4.2.1.2 Основные компоненты современных фильтрующих материалов

Большинство фильтрующих материалов для средств защиты органов дыхания и фильтров-поглотителей коллективных средств защиты в настоящее время изготавливаются на основе целлюлозных, асбестовых, стеклянных, базальтовых и полимерных волокон.

Целлюлоза представляет собой высокомолекулярное соединение, молекула которого состоит из многократно повторяющихся глюкозных звеньев состава С₆Н₁₀О₅. Она широко распространена в природе и является важной составной частью растений и водорослей. Удельная масса целлюлозы ρ  1,55 г/см³. Целлюлоза неоднородна. В ее состав входят -целлюлоза, гемицеллюлоза и различные примеси (лигнин, смолы, минеральные соли и др.). В фильтрующих материалах используется целлюлоза, очищенная от примесей сульфатным или сульфитным способом. Целлюлоза не растворяется в воде и обычных органических растворителях. Она разрушается под действием кислот, окислителей, растворов кислых солей и щелочей. Отличается высокой стойкостью к воздействию влаги и гигроскопичностью – способна поглотить до 8 % влаги при относительной влажности воздуха 65 % и до 25 % – при 93…95 %. Волокна целлюлозы имеют форму ленточек неправильной формы шириной 15…30 мкм и толщиной 1-5 мкм. Длина лент зависит от исходного сырья и технологии его размола. Для изготовления фильтрующих материалов используется целлюлоза с длиной лент до 1 мм. При производстве фильтрующих материалов целлюлоза подвергается сложной обработке, одним из этапов которой является процесс мерсеризации – обработки целлюлозы раствором NaOH для ее набухания и растворения низкомолекулярных фракций.

В фильтрующих материалах вместо целлюлозы могут применяться также хлопковые и вискозные волокна. Хлопковые волокна содержат до 94 - 95 % целлюлозы, поэтому их физико-химические свойства определяются в основном свойствами целлюлозы. Вискозные волокна относятся к искусственным волокнам. В средствах защиты используются также фильтрующие материалы, изготовленные на основе только одних полимерных волокон.

Асбесты это минералы, способные расщепляться на тонкие прочные и гибкие волокна. Диаметр волокон составляет 0,1…1,0 мкм, длина – 20 мкм и более. Для изготовления фильтрующих материалов используют хризотиловый и крокидолитовый (или голубой) асбест. По химическому составу асбесты являются гидросиликатами магния, железа, кальция и натрия:

- хризотиловый асбест – 2SiO₂∙3MgO∙2H₂O, ρ=2,39 г/см³;

- крокидолитовый асбест – 17SiO₂∙6FeO∙2Fe₂O₃∙4NaOH∙H₂O, ρ=2,53 г/см³.

В настоящее время при изготовлении фильтрующих материалов более широкое применение находят хризотиловые асбесты. Они легко расщепляются на отдельные волокна. Их отличает устойчивость к щелочам, в том числе и концентрированным. Однако они не кислотоустойчивы, даже слабые органические кислоты вымывают из них окись магния, в результате чего прочность и гибкость волокон асбеста резко снижается.

Стеклянные волокна, которые также используются при изготовлении фильтрующих материалов, представляют собой сложные силикаты окислов различных элементов (SO₂, Na₂O, B₂O₃, Al₂O₃, CaO и др.). Их получают из расплавов кварцевого песка, соды, мела, поташа и других природных материалов. Удельная масса стеклянных волокон составляет примерно ρ = 2,41-2,9 г/см³. Стеклянные волокна, по сравнению с асбестовыми, обладают большей химической стойкостью. Этому способствует повышенное содержание окислов алюминия и циркония, а также незначительное содержание окиси магния. В современных фильтрующих материалах используются стеклянные волокна с диаметром 0,4…1,0 мкм и средней длиной 0,3…0,7 мм.

Базальтовые волокна, которые также могут использоваться в фильтрующих материалах, получают из природного базальта, представляющего собой широко распространенную горную породу. В их состав входит 45…60 % SiO₂, 15…18 % Аl₂О₃, 7…13 % Fe₂O₃ и небольшое количество других окислов. Базальтовые волокна отличаются химической и термической стойкостью и механической прочностью. Они в 1,5…2 раза превосходят стеклянные волокна по устойчивости к щелочам и более стойки к кислотам. Технология получения ультратонких базальтовых волокон аналогична производству стеклянных волокон.

В средствах защиты органов дыхания используются также фильтрующих материалы, изготовленные на основе полимерных волокон (материалы типа ФПП в респираторах Р-2 и РОУ, поликарбонатные волокна в ПБФ).

Наряду с фильтрующими материалами в современных средствах защиты находят применение фильтрующе-сорбирующие материалы (ФСМ). Они, в отличие от фильтрующих материалов, включают сорбирующий компонент и обладают наряду с фильтрующими также и сорбирующими свойствами.

Как правило, основой фильтрующего материала являются волокна целлюлозы, представляющие собой каркас материала и создающие его пространственную структуру. Более тонкие волокна асбеста, стеклянные или базальтовые волокна играют роль фильтрующего компонента. Они перекрывают промежутки между волокнами целлюлозы с образованием элементарных ячеек тонкой пористой структуры фильтрующего материала. Это создает условия для дробления аэрозольного потока на множество струек и способствует приближению аэрозольных частиц к поверхности волокон, обеспечивая тем самым необходимые фильтрующие свойства.

Одной из важных характеристик фильтрующих материалов является их пористая структура, образованная беспорядочным взаимным переплетением волокон. Доля свободных промежутков между волокнами или пористость материала может быть определена как отношение объема свободных промежутков (W – W_В) к объему фильтрующего материала (W), т.е.

, (4.2)

где W_В – объем, занимаемый волокнами фильтрующего материала, см³;

a – доля волокон в единице объема фильтрующего материала.

Пористость используемых в противогазах волокнистых фильтрующих материалов достаточно велика и обычно составляет 0,75 - 0,85 (D = 0,3…0,4 г/см³, r_В = 1,6…1,7 г/см³).

Размер промежутков между волокнами фильтрующего материала определяется диаметром волокон и плотностью их упаковки. Средняя ширина свободных промежутков l для однородной структуры фильтрующего материала, найденная методом анализа размерностей, может быть описана следующим уравнением

, (4.3.)

где y – структурный коэффициент, равный ширине промежутков между

волокнами при d_В = 1 и a = 0,5;

d_В – диаметр фильтрующих волокон материала.

Средний размер промежутков между волокнами для различных фильтрующих материалов составляет 30…60 мкм.