Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные представления о составе, строении, производстве и применении волокнистых нетканых материалов 8
1.1. Влияние способов формования и видов скрепления холстов на структуру и свойства волокнистых нетканых материалов 8
1.2. Влияние химической природы волокнистого сырья и геометрических характеристик волокон на структуру, свойства и области применения волокнистых нетканых материалов 13
1.3. Способы увеличения прочности иглопробивных волокнистых нетканых материалов 24
1.4. Ворсованные нетканые материалы и их применение для эффективного решения проблемы фильтрации жидкостей и газов 32
Глава 2. Объекты и методы исследования 45
2.1. Объекты исследования 45
2.2. Методы исследования 46
Глава 3. Исследование физико-механических характеристик ворсованных нетканых материалов с различным содержанием бикомпонентных волокон 62
3.1. Изучение теплофизических характеристик использованных синтетических волокон и определение наиболее эффективных температурных режимов модификации ворсованных материалов 62
3.2. Получение нетканых материалов с ворсом, устойчивым к действию механической нагрузки 65
3.3. Исследование влияния состава ворсованных нетканых материалов и условий термообработки на их физико-механические характеристики 87
Глава 4. Исследование фильтрующих характеристик ворсованных нетканых материалов 106
4.1. Влияние концентрации бикомпонентных волокон в смесках и технологических параметров термообработки на изменение структуры ворсованных нетканых материалов. Определение размеров пор опытных образцов ворсованных нетканых материалов 108
4.2. Сопротивление ворсованных нетканых материалов фильтруемому потоку жидкости и воздуха 119
4.3. Определение полноты, тонкости фильтрации и способности к регенерации фильтрующих свойств опытных образцов ворсованных нетканых материалов 127
Глава 5. Разработка технических и технологических решений получения фильтрующих ворсованных нетканых материалов 148
5.1. Изготовление фильтрующего материала 148
5.2. Проведение испытаний фильтрующего материала 153
Выводы 155
Список литературы 158
Приложения 169
- Влияние химической природы волокнистого сырья и геометрических характеристик волокон на структуру, свойства и области применения волокнистых нетканых материалов
- Методы исследования
- Получение нетканых материалов с ворсом, устойчивым к действию механической нагрузки
- Сопротивление ворсованных нетканых материалов фильтруемому потоку жидкости и воздуха
Введение к работе
Актуальность работы Производство нетканых волокнистых материалов к началу третьего тысячелетия стало одной из важнейших промышленных составляющих мировой экономики К этому во многом привел прогресс в области модификации традиционных видов химических волокон, а также появление принципиально нового синтетического сырья Все это в целом способствовало расширению ассортимента и появлению новых направлений практического применения такого рода материалов
Одной из актуальных областей практического использования нетканых полотен является их применение в качестве фильтров для очистки газообразных выбросов и жидких отходов различного происхождения
Так современные нетканые фильтрующие материалы успешно заменяют ткани из натуральных и синтетических волокон или нитей с определенным нивелированием их недостатков, а в некоторых условиях эксплуатации, таких как очистка сред с высоким содержанием твердых частиц, работа в условиях высокой влажности воздушных выбросов или в присутствии химически агрессивных веществ, не имеют альтернативы
Вместе с тем, эффективность их применения в этом направлении связана с необходимостью решения целою ряда научных и технологических задач, таких как сочетание в материале низкой объемной плотности и высокой механической прочности, регулирование размера пор, как правило, в направлении их уменьшения для достижения более высоких сорбционных характеристик и повышения качества фильтрации, увеличение срока работоспособности фильтрующих материалов без их периодической очистки и т д
В диссертационной работе решение вышеперечисленных задач осуществлено путем включения в состав смесок бикомпоиентных волокон
структуры «ядро-оболочка», обеспечивающих механизм дополнительного термоскрепления нетканых полотен за счет плавления низкоплавкой оболочки бикомпонентных волокон и образования «склеек» в местах контактов волокон между собой, подбора оптимального состава смесок, выявления температурно-временных режимов их обработки, а так же применения специального технического приема ворсования нетканых полотен для получения высокоэффективных фильтрующих материалов
Целью работы является разработка научно обоснованных технологических и технических решений получения ворсованных нетканых материалов с использованием бикомпонентных волокон для эффективного решения задачи фильтрации жидкостей и газов
В работе решена научная задача - разработаны и научно обоснованы способы регулирования структуры и свойств нетканых полотен, предложены технические и технологические решения для создания эффективных фильтрующих материалов с высокими прочностными характеристиками
Научная новизна работы:
- сформулирован подход к регулированию структуры и свойств
нетканых полотен для создания волокнистых материалов с высокими
фильтрующими и прочностными характеристиками,
- предложено для эффективного решения задачи фильтрации
жидкостей и воздуха использование ворсованных нетканых материалов на
основе смесок полиэфирных и бикомпонентных волокон структуры ядро-
оболочка,
- выявлено влияние теплофизических характеристик полимерного
сырья, содержания бикомпонентных волокон в смесках, а также
температурно-временных режимов тепловой обработки полотен на
характер их капиллярно-пористой структуры,
установлено влияние содержания бикомпонентных волокон в смеске и режимов тепловой модификации полотен на процесс формирования нетканых материалов с ворсом, устойчивым к действию механических нагрузок, улучшенными показателями физико-механических свойств и пониженной степенью анизотропии,
показано влияние состава волокнистого сырья, структуры нетканых материалов и наличия в них ворса, обеспечивающего градиент плотности по толщине полотна, на основные фильтрующие характеристики, такие как полнота и тонкость фильтрации, сопротивление фильтруемым потокам, способность к регенерации фильтрующих свойств,
выявлены составы смесок и режимы формирования ворсованных нетканых полотен с использованием бикомпонентных волокон, разработаны технические и технологические решения получения фильтров грубой очистки с высокими показателями комплекса эксплуатационных свойств
Практическая значимость. В результате выполнения работы предложен новый подход к модификации нетканых материалов, содержащих бикомпонентные волокна, для получения полотен с высокими физико-механическими и фильтрующими характеристиками, предназначенных для использования в установках для очистки жидких и воздушных выбросов промышленных предприятий Теоретический подход доведен до конкретной инженерной разработки - получены ворсованные нетканые материалы с высокими фильтрующими и физико-механическими характеристиками
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в постановке, решении задач и формулировании выводов по работе, разработке и изготовлении опытных образцов нетканых полотен, а также в проведении всех экспериментальных исследований и испытаний По результатам выполненных исследований опубликовано 8 печатных работ,
из них 5 статей, опубликованных в реферируемых изданиях ВАК, и 3 тезисов докладов на научных конференциях
Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на трех научных конференциях, а таюке успешно апробированы в производственных условиях на предприятии ОАО «МОНТЕМ» (г Москва)
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографии и приложений Работа изложена на 174 страницах, включая 15 таблиц и 70 рисунков Библиография включает 115 источников Приложение представлено на 6 страницах и содержит акт о выпуске опытной партии фильтрующих ворсованных нетканых материалов и акт апробации фильтрующего нетканого материала в производственных условиях
Диссертация выполнена при поддержке гранта РФФИ № 06-03-08071 «Разработка технологии получения изделий из полимеров с нано-, микро-и макромолекулярными поверхностными структурами»
Влияние химической природы волокнистого сырья и геометрических характеристик волокон на структуру, свойства и области применения волокнистых нетканых материалов
Природа волокон, входящих в смеску для производства нетканых материалов, является важным фактором, определяющим свойства и область применения нетканого полотна.
Волокно представляет собой протяженное гибкое и прочное тело с малыми поперечными размерами. Волокна могут быть разнообразными и различаются по строению, свойствам и природе полимера [18].
Все волокна по происхождению принято классифицировать на натуральные (природные) и химические. В свою очередь, натуральные волокна делятся на волокна растительного (хлопковые, лубяные, древесные (целлюлоза)) и животного происхождения (шерстяные, шелковые, кожевенные (коллагеновые)) [11, 13], а химические волокна — на искусственные, полученные химической переработкой натуральных (вискозные, ацетатные, белковые, альгинатные) [11, 13, 25] и синтетические, формуемые из синтетических полимеров (полиамидные, полиэфирные, полиолефиновые, поливинилхлоридные, поливинилспиртовые, полиакрилонитрильные, волокна хлорированного ПВХ и др.) [11, 13, 26-30].
Химические волокна являются более дешевым сырьем по сравнению с натуральными волокнами. Применение химических волокон в чистом виде и в смеси с натуральными волокнами дает не только экономию сырья, но и способствует более эффективному протеканию технологического процесса. Поскольку некоторые химические волокна обладают большой прочностью, их использование в смеси с натуральными волокнами повышает прочность и износоустойчивость изделий из нетканых материалов. Применение химических волокон вносит изменения в технологический процесс, что выражается, прежде всего, в резком сокращении числа технологических операций. Кроме того, натуральные волокна по ряду своих свойств не могут удовлетворить современным требованиям, предъявляемым к техническим изделиям, используемым в различных отраслях. Химические волокна незаменимы в производстве текстильных изделий, используемых в условиях высоких температур, концентраций и давлений [11].
Такие физические свойства волокон как тепловые, оптические, способность поглощать воду, устойчивость к свету во многом определяют свойства нетканых материалов. Например, способность волокна поглощать воду и отдавать ее при изменении внешних условий характеризует его сорбционные свойства, а изменение свойств волокна при тепловых воздействиях (усадку) используют для уплотнения волокнистых холстов.
Различают волокна элементарные, т. е. одиночные, неспособные расщепляться вдоль оси на более мелкие; комплексные - склеенные между собой элементарные волокна; элементарные нити (филаменты), т. е. волокна очень большой длины; штапельные волокна, т. е. разрезанные пучки элементарных нитей; моноволокно - толстые элементарные нити, предназначенные непосредственно для выработки каких-либо изделий [13].
Волокна могут быть различными по химическому строению и физической структуре: пряжа различных видов, комплексные нити, микронити, бикомпонентные, текстурированные, модифицированные.
Создаются волокна и нити, специально предназначенные для производства нетканых материалов [12].
Методы исследования
Определение массы материала проводили с точностью ±0,0001 г путем взвешивания образцов на электронных весах марки METTLER АЕ 240 (не менее трех раз). В качестве структурных характеристик нетканых материалов использовали показатели поверхностной и объемной плотности (ГОСТ 15902.1-80) Образцы вырезали в виде квадрата со стороной 10 см и определяли линейные размеры и толщину. Поверхностную плотность образцов рпов_ (г/см2) вычисляли по формуле: где т - масса образца, г; L - длина образца, см; со - ширина образца, см; Объемную плотность образцов роб_ (г/см ) определяли как: где д - толщина материала, см. Анализ теплофизических характеристик синтетических волокон проводили с применением методов дифференциально-термического (ДТА) и термографического анализа (ТГА). Метод дифференциального термического анализа (ДТА) основан на сравнении термических свойств образца исследуемого вещества и термически инертного вещества, принятого в качестве эталона (прокаленный до 1500 град.С оксид аллюминия). Регистрируемым параметром служит разность их температур, измеряемая при нагревании или охлаждении образца с постоянной скоростью, которая может быть представлена в виде функции температуры образца, эталона или нагревателя. Изменения температуры образца вызываются физическими переходами или химическими реакциями, связанными с изменением энтальпии. Термогравиметрия (ТГ) - метод термического анализа, при котором регистрируется изменение массы образца в зависимости от температуры. Экспериментально получаемая кривая зависимости изменения массы от температуры (называемая термогравиметрической кривой или термограммой) позволяет судить о термостабильности и составе образца в начальном состоянии, о термостабильности и составе веществ, образующихся на промежуточных стадиях процесса и о составе остатка, если таковой имеется.
Этот метод является эффективным в том случае, когда образец выделяет летучие вещества в результате различных физических и химических процессов. Поведение различных волокон, отличающихся температурой плавления, и материалов различного состава исследовали на дериватографе ДВ - 1 (Венгрия). Масса навески волокон составляла величину 95 - 105 мг, скорость их нагрева в вакууме 3 С/мин. Морфологию полученных материалов изучали при помощи оптического (МБИ-6) и электронного сканирующего (Hitachi ТМ-1000) микроскопов. Для определения устойчивости нетканого материала к действию механической нагрузки использовали оригинальную методику [106], основанную на измерении высоты ворса в условиях возрастания нагрузки на материалы. Высоту материала определяли микрометром с точностью ±0,05 мм как среднее из пяти измерений. Методика определения изменения высоты ворса материалов включала предварительную подпрессовку образцов, что является необходимым условием для достижения равномерного распределения механической нагрузки на поверхности образцов [106]. Относительное изменение высоты материала рассчитывали по формуле : где ho - начальная высота ворса, мм; hT — высота материала, мм, под нагрузкой Р (кПа) в определенный момент времени. Деформацию ворсованной части материалов (є, %) при определенной нагрузке (кПа) рассчитывали из уравнения где є - деформация ворсованной части материалов под нагрузкой Р, %; ho и hT- начальная толщина ворсованной части образцов и толщина ворсованной части под нагрузкой, соответственно. В качестве физико-механических характеристик в работе использовали предел прочности при растяжении и относительное удлинение при разрыве. Определение этих характеристик проводили по стандартной методике согласно ГОСТ 15902.3-79 «Полотна текстильные нетканые. Методы определения прочности».
Получение нетканых материалов с ворсом, устойчивым к действию механической нагрузки
Ворсованные материалы различного состава и разных способов изготовления обладают комплексом эксплуатационных характеристик, обеспечивающих их эффективное применение в качестве тепло- и звукоизоляционных материалов, фильтров и т.п. Их широкое использование связано со структурными и функциональными особенностями, такими как градиент плотности по толщине и наличие значительной доли псевдоиммобилизованного воздуха в ворсованной части. Сохранение этих характеристик во времени, в основном, зависит от устойчивости ворса к механическим нагрузкам.
Перспективным направлением является применение ворсованных материалов, изготовленных на основе синтетических волокон по технологии производства нетканых иглопробивных материалов [94, 99]. Технологическая схема их изготовления включает формирование волокнистых холстов из полиэфирного волокна, их упрочнение методом иглопрокалывания и ворсования на специальном оборудовании, обеспечивающем одностороннее иглопрокалывание корончатыми иглами. Существующие способы ворсования иглопробивных полотен обеспечивают точное регулирование высоты и плотности ворса, что приводит к увеличению связанных с этим позитивных эксплуатационных характеристик. Тем не менее, повышение устойчивости ворса к действию механических нагрузок различной природы и направленности остается актуальной задачей.
Устойчивость ворса материалов к действию механической нагрузки зависит от механических характеристик волокон, которые можно повысить тепловой обработкой. В то же время, следствием тепловой обработки материалов является их усадка и увеличение плотности. Возможность увеличения устойчивости ворса, а также сохранение или незначительное изменение плотности материалов связаны с использованием смески волокон с различным поведением при нагревании. Для решения такого рода проблем в ряде работ [19, 95] показана эффективность использования материалов, изготовленных из смесок полиэфирных и бикомпонентных волокон с последующей модификацией нагретым воздухом.
Целью настоящего раздела работы являлось исследование влияния режимов термообработки материалов и концентрации бикомпонентных волокон в смесках на увеличение устойчивости ворса к действию механических нагрузок. Определение устойчивости ворсованного нетканого материала проводили по методике 2.2.5.
В начале исследования необходимо было изучить влияние времени термообработки на устойчивость ворсованных нетканых материалов. Изменение высоты ворса (ЛИ) (рис. 3.3 - 3.6), характеризующие его устойчивость, и процессы деформации волокон ворсованной части материалов рассмотрены на примере результатов исследования ворсованных материалов с 20 %-ным содержанием бикомпонентных волокон при различных режимах термообработки. Возможность ограничения приведения экспериментальных результатов связана с тем, что представленные зависимости отражают общий вид зависимостей ворсованных материалов с различным содержанием бикомпонентных волокон.
Анализ зависимостей изменения высоты ворса материалов от нагрузки (рис. 3.3 - 3.6) показывает, что оптимальное время их термообработки составляет 1-2 мин. Дальнейшее увеличение времени обработки образцов практически не влияет на сопротивление волокон ворса механической нагрузке и приводит лишь к незначительному повышению его устойчивости. Уменьшение времени термообработки при практически любой температуре относительно оптимальной величины приводит к получению материалов с низкой устойчивостью ворса. Обработка экспериментальных данных показала, что оптимальное время термостатирования ворсованных материалов, содержащих 35, 50 и 75 % бикомпонентных волокон, составляет 2 мин.
Далее представлялось необходимым решение вопроса о влиянии температуры термообработки и концентрации бикомпонентных волокон на сопротивление действию механической нагрузки волокон ворсованной части материалов. Температурные зависимости сопротивления деформации материалов с различным содержанием бикомпонентных волокон и термообработанньтх при оптимальном времени выдержки, равном 2 мин, представлены на рисунках 3.7-3.14.
Сопротивление ворсованных нетканых материалов фильтруемому потоку жидкости и воздуха
При оценке фильтрующих свойств нетканых материалов, предназначенных для очистки, как жидкостей, так и воздуха, важной характеристикой является сопротивление фильтруемому потоку. Сопротивление фильтруемому потоку характеризует скорость фильтрации. Скорость, с которой вода или воздух проходят через фильтрующий материал, является функцией как размера пор, так и их плотности, то есть их количества на единице поверхности фильтра. Таким образом, для практических целей очень важно знать, как работает фильтрующий материал, то есть скорость фильтрации. Чтобы выяснить влияние состава, структуры и технологических параметров обработки ворсованных нетканых материалов на данную характеристику были проведены исследования по определению сопротивления потоку фильтруемой жидкости и воздуха. Исследования . проводили по методикам, описанным в пункте 2.2.10.
Для оценки сопротивления потоку фильтруемой жидкости нетканых материалов различного способа производства использовали показатель скорости потока воды. 3 начения расхода потока воды через поверхность [л/(м с)] образцов нетканых материалов с различным содержанием бикомпонентных волокон представлены в таблице 4.1. Для сравнения в таблице приведены значения для дорожного материала TYPAR SF производства Франции, а также отечественного нетканого материала из полиэфирных волокон.
Полотно из полиэфирного волокна и представленные для испытаний образцы имеют значительно более высокие значения скорости потока воды по сравнению с аналогом. Такое различие в показателях скорости потока воды через материалы связано, в основном, со способом их производства. Материал TYPAR SF изготовлен методом термоскрепления, который предусматривает прокатку прочеса через нагретые валы каландра. Такой метод изготовления нетканого материала обеспечивает увеличение плотности материала, что является причиной значительного снижения скорости через него потока воды.
Анализ полученных значений (таблица 4.1) свидетельствует о небольшом изменении расхода потока воды (от 18 до 26 л/(м с)) для исследуемых образцов нетканых материалов, изготовленных на основе БКВ, и приближении по этому показателю к нетканому материалу, изготовленному полностью из полиэфирного волокна.
Измерение сопротивления потоку фильтруемого воздуха проводили в соответствии с ГОСТ 12088-77 «Материалы текстильные и изделия из них. Метод определения воздухопроницаемости». В качестве измерительного оборудования использовали прибор по определению сопротивления потоку фильтруемого воздуха ATL-2MFG (пункт 2.2.10).
Полученные результаты (рис. 4.9 - 4.12) свидетельствуют о том, что сопротивление потоку фильтруемого воздуха образцов нетканых ворсованных материалов, изготовленных на основе бикомпонентных волокон, возрастает при повышении содержания в смеске бикомпонентных волокон и создания более жестких условий тепловой модификации.
Однако, все исследуемые материалы удовлетворяют требованиям ГОСТ 12.4.041-89 для противопылевых средств индивидуальной защиты органов дыхания, когда начальное сопротивление на вдохе противопылевых средств индивидуальной защиты органов дыхания постоянному воздушному потоку с объемным расходом 30 дм3/мин, что соответствует линейной скорости потока воздуха 0,5 м/с, в конструкциях без клапанов не должно превышать 50 Па.
Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что с повышением содержания бикомпонентных волокон в смеске, температуры и времени термообработки сопротивление материалов фильтруемым потокам жидкости и воздуха возрастает. Это, в свою очередь, еще раз доказывает образование более плотной структуры материалов с меньшим размером пор. Причем, чем «жестче» условия обработки ворсованных нетканых материалов и чем большее количество бикомпонентных волокон они содержат, тем большее сопротивление фильтруемому потоку они оказывают.
