Study of the Influence of Binder Type on the Properties of Glass Fiber Filter Paper for Air Purification

Complete text of the article:

Download article (pdf, 1.3MB )

UDС

62-784.43

DOI:

10.37482/0536-1036-2022-2-178-192

Abstract

At the moment, there is a wide variety of materials for air filtration, however, it is necessary to develop new, more efficient and cost-effective materials. Numerous studies have shown that in order to obtain a highly effective filter material for fine air purification from particles of 0.1–0.5 μm, ultrafine and microfine glass fibers should be introduced into the composition. Glass fibers have a whole complex of unique properties: thermal, chemical and biological resistance, high specific surface area, filtering ability, strength and resistance to aggressive media. At the same time, glass fibers, unlike fibers of plant origin, do not have the ability to fibrillate, swell and bond formation. Therefore, a strong filter material requires a binder that provides the necessary technological strength while maintaining the specified filtering characteristics. The study of composite material based on mineral fiber was carried out, polyadherical complexes of aluminum, thermomechanical pulp (TMP), polyvinyl acetate (PVA) and polyethylene (PE) were used as binders. The main indicators are the tensile strength, capillary absorption, resistance to air flow and permeability coefficient. The novelty of this work lies in the application of TMP and PE as binders in the composite material based on glass fibers. The addition of a binder based on TMP to the composition is advisable in the range of 5–30 % of the fiber mass, for PE this range is 2–10 %. The studied composite material with the addition of PE as a binder has sufficient technological strength, a low coefficient of permeability and resistance to air flow. PE can be used as a promising binder for composite filter materials based on glass fibers for air purification.

---

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) license • The authors declare that there is no conflict of interest

Authors

Nikita A. Krinitsin¹, Postgraduate Student; ResearcherID: AAX-7163-2021, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2185-2734
Vladimir K. Dubovy¹, Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: W-1235-2017, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2903-3872
Kseniya V. Polyakova², Production Control Chemist; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2332-6260
Ivan N. Koverninsky³, Doctor of Engineering, Prof.; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7413-6790

Affiliation

¹Sankt-Petersburg State University of Industrial Technology and Design, ul. Ivana Chernykh, 4, Saint Petersburg, 198095, Russian Federation; e-mail: krinnikita@yandex.ru,
dubovy2004@mail.ru
²Pharmaceutical Company AO “Pharmasyntez-Nord”, ul. Doroga v Kamenku, 74, Saint Petersburg, 194356, Russian Federation
³IP “Koverninsky I.N.”, ul. Dubninskaya, 40 a, korp. 1, kv. 11, Moscow, 127591, Russian Federation; e-mail: kovern@list.ru

Keywords

glass fiber, filter materials, air purification, capillary absorbency, tensile strength, airflow resistance, permeability coefficient, polyethylene, thermomechanical mass, polyvinyl acetate, binding material

For citation

Krinitsin N.A., Dubovy V.K., Polyakova K.V., Koverninsky I.N. Study of the Influence of Binder Type on the Properties of Glass Fiber Filter Paper for Air Purification. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2022, no. 2, pp. 178–192. DOI: 10.37482/0536-1036-2022-2-178-192

References

1. Гурьев А.В., Дубовый В.К., Комаров В.И., Казаков Я.В. Лабораторный практикум по технологии бумаги и картона. СП б.: Политехн. ун-т, 2006. 229 с. Gur’yev A.V., Dubovyy V.K., Komarov V.I., Kazakov Ya.V. Laboratory workshop on paper and cardboard technology. Saint Petersburg, SPbPU Publ., 2006. 229 p.

2. Загрязнение атмосферного воздуха: воздействие на здоровье // Всемирная организация здравоохранения. Режим доступа: https://www.who.int/airpollution/ambient/health-impacts/ru/ (дата обращения: 29.01.21). Atmospheric Air Pollution: Health Effects. World Health Organization.

3. Значение чистого воздуха для человека // Вент-очистка. Режим доступа: https://xn----8sbemqmsj2age1d.xn--p1ai/news/znachenie-chistogo-vozdukha-dlya-cheloveka/ (дата обращения: 29.01.21). The Importance of Clean Air for Humans. Vent-ochistka.

4. Классификация воздушных фильтров для вентиляционных устройств: фильтры класса G, фильтры класса F, НЕРА, ULPA // Brizex. Режим доступа: https://xn--90aifdm6al.xn--p1ai/blog/klassifikacia-filtrov-dla-vent-ustrojstv-g-f-h-u (дата обращения: 18.02.21). Classification of Air Filters for Ventilation Devices: Class G Filters, Class F Filters, HEPA, ULPA. Brizex.

5.Конструктивные типы воздушных фильтров // Классификация воздушных фильтров. Режим доступа: https://teplo-spb.ru/stati/kak-vybrat/klassifikatsiyavozdushnykh-filtrov.html#5 (дата обращения: 18.02.21) Design Types of Air Filters. Classification of Air Filters.

6. Лаптев В.Н. Производство древесной массы / СП бГТУ РП. СП б., 2009. 48 с. Laptev V.N. Production of Wood Pulp. Saint Petersburg, SPbSTUPP Publ., 2009. 48 p.

7. Оболенская А.В. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М.: Экология, 1991. 320 с. Obolenskaya A.V. Laboratory Work on the Chemistry of Wood and Cellulose. Moscow, Ekologiya Publ., 1991. 320 p.

8. Пестова Н.Ф. Производство древесной массы. Сыктывкар, 2013. 101 с. Pestova N.F. Production of Wood Pulp. Syktyvkar, 2013. 101 p.

9. Свиридов Е.Б., Дубовый В.К. Книга о полимерах: свойства и применение, история и сегодняшний день материалов на основе высокомолекулярных соединений. 2-е изд., испр. и доп. Архангельск: СА ФУ, 2016. 392 c. Sviridov E.B., Dubovy V.K. The Book about Polymers: Properties and Application, History and Present Day of Materials Based on High-Molecular Compounds. Arkhangelsk, NArFU Publ., 2016. 392 p.

10. Свиридов Е.Б., Щербак Н.В., Дубовой Е.В. Энергосберегающая экологически безопасная технология охлаждения воздуха аппаратами испарительного типа. СП б.: Политех. ун-т, 2017. 286 c. Sviridov E.B., Shcherbak N.V., Dubovoy E.V. Energy Saving Environmentally Safe Technology of Air Cooling by Evaporative Type Devices. Saint Petersburg, SPbPU Publ., 2017. 286 p.

11. Смирнова Е.Г., Лоцманова Е.М., Журавлева Н.М., Резник А.С., Вураско А.В., Дрикер Б.Н., Минакова А.Н., Симонова Е.И., Сиваков В.П., Первова И.Г., Маслакова Т.И., Казаков Я.В., Севастьянова Ю.В., Коптяев В.В., Дернова Е.В., Канарский А.В., Дулькин Д.А., Щербак Н.В., Дубовый В.К. Материалы из нетрадиционных видов волокон: технологии получения, свойства, перспективы применения: моногр. Екатеринбург: УГЛТУ , 2020. 252 с. Smirnova E.G., Lotsmanova E.M., Zhuravleva N.M., Reznik A.S., Vurasko A.V., Driker B.N., Minakova A.N., Simonova E.I., Sivakov V.P., Pervova I.G., Maslakova T.I., Kazakov Ya.V., Sevast’yanova Yu.V., Koptyayev V.V., Dernova E.V., Kanarskiy A.V., Dul’kin D.A., Shcherbak N.V., Dubovyy V.K. Materials from Non-Traditional Types of Fibers: Production Technologies, Properties and Application Prospects. Yekaterinburg, USFEU Publ., 2020. 252 p.

12. Смолин А.С., Криницин Н.А., Суслов Г.А. Исследование прочности сорбционных композиционных материалов на основе микротонких стеклянных волокон // Химические волокна. 2018. № 5. С. 18. Smolin A.S., Krinitsin N.A., Suslov G.A. The Study of the Strength of Sorption Composite Materials Based on Microfine Glass Fibers. Khimicheskiye volokna [Fibre Chemistry], 2018, no. 5, p. 18.

13. Смолин А.С., Щербак Н.В., Дубовой Е.В., Лоренгель М.А. Оценка эффективности очистки воздуха минеральноволокнистыми сепараторными бумагами // Изв. вузов. Лесн. журн. 2017. № 6. С. 126–134. Smolin A.S., Shcherbak N.V., Lorengel M.A., Dubovoy E.V. Estimating Efficiency of Air Cleaning by Mineral Fiber Separator Papers. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2017, no. 6, pp. 126–134. DOI: https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2017.6.126

14. Стекловолокно: способ получения, свойства, применение // Нelpiks.org. Режим доступа: https://helpiks.org/8-90835.html (дата обращения: 29.11.20). Glass Fiber: Method of production, Properties and Application. Нelpiks.org.

15. Технологии производства базальтовых волокон // Basalt fiber & composite materials technology development. Режим доcтупа: http://basaltm.com/tehnologii/technology-of-production-basalt-fiber.html (дата обращения: 06.11.20). Basalt Fiber Production Technologies. Basalt Fiber & Composite Materials: Technology Development.

16. Типы стеклянных волокон // Sammas. Режим доступа: http://sammas.ru/tekhnologii-i-terminologiya/tipy-steklyannykh-volokon.html (дата обращения: 29.10.20). Types of Glass Fibers. Sammas.

17. Характеристика стекловолокна // АО «Новгородский завод стекловолкна». Режим доступа: http://nzsv.ru/products/m20mtv0-25/ (дата обращения: 10.03.21). Characteristics of Glass Fiber. AO “Novgorod Glass fiber Plant”.

18. Чижов Г.И. Соединения алюминия в производстве бумаги: дис. … д-ра техн. наук. Л., 1975. 320 c. Chizhov G.I. Aluminum Compounds in Paper Production: Dr. Eng. Sci. Diss. Leningrad, 1975. 320 p.

19. Щербак Н.В., Елукова Н.А. Влияние условий проведения испытания на прочность фильтровальной бумаги из стекловолокна // Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов: материалы VI Междунар. науч.-техн. конф., посвящ. памяти проф. В.И. Комарова. Архангельск: Сафу, 2021. С. 389–392. Shcherbak N.V., Elukova N.A. Influence of Testing Conditions on the Strength of Glass Fiber Filter Paper. The Issues in Mechanics of Pulp-and-Paper Materials:Proceedings of the 6th International Conference in Memory of Professor Valery Komarov. Arkhangelsk, NArFU Publ., 2021, pp. 389–392.

20. Щербак Н.В., Дубовой Е.В., Лоренгель М.А., Смолин А.С. Моделирование композиции сепараторной бумаги из минерального и растительного сырья для повышения прочности и впитывающей способности // Изв. вузов. Лесн. журн. 2018. № 1. С. 120–129. Shcherbak N.V., Dubovoy E.V., Lorengel M.A., Smolin A.S. Simulation of Separator Paper Composition from Mineral and Vegetable Raw Material for Hardening and Absorbency. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2018, no. 1, pp. 120–129. DOI: https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2018.1.120

21. Binetruy C., Michaud V. Emerging, Hybrid & Smart Composites. Functional Composite Materials, 2021, vol. 2, art. 16. DOI: https://doi.org/10.1186/s42252-021-00028-y

22. Moelter W., Fissan H. Structure of a High Efficiency Glass Fiver Filter Medium. Aerosol Science and Technology, 1997, vol. 27, iss. 3, pp. 447–461. DOI: https://doi.org/10.1080/02786829708965484

23. Sathishkumar T.P., Satheeshkumar S., Naveen J. Glass Fiber-Reinforced Polymer Composites. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 2014, vol. 33, iss. 13, pp. 1258–1275. DOI: https://doi.org/10.1177/0731684414530790

24. Thomas A.W. Solutions of Basic Salts of Aluminum. Paper Trade Journal, 1935, vol. 100, no. 6, pp. 36–39.

25. Zheng X.-M., Wang H.-Y. Effect of Fiber Diameter on the Structure and Properties of Glass Fiber Paper. China National Pulp and Paper Research Institute. 2016, vol. 35, pp. 16–21. DOI: https://doi.org/10.11980/j.issn.0254-508X.2016.05.004