16.552.11.7060, а также по плану аспирантской подготовки, на оборудовании центра коллективного пользования «Нанотехнологии и наноматериалы».
Цель работы. Целью работы является создание модифицированных тканых и нетканых материалов и дренажного каркаса на их основе для производства трубчатых мембран за счет обработки плазмой ВЧЕ разряда пониженного давления, обеспечивающего регулирование показателей их физических и механических свойств.
Для достижения поставленной цели, в ходе работе решались следующие задачи:
1) Проведение анализа состояния производства полимерных мембран, рассмотрение состава и свойств материалов для изготовления мембран, а также анализ существующих методов их модификации.
2) Выбор объектов, методов экспериментального исследования и применение ВЧЕ плазменных установок для модификации тканых и нетканых материалов.
3) Экспериментальное исследование влияния ВЧЕ разряда пониженного давления на физические и механические характеристики тканых и нетканых материалов.
4) Разработка схемы технологического процесса получения модифицированных трубчатых мембран с улучшенными свойствами за счет применения ВЧЕ разряда пониженного давления.
Методы исследований. В качестве объектов исследования выбраны материалы для производства мембран: стеклоткань ГОСТ 5937-81, нетканый полипропиленовый (ПП) материал ТУ 8397-004-18603495-99, полиэфирсульфоновые (ПЭС) мембранные фильтры (ЗАО «Владисарт»).
Для исследования параметров ВЧЕ разряда пониженного давления при обработке тканых и нетканых материалов были изготовлены следующие измерительные системы: магнитный зонд и миниатюрный пояс Роговского.
Для определения закономерностей влияния ВЧЕ разряда на показатели физических и механических свойств тканых и нетканых материалов использовали широкий спектр современных стандартных и нестандартных методов: конфокальная лазерная сканирующая микроскопия, рентгеновская томография, атомно-силовая микроскопия, ИК-Фурье спектроскопия, дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК); термограви-метрического анализа (ТГА), метод определения краевого угла смачивания, метод определения капиллярности, а также стандартные методики определения физических, механических и химических свойств тканых и нетканых материалов.
Научная новизна работы.
1) Разработаны новые композиционные материалы, предназначенные для изготовления трубчатой мембраны путем модификации тканых, нетканых материалов и ПЭС мембраны в плазме ВЧЕ разряда пониженного давления.
2) Получены тканые и нетканые материалы с улучшенной адгезионной способностью за счет активации поверхности плазмой ВЧЕ разряда пониженного давления, что позволяет повысить прочность соединения компонентов трубчатой мембраны.
3) Установлено, что плазменная модификация ВЧЕ разрядом пониженного давления позволяет повысить физические и механические свойства тканых и нетканых материалов и получить трубчатую мембрану с улучшенными показателями физических и механических свойств.
4) Проведены экспериментальные исследования напряженности магнитного поля и плотности тока в плазме ВЧЕ разряда в результате которых установлено, что трубчатые мембраны играют роль дополнительного пористого электрода.
5) Разработана физическая модель процесса модификации трубчатой мембраны в ВЧЕ разряде пониженного давления.
6) Разработана технологическая схема производства трубчатых мембран с использованием обработки ВЧЕ разрядом пониженного давления.
Практическая значимость работы
1) Получены оптимальные технологические параметры плазменного воздействия на тканые и нетканые материалы для производства трубчатых мембран, позволяющие повысить их показатели физических свойств. Обработка ВЧЕ разрядом пониженного давления позволяет уменьшить угол смачивания стеклоткани (Ia=0,45 A, Ua=6 кВ, t=180 с, Р=26,6 Па, G=0,04 г/с, аргон-воздух) и нетканого ПП материала (Ia=0,45 A, Ua=6 кВ, t=420 с, Р=26,6 Па, G=0,04, аргон-воздух) на 60% и 43% соответственно.
2) Экспериментально доказано, что модификация ПЭС мембран в плазме ВЧЕ разряда пониженного давления в среде аргон-воздух приводит к увеличению прочности при разрыве на 20%, смачиваемости на 60%, а также увеличение селективности разделения водомасляных эмульсий на 45% и производительности на 20% при сравнении с контрольным образцом.
3) Установлены параметры ВЧЕ разряда пониженного давления, позволяющие повысить показатели механических свойств материалов с увеличением их капиллярности для стеклоткани (Ia=0,5 A, Ua=7 кВ, Р=26,6 Па, t=300 с, G=0,04 г/с, аргон-воздух), нетканого ПП материала (Ia=0,45 A, Ua=6 кВ, Р=26,6 Па, t=420 с, G=0,04 г/с, аргон-воздух). Обработка стеклоткани и нетканого ПП материала в установленных режимах приводит к увеличению разрывной нагрузки стеклоткани на 23% и увеличению предела прочности при растяжении нетканого ПП материала на 18%, а также позволяет увеличить капиллярность на 209% и 300% соответственно.
4) Разработана технологическая схема получения трубчатых мембран с применением модификации тканых и нетканых материалов в плазме ВЧЕ разряда пониженного давления.
5) Определены режимы обработки плазмой ВЧЕ разряда пониженного давления дренажного каркаса перед процессом формирования мембраны на внутренней его поверхности: Ua=2 кВ, Ia=0,2 A, P=26,6 Па, t=300 с, G=0,04 г/с, плазмообразующий газ аргон-воздух.
6) Определены режимы обработки плазмой ВЧЕ разряда пониженного давления в процессе формирования мембраны вместо операции отжига для снятия внутреннего напряжения изготовленной трубчатой мембраны: Ia=0,35А, Ua=6кВ, t=300с, P=26,6 Па, G=0,04 г/с аргон-воздух.
Результаты диссертационной работы испытаны и внедрены на предприятии ОАО «Карпол» (г. Казань). Экономический эффект при выпуске ОАО «Карпол» трубчатых мембран на основе модернизированной технологии составляет 1 млн. 250 тыс. руб. в год.
Основные положения, выносимые на защиту.
1) Результаты экспериментальных исследований воздействия ВЧЕ разряда пониженного давления на показатели физических свойств тканых и нетканых материалов, позволяющего увеличить для стеклоткани: капиллярность на 209%, смачиваемость на 60%; для нетканого ПП материала: капиллярность на 300%, смачиваемость на 43%.
2) Результаты экспериментальных исследований влияния потока плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления на показатели механических свойств тканых и нетканых материалов, приводящего к их повышению на 23% для стеклоткани и на 18% для нетканого ПП материала.
3) Результаты экспериментальных исследований по оценке прочности связи «стеклоткань-нетканый ПП материал», устанавливающие повышение адгезионной прочности соединения компонентов дренажного каркаса на 40%.
4) Результаты экспериментальных исследований воздействия ВЧЕ разряда пониженного давления на показатели физических и механических свойств ПЭС мембраны, позволяющего увеличить прочность при разрыве на 20% и смачиваемость на 60%.
5) Результаты экспериментальных исследований воздействия ВЧЕ разряда пониженного давления на показатели эксплуатационных свойств ПЭС мембраны, позволяющего увеличить производительность на 20% и селективность на 45% при сравнении с контрольным образцом.
6) Физическая модель процесса модификации трубчатой мембраны в ВЧЕ разряде пониженного давления.
7) Технологические схемы изготовления трубчатой мембраны с применением ВЧЕ разряда пониженного давления с регулируемыми физико-механическими свойствами стеклоткани и нетканого ПП материала.
Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах состоит в выборе, обосновании и разработке методик экспериментов; непосредственном участии в проведении экспериментов, анализе и обобщении полученных экспериментальных данных.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на научной сессии КНИТУ (Казань, 2011, 2012, 2013), конференциях: Международной конференции «Экологические аспекты энергосбережения» (Казань, 2010), Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы «Наноматериалы, нанотехнологии, наноиндустрия» (Казань, 2010), XXXVIII Международной конференция по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2011), Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для студентов и молодых ученых «Новые технологии и материалы легкой промышленности» (Казань, 2011, 2012, 2013), Международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения» (Иваново, 2012), VII Российской конференции «Современные средства диагностики плазмы и их применение» (Москва, 2012), Всероссийской молодежной научной школе «Химия и технология полимерных и композиционных материалов» (Москва, 2012), Всероссийской конференции «Химия и химическая технология: достижения и перспективы» (Кемерово, 2012), Международной научной школе «Полимеры в медицине и здравоохранении» (Казань, 2013), XXI международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Ярославль, 2013), 5th Central european symposium on plasma chemistry, (Balatonalmadi, 2013), Всероссийской научной конференции с международным участием "Мембраны-2013" (Владимир, 2013).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка и приложений. В тексте приведены ссылки на 193 литературных источников. Работа изложена на 210 стр. машинописного текста, содержит 56 рисунков, 52 таблицы.
Выражаю искреннюю благодарность к.т.н., доценту Ибрагимову Р.Г. за помощь в определении направления исследования и обсуждении результатов работы.
Похожие диссертации на Регулирование физических и механических свойств тканых и нетканых материалов для производства трубчатых мембран
