Матвеев А.Т., Афанасов И.М. - Получение нановолокон методом электроформирования, страница 12

Повысить емкость можно, например, термическойобработкой. Углеродные материалы, получаемые при карбонизации ЭФ-волокон изфенолформальдегидной смолы, обладают удельной поверхностью до 2000 м2/г,статическойемкостьювнесколькихдесятыхдолейг/г,атакжепроявляютизбирательность к тем или иным молекулам в зависимости от размеров пор [9].ЭФ-материалы также способны сорбировать жидкости. Эта способность, преждевсего, определяется свойствами поверхности волокон и поверхностной энергиейжидкости. Почти все используемые в ЭФ-процессе волокнообразующие полимерыгидрофобны,идляихсмачиванияводойприходитсяиспользоватьдобавкисоответствующих ПАВ либо в прядильный раствор, либо непосредственно в воду.  62  Исключение составляет диацетат целлюлозы, поливиниловый спирт и полиэтиленоксид.Органические жидкости смачивают волокнообразующие полимеры избирательно, однаковсегда можно подобрать пару взаимно растворимых жидкостей, одна из которых хорошосмачивает волокна, и предварительная пропитка ею волокнистого слоя обеспечиваетзатем его смачивание другой жидкостью.

Хорошая смачиваемость обеспечивает быструювпитываемость, однако ЭФ-материалы в смачивающей жидкости набухают и могутраспадаться на отдельные волокна. Непроклеенные слои при этом могут дажеразрушаться. Проклейка волокон существенно ограничивает распухание материала ипредотвращает его разрушение.ЭФ-материалыхарактеризуютсянизкойтеплопроводностью,обусловленнойвысокой пористостью и плохим контактом между волокнами, что ограничиваетконвективную составляющую передачи тепла. При нормальных условиях на воздухе убольшинства ЭФ-материалов он не превышает 0,04-0,06 Вт/м.К, что близко ктеплопроводности самого воздуха 0,023 Вт/м.К.

В дополнение к этому вплоть дотемпературы жидкого гелия они сохраняют способность к сильной необратимойдеформации при растяжении и сгибе без заметной потери прочности и растрескивания.Наряду с низкой электропроводностью полимеров слабый контакт междуволокнами также обеспечивает низкую электропроводность волокнистого слоя. Так,например, у российских материалов ФПП-15-1,5 и ФПС-15-1,5 из перхлорвиниловойсмолы и полистирола соответственно удельное электросопротивление достигает 1020Ом⋅см. Естественно, удельное сопротивление некоторых волокнистых материалов резкоснижается при термообработке: у графитированных материалов С-30 и С-31 оносоставляет 103 - 104 Ом⋅см.В зависимости от электропроводности и структурных параметров ЭФ-продукцияможет быть радиоотражающей, радиопрозрачной или радиопоглощающей.

Как и у другихдисперсных материалов, ее отражающей способностью и полосами поглощениярадиоволн можно управлять путем соответствующих изменений электрических свойствволокон по глубине слоя. Кроме того, как любая фазовонеоднородная и, следовательно,оптически неоднородная среда, ЭФ-материалы способны отражать, рассеивать ипоглощать световые волны.Способность к звукоизоляции ЭФ-материалов обусловлена наличием между ееволокнами способной к диссипации энергии звука газовой среды. На частотах 250-1000 Гц  63  коэффициент поглощения звука в диффузном поле покрытием из ЭФ-материаловдостигает 0,9, а коэффициент ослабления − 10 дб/мм [9].4 .ПрименениеЭФ-волокна и материалы, полученные на их основе, применяются в целом рядеобластей: медицине, биоинженерии, электронике, в фильтрации газов и жидкостей, всоздании композиционных материалов (для армирования полимерных матриц) и др.

(рис.4.1). При этом в промышленных масштабах ЭФ-продукция производится лишь длясоздания различных фильтров (их рынок в 2020 составит 700 млрд долларов США) итрадиционных медицинских применений. У исследователей же наибольший интересвызывает применение ЭФ-продукции в биоинженерии и медицине, чему посвященобольшинство публикуемых в открытой печати работ.Рис. 4.1. Области применения ЭФ-материалов 4.1. ФильтрацияФильтрация газовНесмотря на возросший интерес к применению ЭФ-продукции в медицинскихприложениях, фильтрация газов остается ее главной сферой применения. ИспользованиеЭФ-материалов позволяет защитить производственный персонал и окружающую среду отрадиоактивных, токсичных и бактериальных аэрозолей, а также обеспечить чистоту истерильность технологических газовых сред и атмосферы рабочих зон в производствах  64  особо чистых веществ, лекарств, продуктов питания, биопрепаратов, материалов иизделий электронной и аэрокосмической техники.Рассмотрим несколько примеров.

На рис. 4.2. изображена схема применяемой вмноготоннажном производстве азотной кислоты система очистки воздуха и газообразногоаммиака, подаваемых в окислительный каталитический конвертор. Для очистки воздухаот атмосферной пыли используются 96 снаряженных материалом ФПП-15-1,5 (изперхловиниловойсмолы,среднийдиаметр1,5мкм)фильтровД-33общейпроизводительностью 200 тыс м3/час, а для очистки аммиака от аэрозолей, образующихсяпри его кипении в испарителе при давлении 7,2 атм, - 2 снаряженных стойким к нему темже ЭФ-материалом фильтра А-17. Эффективность очистки составляет 99,95%, чтоприводит к существенному повышению выхода продукции и увеличению срока службыплатинового катализатора.Рис. 4.2. Система очистки технологических газов в производстве азотной кислоты.

1фильтры Д-33, 2-холодильник, 3-компрессор, 4-емкость с жидким аммиаком, 5испаритель, 6-предфильтры с лавсановой ватой, 7- фильтры А-17, 8-контактный аппаратПодобный положительный эффект достигается и при очистке от атмосферной пыливоздуха, используемого в промышленном процессе каталитического окисления нафталинаи о-ксилола во фталевый ангидрид – важный промежуточный продукт в производстверазличных производных фталевой кислоты (сложных эфиров, фталимида, фталонитрила идр.), глифталевых и пентафталевых смол, красителей (фенолфталеина, флоуресцеина,родамина и антрахинона) и лекарственных средств (фталазола, фенилина) (рис. 4.3).  65  Рис.4.3.

Установка для очистки атмосферного воздуха в производстве фталевогоангидрида: 1-воздухозаборная труба, 2-фильтрв Д-33 (три блока по 20 шт)Бактериальныефильтрынаосновегидролитическистойкихволокнистыхматериалов ФП применяют в процессах асептического консервирования, глубинноговыращивания микроорганизмов при производстве антибиотиков, аэробной ферментации ив иных микробиологических технологиях [9].Также важной областью фильтрации газов является мониторинг аэрозолей втехнологическихгазовыхсредах,производственнойатмосфере,вентиляционныхвыбросах и окружающей среде, осуществляемый путем прокачки воздуха или другихгазов через аналитические фильтры и последующего анализа осадка. Это позволяетконтролировать концентрацию аэрозольных частиц различной химической природы ипроисхождения, а также дисперсный состав аэрозолей и индивидуальные характеристикиаэрозольных частиц: их форму, плотность и т.п., причем последнее осуществляется сприменением методов электронной микроскопии без разрушения исходной структурыаэрозольных частиц.Образцы аналитической продукции ЭФ-процесса показаны на рис.

4.4, а ееассортимент, основные характеристики и назначение приведены в табл.8.  66  Рис.4.4. Аналитический фильтрТаблица 8. Ассортимент и назначение аналитической ЭФ-фильтров.МаркаМатериалПолимерДиаметр, ммПоверхностнаяплотность,мг/см2Объект мониторингаЭффективностьулавливания,%*В-18В-10В-3ФПП-15Перхлорвиниловаясмола7060403,0Весоваяконцентрация95ХП-18ФПП-15ХА-18ФПА-15704,0Химический состав90-95ХМ-18ФПМ-15ПерхлорвиниловаясмолаДиацетатцеллюлозыПолиметилметакрилат3,0Активностьрадионуклидов95-97РМП-20РМП-10РМП-3РСП-20РСП-10РСП-3ФПП-15ПерхлорвиниловаясмолаФППЛФСПерхлорвиниловаясмолаРГП-33,540Д-3ФПП-15Б-20ФПП-15С-И-У-20ФПП-15С-РУ-20706040706040ПерхлорвиниловаясмолаПерхлорвиниловаясмолаПерхлорвиниловаясмола402,570704,0ФПППерхлорвиниловая7015**смола*эффективность улавливания при скорости 1 м/с4,0Спектр излучениярадионуклидовИндивидуальнаяактивность частицАктивность размер иформа частицКонцентрациябактерийКонцентрация пароворганическихвеществКонцентрация паровртути95-989990-9990-99**материал используется с сорбентом – активированным углемОтметим, что фильтры, применяемые в перечисленных целях, работают встационарных режимах, не регенерируются и периодически заменяются.

Их эффективнаяработа обеспечивается при достаточно низких скоростях фильтрации − несколько см/с − иобъеме волокнистого слоя не менее 10% от общего объема фильтра, что достигаетсяопределенной разверткой волокнистого слоя в объеме фильтра.  67  Следующей практически важной областью фильтрации газов, в которой ЭФпродукция сыграла незаменимую роль, является использование ее в средствахиндивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД), самым известным примером которыхявляется противопылевой респиратор «Лепесток» (рис.4.5). Его достоинства: высокаяэффективность, низкое сопротивление, надежность обтюрации, простота и дешевизна, обусловлены электрическим зарядом волокон, время жизни которого при храненииреспиратора практически неограничено, а при одноразовом применении - покрывает егократковременный ресурс.

В качестве фильтрующего слоя и обтюратора здесьиспользуются волокнистые материалы из перхлорвиниловой смолы, полистирола и егосополимеров.Рис. 4.5. Респиратор «Лепесток» в исходном (а): 1- фильтрующий слой, 2 – обтюратор, 3 –резиновый шнур, 4 – лямки, 5 – распорка; и б) рабочем состоянииФильтрация жидкостейЕсли в решении целого ряда практических задач фильтрации газов ЭФ-продукцияиграет существенную, а часто и решающую роль, то в фильтрацию жидкостей ее вкладограничен. Это связано со сравнительно низкими значениями коэффициентов захватагидрозольныхчастицмикронныхисубмикронныхразмеров,обусловленногопреимущественно единственным для них механизмами − зацеплением. Однако ЭФфильтры используются в сочетании с мембранными и нуклепорными фильтрами, чтоповышает емкость таких двухслойных фильтров и увеличивает их временной ресурс. Приэтом волокнистый слой играет роль предварительного фильтра, накапливающего  68  основную часть осадка в своем объеме, а мембранный или нуклепорный фильтры - рольвысокоэффективного финишного.