Hа правах рукописи

КОВАЛЕНКО ВЛАДА ВАЛЕРЬЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ

БУМАГОПОДОБНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ФИЛЬТРОВАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

НА ОСНОВЕ СТЕКЛЯННЫХ ВОЛОКОН

05.21.03 – Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Архангельск 2014

Работа выполнена на кафедре технологии целлюлозно-бумажного производства федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В.Ломоносова»

Научные руководители: – доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Комаров Валерий Иванович – кандидат технических наук, доцент Сысоева Наталья Владимировна

Официальные оппоненты: – доктор технических наук, доцент, профессор кафедры технологии целлюлозы и композиционных материалов СПбГТУРП Махотина Людмила Герцевна – кандидат технических наук, заведующая лабораторией химии растительных биополимеров Института экологических проблем Севера УрО РАН Гусакова Мария Аркадьевна

Ведущая организация: ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт целлюлозно-бумажной промышленности» (ОАО ВНИИБ), г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится « 03 » октября 2014 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.02 в Северном (Арктическом) федеральном университете имени М.В. Ломоносова (163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова

Автореферат разослан « » 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук, профессор Т.Э. Скребец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. По оценкам экспертов в 2013 году доля импорта на рынке фильтровальных материалов превысила 90%. При этом сегмент фильтровальной бумаги для производства воздушных фильтров занимает второе место в объеме импорта. По прогнозам до 2020 г. объем рынка фильтровальной бумаги для производства воздушных фильтров будет увеличиваться, поскольку ожидается активный рост спроса на фильтровальную бумагу в химической, оборонной и других отраслях промышленности. Одна из ключевых проблем для РФ – отсутствие производств фильтровальных бумаг высокого качества. В соответствии со «Стратегией развития химической и нефтехимической промышленности России» приоритетной задачей является выпуск конкурентоспособной продукции. Для ее решения необходимо создание новых производств высокотехнологичных материалов или разработка программы диверсификации существующих. К высокотехнологичным относятся бумагоподобные материалы фильтровального назначения системы «стеклянное волокно – минеральное связующее». Их конкурентными преимуществами являются высокая впитывающая способность и низкий коэффициент проскока при невысоком сопротивлении потоку воздуха. На сегодняшний день развитие производства высококачественных фильтровальных материалов на основе стеклянных волокон сдерживает отсутствие систематических исследований в этой области. В частности, данные по исследованиям наноразмерных стекловолокон отсутствуют. Это обосновывает необходимость проведения дополнительных исследований и разработки рекомендаций по совершенствованию технологии получения конкурентоспособных на международном рынке, высококачественных фильтровальных материалов на основе стеклянных волокон.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы – исследовать влияние основных параметров производства на характеристики качества бумагоподобных материалов фильтровального назначения с улучшенными потребительскими свойствами на основе стеклянных волокон и разработать рекомендации по совершенствованию технологии их получения.

Для реализации поставленной цели решили следующие задачи:

- изучить геометрические размеры и определить фракционный состав исходного стекловолокнистого сырья;

- исследовать влияние переменных факторов процесса связеобразования на свойства продуктов гидролиза соединений алюминия, используемых в качестве связующего;

- исследовать влияние переменных технологических факторов процесса массоподготовки на потребительские свойства бумагоподобных материалов фильтровального назначения на основе стеклянных волокон;

- оценить влияние добавки нанотонких стеклянных волокон на прочностные и фильтрующие свойства бумагоподобных материалов;

- разработать рекомендации по совершенствованию технологической схемы процессов массоподготовки и направленному регулированию параметров получения бумагоподобных материалов фильтровального назначения.

Научная новизна. Впервые дано научное обоснование технологии производства бумагоподобных материалов фильтровального назначения системы «стеклянное волокно – минеральное связующее» со сверхвысокой (ULPA) и высокой (HEPA) эффективностями очистки в соответствии с требованиями международных стандартов. На основе теории прочности композитов установлено значение критической длины стеклянных волокон номинальным диаметром от 0,1 до 0,4 мкм, при котором наблюдается резкое снижение прочностных характеристик, сопровождающееся выдергиванием волокон из структуры листа при разрушении материала. Установлены закономерности влияния основных параметров технологического потока производства бумагоподобных материалов фильтровального назначения на основе стеклянных волокон на изменение их потребительских свойств. Выявлена возможность повышения эффективности фильтрации загрязняющих частиц субмикронного характера без снижения производительности фильтров при использовании в композиции материала наноразмерных стеклянных волокон в количестве не более 25 %.

';

Практическая ценность. Установлена необходимость входного контроля по длине и фракционному составу стекловолокнистого сырья. Разработанные рекомендации по регулированию технологических параметров массоподготовки и изготовления на БДМ, позволившие перейти от дорогостоящих органических на неорганические связующие при улучшении впитывающих свойств, апробированы в ходе опытно-промышленной выработки и внедрены в производство материала фильтровального назначения на основе стеклянных волокон (подтверждено Актом о промышленной выработке).

Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс при изучении дисциплины «Свойства композиционных материалов и их прогнозируемое регулирование» в рамках магистерской программы «Химическая технология переработки древесины» направления подготовки 240100. «Химическая технология».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на международных и региональных научно-технических конференциях, г. Архангельск (2010–2013); международных симпозиумах, г. Стокгольм (2012) и г. Златибор (2010); международной летней школе программы «Фулбрайт» в области точных наук и технологий, г. Казань (2011); международных и всероссийских научно-практических конференциях, г. Санкт-Петербург (2010); всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия», г. Калуга (2010).

Личное участие. При непосредственном участии автора были поставлены и решены задачи теоретического, методического, экспериментального и прикладного характера. Автором были проведены исследования геометрических размеров и фракционного распределения стеклянных волокон, влияния технологических параметров на стадии массоподготовки на потребительские свойства бумагоподобных материалов фильтровального назначения из стеклянных волокон; разработаны рекомендации по совершенствованию технологии получения бумагоподобных материалов фильтровального назначения из стеклянных волокон. Автору принадлежат основные идеи, опубликованных в соавторстве и использованных в диссертации работ.

Публикации. Основные материалы диссертации изложены в 16 научных работах, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает: введение;

аналитический обзор литературы; объекты и методики исследования; экспериментальную часть, состоящую из четырех разделов; рекомендации; выводы; приложение. Содержание работы изложено на 123 с., включая 29 рисунков, 28 таблиц, 1 приложение, библиография – 132 наименования.

Автором на защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы:

- закономерности распределения геометрических размеров стекловолокнистого сырья в зависимости от номинального диаметра;

- результаты исследований по направленному регулированию процесса связеобразования с целью улучшения свойств продуктов гидролиза сульфата алюминия и алюмината натрия;

- закономерности влияния композиционного состава на прочностные и фильтрующие свойства бумагоподобных материалов фильтровального назначения на основе стеклянных волокон;

- рекомендации по совершенствованию и контролю процессов массоподготовки с целью улучшения потребительских свойств бумагоподобных материалов фильтровального назначения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

.

Введение. В данном разделе обоснована актуальность темы диссертационных исследований, сформулированы цели и задачи.

Обзор литературных источников. Представлены классификация фильтровальных материалов для очистки газовоздушных и жидких сред и анализ их свойств. Показаны различия методов оценки их качества в отечественной и международной номенклатурах. Выявлен фрагментарный характер данных о влиянии технологических параметров на структуру и свойства бумагоподобных материалов фильтровального назначения на основе стеклянных волокон номинального диаметра от 0,2 до 0,9 мкм. Проанализированы особенности технологии получения фильтровальных бумаг с добавкой в композицию стеклянных волокон. Обоснована необходимость систематических исследований, внедрение результатов которых должно способствовать импортозамещению высококачественных фильтровальных материалов в стратегически важных отраслях промышленности РФ.

Объекты и методики исследования. Определили объекты и предметы исследования. Исследования структурировали в соответствии с теорией композитов. В ходе экспериментов использовали современные стандартные и оригинальные методики, в том числе усовершенствовали методику определения геометрических размеров стеклянных волокон, а также адаптировали методику исследования прочности клеевых соединений при сдвиге. Полученные результаты обрабатывали методами статистического анализа.

Экспериментальная часть состоит из четырех основных разделов.

1. Исследование геометрических размеров и фракционного состава исходного стекловолокнистого сырья. Геометрия волокон и, как следствие, количество и размер пор являются определяющими при формовании структуры материалов с повышенными впитывающей и фильтрующей способностями. В номенклатуре оценки качества штапельных стеклянных волокон – основного сырья для получения бумагоподобных материалов фильтровального назначения – отсутствуют данные о средней длине и фракционном распределении геометрических размеров волокон. Проведенные исследования позволили выявить диапазоны распределения по длине и диаметру изученных стекловолокнистых полуфабрикатов (таблица 1, рисунок 1).

Таблица 1 – Геометрические размеры стекловолокнистых полуфабрикатов Доля коротковолокнистой фракции (КВФ) длиной до 1,2 мм, % Содержание, % Рисунок 1 – Фракционный состав по длине (а) и диаметру (б) стекловолокна Высокая полидисперсность волокон как по длине, так и по диаметру обусловлена особенностями их получения, что подтверждается большой разницей между минимальным и максимальным значением по длине волокна, независимо от номинального диаметра. Повышение средней длины наблюдали по мере перехода от нанотонких волокон номинальным диаметром 0,1 мкм к супертонким – 3,0 мкм. Дифференциальные распределения, представленные на рисунке 1, свидетельствуют о закономерном увеличении вариации стеклянных волокон по длине по мере увеличения номинального диаметра. На основании установленных диапазонов распределения по длине (lисх ср) и диаметру (dисх ср) исходных стеклянных волокон математически определили уравнения: lисх ср = 2,65ln(dисх ср) + 6,19 и dисх ср = 0,63dн + 0,12, позволяющие осуществлять выбор стекловолокнистых полуфабрикатов для получения бумагоподобных материалов фильтровального назначения с заданными свойствами в зависимости от номинального диаметра (dн). Кроме того, в ходе исследований выявили нестабильность поперечного диаметра по длине волокна, что также обуславливается особенностями производства. По результатам статистического анализа (период отбора проб – 2 года) установили, что средневзвешенная длина для стеклянных волокон одного номинального диаметра изменялась с коэффициентом вариации до 14 % в зависимости от партии. Выявили, что при диаметре стеклянных волокон не превышающем 0,4 мкм, что в 10 раз меньше толщины волокон хвойной целлюлозы, их длины сопоставимы. Это может стать причиной повышенной флокуляции стеклянных волокон. Все это обуславливает необходимость входного контроля по геометрическим размерам стекловолокон и направленного регулирования технологических параметров процессов массоподготовки стекловолокнистых полуфабрикатов.

2. Исследование свойств минеральных связующих на основе соединений алюминия. Стеклянные волокна, в отличие от целлюлозных, не обладают способностью к образованию прочных межволоконных связей, поэтому для решения данной задачи исследовали свойства продуктов гидролиза соединений алюминия, работающих как связеобразующий компонент в системе «стеклянное волокно – минеральное связующее». Для оценки прочности связующего применяли адаптированную методику определения прочности клеевых соединений при сдвиге. В ходе эксперимента варьировали рН в диапазоне 7–10, как оптимальном для получения максимальной прочности исследуемых веществ, и температуру сушки от комнатной до 125 °С (таблицы 2, 3).

Невысокий уровень полученных значений прочности связующих объясняется отсутствием электростатического взаимодействия в исследуемой системе. Максимум прочности продуктов гидролиза соединений алюминия достигается в области рН 10 для алюмината натрия и рН 8–9 для сульфата алюминия, что обуславливается максимальной степенью их полимеризации при данных значениях рН. При дальнейшем повышении рН прочность продуктов гидролиза снижается, вероятно, за счет процесса их деполимеризации. Полученные данные подтверждаются определением -потенциала, отрицательные значения которого можно объяснить сильной гидратацией продуктов гидролиза соединений алюминия. Больший по модулю -потенциал при меньшей прочности продуктов гидролиза сульфата алюминия можно объяснить присутствием группы (SO4)2–. Для продуктов гидролиза алюмината натрия максимум -потенциала наблюдали при рН 10, для сульфата алюминия – при рН 9. Их связеобразование с волокном обеспечивается за счет дегидратации в процессе сушки. Продукты гидролиза соединений алюминия обладают повышенной влагоемкостью при рН 9, составившей около 400 и 300 % для алюмината натрия и сульфата алюминия соответственно.

Таблица 2 – Влияние рН на свойства продуктов гидролиза соединений алюминия Соединение Таблица 3 – Влияние температуры сушки на прочностные характеристики продуктов гидролиза соединений алюминия при оптимальных рН Примечание: 110п – сушка с постепенным поднятием температуры до 110 С.

Оценка влияния температуры сушки на прочностные свойства продуктов гидролиза алюминия показала полное разрушение образующихся структур при Т 125 °С парами вскипания содержащейся в образцах воды.

Для достижения удовлетворительной прочности температура сушки продуктов гидролиза соединений алюминия должна быть менее 115 С, что обеспечивает образование более прочных водородных связей. Наилучшие результаты получили при режиме сушки, моделирующем постепенный подъем температуры в соответствии с реальным технологическим процессом. Это объясняется постепенным испарением воды, сопровождающимся повышением плотности образующихся структур.

Установили, что характеристики прочности продуктов гидролиза алюмината натрия в 2 раза превосходят таковые для сульфата алюминия, что определяет избирательное влияние добавок связующего на качество материала.

3. Исследование влияния факторов массоподготовки на свойства бумагоподобных материалов фильтровального назначения. На первом этапе исследовали влияние фундаментальных свойств стекловолокна на потребительские свойства бумагоподобных материалов фильтровального назначения на его основе. Для этого изготавливали лабораторные образцы материала с заданным значением средней длины волокна. Ниже представлены данные по наиболее распространенному микро- и наименее изученному – нанотонкому стекловолокнам (таблицы 4, 5; рисунки 2, 3). Полученные закономерности изменения свойств исследуемых образцов соответствуют теоретическим представлениям об образовании более равномерного на просвет листа с пониженной пористостью при уменьшении средней длины волокна. Значение индекса формования свидетельствует о лучшей равномерности просвета образцов и, как следствие, меньшей флокуляции микротонких стекловолокон.

Таблица 4 – Изменение характеристик структуры бумагоподобного материала в зависимости от средней длины стеклянных волокон разных марок Длина Индекс Пористость, Шероховатость, Капиллярная Фильтрующая волокна, формования мл/мин мл/мин впитываемость, способность, с Номинальный диаметр 0,1 мкм (нанотонкое волокно) Номинальный диаметр 0,25 мкм (микротонкое волокно) Сильная «облачность» образцов на основе нанотонких волокон наглядно продемонстрирована на рисунке 2, а и подтверждается распределением по размеру флокул (рисунок 3, а), что можно объяснить большей гибкостью нанотонких волокон. Подтверждением служат установленные повышенные значения пористости и капиллярной впитываемости образцов из микротонких волокон, обусловленные более грубой капиллярно-пористой структурой.

Рисунок 5 – Фотографии образцов на просвет на основе нанотонких (а) и микротонких (б) стеклянных волокон со средней длиной 1,2 мм Из лепестковых диаграмм (рисунок 3) видно, что форма распределения флокул по размерам меняется при снижении средней длины волокна в суспензии ниже 1,2 мм не зависимо от их номинального диаметра. Вероятно, в этой области находится «пороговое» значение длины стеклянных волокон.

Рисунок 3 – Влияние средней длины нанотонких (а) и микротонких (б) стеклянных волокон на распределение по размеру флокул в структуре образцов Для подтверждения выдвинутого предположения в таблице 5 представлены результаты исследований фундаментальных свойств стеклянных волокон и их влияние на фильтрующие свойства материалов.

В ходе исследований установили корреляцию эффективности фильтрации (Е) с индексом формования и распределением по размерам флокул в образцах, что подтверждает наличие ранее установленного «порогового» значения средней длины стеклянных волокон.

Таблица 5 – Изменение свойств бумагоподобных материалов в зависимости от средней длины стеклянных волокон разных марок lв, мм, мкм, % Fсв, кПа р0, МПа р, МПа lкр, мм MPPS, мкм Е, % Номинальный диаметр 0,1 мкм (нанотонкое волокно) Номинальный диаметр 0,25 мкм (микротонкое волокно) Наибольшую эффективность фильтрации зафиксировали в исследуемых образцах из нанотонких стеклянных волокон. Отметим, что для образцов со средней длиной не более «порогового» значения достигалась сверхвысокая эффективность очистки – класс ULPA, при этом размер наиболее проникающих частиц (MPPS) не превышал 0,05 мкм. Образцы из микротонких стеклянных волокон номинальным диаметром не более 0,4 мкм имеют высокую эффективность очистки воздуха и соответствуют классу HEPA.

Анализ результатов определения прочности при растяжении показал значительные отличия в поведении образцов из стеклянных волокон. Так, разрушающее напряжение при растяжении (p) растет по мере снижения длины волокон в исследуемом диапазоне значений, вопреки общепринятым представлениям, справедливым для материалов из растительных волокон. При этом деформация () закономерно снижается с уменьшением средней длины волокна. Как известно, стеклянные волокна не способны к фибриллированию и повышению эластичности в процессе их переработки. Таким образом, сохранение длины стеклянных волокон (lв) не обуславливает повышения прочности материала. Необходимо отметить крайне низкие значения межволоконных сил связи (Fсв) даже при использовании связующего в композиции материала. В ходе исследований выявили, что прочность материала при нулевом расстоянии между зажимами (p0), косвенно оценивающая собственную прочность стеклянного волокна, сопоставима с прочностью материала в целом и практически не зависит от средней длины волокон в образце.

Таким образом, было выдвинуто предположение, что повышение прочности при растяжении, по мере снижения длины волокна, происходит за счет увеличения сил трения в результате уплотнения структуры листа, о чем свидетельствует снижение толщины () и индекса формования исследуемых образцов. Отмеченная тенденция справедлива для стеклянных волокон номинальным диаметром не более 0,4 мкм.

Расчет критической длины стеклянных волокон (lкр) позволил установить механизм разрушения стекловолокнистых бумагоподобных материалов, свидетельствующий о преимущественном выдергивании стеклянных волокон из структуры листа ввиду многократно завышенных значений критической длины по сравнению со средней для исследуемых марок стеклянных волокон.

Важно отметить, что, несмотря на слабую зависимость прочности материала от фундаментальных свойств стеклянных волокон в исследуемом диапазоне значений, снижение средней длины волокон менее 0,7 мм приводит к резкому ухудшению всех потребительских свойств материала. Образцы приобретают повышенную пылимость и «рассыпаются» в руках вследствие перехода значительной части стеклянных волокон в «мельштоф», не способный образовать прочный волокнистый каркас структуры.

На втором этапе для направленного регулирования процесса укорочения стеклянных волокон контролировали изменение их длины в зависимости от условий диспергирования. Описание процесса осуществляли по критерию Рейнольдса (Re), оценивающему степень турбулентности системы. С учетом конструкционных особенностей гидроразбивателя и технологических параметров диспергирования: концентрация суспензии (c = 0,05–1,0 %) и скорость перемешивающего устройства (n 3000 об/мин).

Результаты анализа позволили установить оптимальные условия процесса диспергирования: 1,4104 Re 2,9104. При Re < 1,4104 условия «мягкие», необходимо увеличение продолжительности процесса () для получения суспензии с заданной средней длиной волокна. При Re > 2,9104 происходят резкое укорочение волокон и накопление мелкой фракции, не способной образовывать прочный волокнистый каркас. По проведенным расчетам выделили ключевой параметр, влияющий на абсолютную величину Re, – скорость работы перемешивающего устройства, что наглядно продемонстрировано на примере стекловолокон номинальным диаметром 0,25 мкм (рисунок 4). Высказанные предположения подтверждаются не симбатным характером кривой при 3000 об/мин, отражающей изменения максимальной длины и доли КВФ (рисунок 5). При этом наибольшее укорочение стекловолокна наблюдали при c > 0,3 % и > 10 мин соответственно.

скорость перемешивания, об/мин: 1 – 1500; 2 – 1700; 3 – Рисунок 5 – Изменение характеристик стекловолокнистой суспензии в зависимости от ее концентрации и продолжительности перемешивания 5 (а) и 15 мин (б) По результатам экспериментов выделили значения технологических параметров, обеспечивающие рекомендованные значения Re, для направленного регулирования процесса диспергирования. Например, критическими значениями при повышенной интенсивности диспергирования (Re = 2,9104) являются n =3000 об/мин, = 15 мин, c = 0,2 %; при низкой интенсивности (Re = 1,4104) n =1500 об/мин, = 15 мин, c = 0,5 %.

Результаты проведенных исследований позволяют обоснованно выбрать технологические параметры для получения бумагоподобных материалов фильтровального назначения с заданными свойствами.

4. Исследование влияния композиционного состава на прочностные и фильтрующие свойства бумагоподобных материалов фильтровального назначения на основе стеклянных волокон. Исследования проводили на лабораторных образцах, полученных при варьировании переменных факторов, выделенных в ходе работы как наиболее значимые (температура сушки, расход и вид связующего и содержание нанотонкого волокна в композиции). рН среды связеобразования поддерживали постоянным на основании ранее полученных результатов (таблицы 6, 7, 8).

Таблица 6 – Влияние температуры сушки на прочность материала, МПа Примечание: 110п – сушка с постепенным поднятием температуры до 110 С.

По представленным выше данным установили температуру сушки, позволяющую получить материалы с максимальной прочностью независимо от вида связующего. Она составила 115 °С. Данное значение достаточно для формирования прочных водородных связей, как было показано ранее, при сохранении плотности структуры материала.

Таблица 7 - Влияние расхода связующего на свойства материала, МПа Установили, что все исследуемые образцы при расходе связующего не более 10 % обладают крайне низкой прочностью. Увеличение расхода связующего приводит к повышению прочности, материал при этом становится более жестким, его растяжимость снижается. Полученные зависимости не линейны, перегиб наблюдается при расходе 20 % не зависимо от вида связующего. При большем расходе связующего происходит закономерное ухудшение фильтрующей способности вследствие уплотнения структуры за счет закупоривания пор избытком связующего (фильтрующая способность характеризует скорость фильтрации и способность задерживать загрязняющие частицы). На основании полученных данных установили, что добавка продуктов гидролиза алюмината натрия повышает прочностные характеристики, сульфата алюминия – улучшает фильтрующие свойства материала. Для сохранения баланса свойств бумагоподобных материалов фильтровального назначения расход связующего следует поддерживать на уровне 20 %.

Влияние добавки нанотонкого в композицию микротонкого стеклянного волокна изучали на лабораторных образцах с расходом связующего 20 % при температуре сушки 110 °С, таблица 8.

Таблица 8 – Влияние добавки нанотонкого в композицию микротонких стеклянных волокон на потребительские свойства материала Характеристика Разрушающее напряжение, МПа Фильтрующая способность, с Сопротивление мм.вод.ст.

Коэффициент проскока масляного тумана, Эффективность 99,05 99,998 99,85 99,998 99,92 99,9994 99,92 99,9995 99,98 99, очистки, % Воздухопроницаемость, л/(м2с) Увеличение содержания нанотонкого стеклянного волокна номинальным диаметром 0,1 мкм приводит к снижению прочностных характеристик материала вне зависимости от используемого связующего, что обусловлено меньшей собственной прочностью волокон, как было показано ранее. При этом лист бумаги получается более плотный с тонкой капиллярно-пористой структурой, что приводит к снижению фильтрующей способности материала при увеличении сопротивления потоку воздуха и эффективности очистки, сопровождающимися снижением производительности фильтров.

РЕКОМЕНДАЦИИ

Усовершенствованную по результатам диссертационного исследования технологическую схему представили на рисунке 6. Отличительной особенностью предложенной схемы является отдельное диспергирование разных стекловолокнистых полуфабрикатов. Для повышения эффективности на стадии диспергирования предусмотрена подача щелочи при поддержании концентрации волокнистой суспензии около 0,5 %.

1 – гидроразбиватель; 2 – приемный бассейн; 3 – композиционный бассейн;

4.1, 4.2, 4.3 – баки химикатов; 5 – вихревая очистка; 6 – машинный басcейн Рисунок 6 – Технологическая схема процесса массоподготовки После диспергирования в гидроразбивателях необходимо контролировать средневзвешенную длину волокнистых полуфабрикатов и поддерживать ее на уровне 1,6–2,0 мм с учетом укорочения на следующих стадиях технологического процесса. Для удаления неволокнистых включений (корольков) в схеме предусмотрена вихревая очистка, содержащая не более трех ступеней.

Подача химических добавок рекомендована в машинный бассейн. Для выравнивания массы концентрацию в машинном бассейне следует поддерживать в диапазоне 0,12–0,23 %. При этом вид и расход связующего выбираются в соответствии с заданными требованиями качества. Установили, что последовательность введения неорганического связующего и регулятора рН не оказывает влияния на изменение потребительских свойств материала. Также в данной технологии предусмотрено применение органических клеев для достижения повышенных качественных характеристик при специальных требованиях к готовой продукции. Перед БДМ средняя длина стеклянных волокон не должна превышать 1,2 мм при их номинальном диаметре не более 0,4 мкм.

Таким образом, для получения высококачественного материала фильтровального назначения необходимы отдельное диспергирование разных стекловолокнистых полуфабрикатов и добавка связующего в машинный бассейн, где концентрация массы поддерживается в диапазоне 0,12–0,23 %. При этом вид и расход связующего выбираются в соответствии с заданными требованиями. Для достижения повышенных фильтрующих свойств необходимо поддерживать: расход сульфата алюминия не более 20 % (рН 8), температуру сушки материала не более 115 °С, содержание нанотонкого волокна не менее 25 % в композиции микротонких стеклянных волокон; для повышенных прочностных свойств – расход алюмината натрия не менее 20 % (рН 9), температура сушки материала не более 115 °С, 100 % стеклянное волокно номинальным диаметром 0,25 мкм.

ВЫВОДЫ

1. Установлено «пороговое» значение длины, составляющее 1,2 мм для стеклянных волокон номинальным диаметром не более 0,4 мкм, выше которого наблюдается снижение фильтрующих и прочностных свойств бумагоподобных материалов. При этом разрушение бумагоподобного материала фильтровального назначения на основе стекловолокна происходит за счет преобладающего процесса выдергивания элементарных стеклянных волокон в зоне разрушения образцов.

2. Показано, что для материалов из стеклянных волокон, средняя длина которых не более 1,2 мм, размер наиболее проникающих частиц (MPPS) составляет 0,05 мкм. Фильтровальные материалы из нанотонких стеклянных волокон обеспечивают класс очистки ULPA, из микротонких номинальным диаметром не более 0,4 мкм – класс очистки HEPA.

3. Установлены оптимальные условия процесса диспергирования:

1,4104 Re 2,9104. При Re < 1,4104 условия диспергирования «мягкие», необходимо увеличение продолжительности процесса для получения суспензии с заданной средней длиной волокна. При Re > 2,9104 происходит резкое укорочение волокон и накопление мелкой фракции.

4. На основании установленных диапазонов распределения по длине (lисх ср) и диаметру (dисх ср) исходных стеклянных волокон математически определены уравнения: lисх ср = 2,65ln(dисх ср) + 6,19 и dисх ср = 0,63dн + 0,12, позволяющие осуществлять выбор стекловолокнистых полуфабрикатов для получения бумагоподобных материалов фильтровального назначения с заданными свойствами в зависимости от номинального диаметра (dн).

5. Экспериментально подтверждена избирательность влияния продуктов гидролиза соединений алюминия на характеристики качества бумагоподобных материалов фильтровального назначения. Добавка алюмината натрия повышает прочностные характеристики, сульфата алюминия – улучшает фильтрующие свойства.

Список публикаций, в которых изложены основные положения диссертации:

1. Сысоева, Н.В. Влияние критической длины стеклянных волокон на качество бумагоподобных материалов фильтровального назначения / Н.В. Сысоева, В.В. Коваленко // ИВУЗ. Лесн. журн. – 2014. – № 1. – С. 118–124.

2. Коваленко, В.В. Фракционный состав по длине штапельных стеклянных волокон, используемых в производстве бумаги. Методы определения / В.В. Коваленко, Н.В. Сысоева, В.К. Дубовый, А.И. Безлаковский // ИВУЗ.

Лесн. журн. – 2011. – № 6. – С. 101–106.

3. Коваленко, В.В. Фракционный состав по диаметру штапельных стеклянных волокон, используемых в производстве бумаги специального назначения / В.В. Коваленко, Н.В. Сысоева, В.К. Дубовый, А.И. Безлаковский // ИВУЗ.

Лесн. журн. – 2011. – № 5. – С. 101–105.

4. Kovalenko, V.V. Problems of determining the length of glass fibers which are used for making special types of paper / V.V. Kovalenko, А.I. Bezlakovskiy, N.V. Sysoeva // The 8th International Paper and Coating Chemistry Symposium in Stockholm, Sweden. – Stokholm, 2012. – Р. 331–332.

5. Dubovoy, V.K. The influence of acid treatment of glass fibers on properties of composites similar to paper / V.K. Dubovoy, А.I. Bezlakovskiy, V.V. Kovalenko, N.V.

Sysoeva, V.I. Komarov // XVI International symposium in the field of pulp, paper, packaging and graphics. – Belgrade, 2010. – P. 211–215.

6. Безлаковский, А.И. Связеобразование в системе «минеральное волокно – минеральное связующее» / А.И. Безлаковский, В.К. Дубовый, Н.В. Сысоева, В.В. Коваленко // XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. – Волгоград, 2011. – С. 32.

7. Коваленко, В.В. Изменения фракционного состава минеральных волокон в процессах обработки и переработки / В.В. Коваленко, Н.В. Сысоева, В.К. Дубовый, А.И. Безлаковский // Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов: материалы I Междунар. науч.-техн. конф. Сев. (Арктич.) федер. ун-та им. М.В. Ломоносова. – Архангельск, 2011. – С. 238–243.

8. Коваленко, В.В. Связеобразование в минеральных материалах / В.В. Коваленко, Н.В. Сысоева, В.К. Дубовый, А.И. Безлаковский // Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение (ВНКШСаранск, 2011. – С. 50.

9. Сысоева, Н.В. Влияние условий образования на свойства полиядерных комплексов алюминия / Н.В. Сысоева, В.В. Коваленко, Ю.И. Третьякова, В.К. Дубовый, А.И. Безлаковский // Научные обоснования эффективных систем производства бумаги флютинга, тест-лайнера и гофрокартона: материалы и докл. 12-й междунар.

науч.-техн. конф. (г. Караваево). – МГУЛ, 2011. – С. 87–91.

10. Безлаковский, А.И. Особенности массоподготовки минерально-волокнистых листовых композитов / А.И. Безлаковский, В.В. Коваленко, В.И. Комаров, Н.В. Сысоева, В.К. Дубовый // Новое в подготовке волокнистой массы для различных видов бумаги и картона: 3-я Междунар. науч.-практ. конф. – СПб, 2010. – С. 52–54.

11. Коваленко, В.В. Влияние композиции минерально-волокнистых листовых материалов на изменение впитывающей способности / В.В. Коваленко, Н.В. Сысоева, А.И. Безлаковский, В.К. Дубовый, В.И. Комаров // // Новое в подготовке волокнистой массы для различных видов бумаги и картона: 3-я Междунар. науч.-практ.

конф. – СПб, 2010. – С. 72–76.

12. Дубовый, В.К. Создание бумагоподобных высокотехнологичных нанокомпозитов на основе минеральных волокон / В.К. Дубовый, Н.В. Сысоева, В.В. Коваленко // Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах: XIV Всерос. науч.-метод. конф. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. – С. 259–260.

13. Коваленко, В.В. Влияние обработки минеральноволокнистых композитов кислотой на их механическую прочность / В.В. Коваленко, Н.В. Сысоева, В.К. Дубовый, В.И. Комаров // Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия». – Москва: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – С. 434–437.

14. Третьякова, Ю.И. Методы повышения прочности кремнеземных волокон / Ю.И. Третьякова, В.В. Коваленко, А.И. Безлаковский // Образование и наука: ступени развития: материалы регион. молодеж. науч.-практ. конф. – Архангельск, 2010. – С. 281–282.

15. Коваленко, В.В. Совершенствование технологических основ получения стекловолокнистых бумагоподобных композитов // Развитие Северо-Арктического региона: проблемы и решения: материалы науч. конф. проф.-преподоват. состава, науч.

сотрудников и аспирантов Сев. (Арктич.) федер. ун-та им. М.В. Ломоносова, посвящ. Дню рос. науки. – Архангельск: ИПЦ САФУ, 2012. – Ч. 2. – С. 138–140.

16. Kovalenko, V.V. Mineral fibers as raw material for making composite similar to paper / В.В. Коваленко, В.К. Дубовый, В.И. Комаров // Сборник статей студентов С(А)ФУ по итогам научно-исследовательских работ. – Архангельск, 2010. – С. 64–67.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными гербовой печатью подписями просим направлять по адресу:

163002, г. Архангельск, набережная Северной Двины, 17, САФУ имени М.В. Ломоносова, диссертационный совет Д212.008.