1-2009 PROBLEMY EKSPLOATACJI 167 Zofia PODSIADŁA-BULSA, Andrzej MICHALCZEWSKI Politechnika Radomska, Instytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn Jolanta KAŁUŻKA, Paweł A. WCISŁO Instytut Włókiennictwa w Łodzi POLIESTROWA WŁÓKNINA DO OCZYSZCZANIA OLEJU SILNIKOWEGO Słowa kluczowe Włóknina pneumotermiczna, oczyszczanie oleju silnikowego. Streszczenie W artykule zaprezentowano poliestrową włókninę wytworzoną metodą rozdmuchu pneumotermicznego (melt-blown). Metoda ta pozwala uzyskiwać materiały filtracyjne charakteryzujące się szerokim zakresem parametrów filtracyjnych. Wartości parametrów strukturalnych i filtracyjnych opracowanej włókniny poliestrowej zostały porównane z parametrami materiałów celulozowych, stosowanymi do oczyszczania oleju silnikowego. Należy wspomnieć, że takie parametry jak porowatość i odporność termiczna przedstawionej włókniny poliestrowej są wyższe niż tradycyjnych materiałów filtracyjnych. Wprowadzenie Wzrost osiągów i niezawodności tłokowych silników spalinowych jest efektem zastosowania szeregu działań, polegających na stosowaniu nowych rozwiązań konstrukcyjnych i technologicznych, nowych materiałów, a także poprawy jakości paliw i olejów silnikowych zarówno pod względem ich składu chemicznego, jak i zawartości zanieczyszczeń pochodzących z zewnątrz i wytwarzanych wewnątrz silnika. Jednym z wymogów zapewniających wysoką trwałość i bezawaryjność pracy silnika jest wysoka skuteczność oczyszczania
168 PROBLEMY EKSPLOATACJI 1-2009 płynów eksploatacyjnych z zanieczyszczeń w całym okresie pomiędzy kolejnymi wymianami filtrów powietrza, oleju i paliwa. Szczególnie wysokie wymagania stawiane są filtrom oleju silnikowego, bowiem to właśnie olej spełnia w silniku takie ważne funkcje jak: zmniejsza tarcie między elementami ruchomymi, odprowadza ciepło i zabezpiecza przed korozją, a także uszczelnia komorę spalania i służy do przenoszenia sił. Olej także dysperguje zanieczyszczenia, uniemożliwiając ich osadzanie się, a więc przyczynia się do oczyszczania komory silnika. Jednocześnie to właśnie w oleju gromadzą się różnego rodzaju i pochodzenia zanieczyszczenia zarówno organiczne, jak i nieorganiczne. Stwierdzono, że szczególnie duże zużycie tribologiczne elementów silnika powodują pojedyncze cząstki o rozmiarach od 10 do 60 µm [1]. Cząstki większe od 60 µm są oczywiście także groźne, ale te są rozdrabniane i osiągają wielkości z przedstawionego powyżej przedziału. Tylko olej prawidłowo filtrowany i wymieniany w odpowiednim czasie może wypełnić zadane mu funkcje. Do niedawna najczęściej stosowanym materiałem do budowy filtrów oleju był papier celulozowy, który wprawdzie zapewnia wymagany stopień oczyszczania, ale posiada małą wytrzymałość termiczną. Filtry z taką przegrodą powinny być wymieniane po 10 tys. km eksploatacji (po tym bowiem okresie obserwuje się zwęglenia i przebicia na grzbietach plis przegrody filtracyjnej) [2], podczas gdy powszechnie stosowane oleje syntetyczne (wraz z filtrem oleju) wg zaleceń niektórych producentów samochodów osobowych powinny być wymieniane po 30 i więcej tysiącach kilometrów. Nie bez znaczenia jest także aspekt ekologiczny. Obecnie po polskich drogach jeździ około 14 mln samochodów, które rocznie wymieniają 55 mln litrów oleju i generują do środowiska naturalnego ok. 10 tys. ton zużytych filtrów oleju stanowiących odpady niebezpieczne [3]. Głównym więc trendem w rozwoju filtrów jest wydłużenie ich czasu pracy przy zapewnieniu jednocześnie wysokiego stopnia oczyszczania płynu. Z tym z kolei wiąże się poszukiwanie nowych wysokowytrzymałych i wysokoskutecznych materiałów na przegrody filtracyjne. Poniżej przedstawiono rezultaty prac prowadzonych w ramach projektu badawczego zamawianego, którego celem było opracowanie pneumotermicznej włókniny do oczyszczania oleju silnikowego wytworzonej na bazie termoplastycznego poliestru. 1. Poliestrowa włóknina filtracyjna 1.1. Charakterystyka surowca bazowego W oparciu o analizę właściwości fizykochemicznych dostępnych na rynku polimerów do prób technologicznych wytworzenia materiału filtracyjnego me-
1-2009 PROBLEMY EKSPLOATACJI 169 todą rozdmuchu polimeru (meltblown) wytypowano między innymi Celanex 2008 (polibutyleno tereftalan PBF) firmy Ticona, który jest termoplastycznym poliestrem o podwyższonej odporności termicznej i chemicznej. Celanex jest odporny na działanie wielu chemikaliów (kwasy, zasady, rozpuszczalniki organiczne, roztwory soli, ozon, olej silnikowy). Przeznaczony jest również do aplikacji filtrów otrzymywanych metodą pneumotermiczną. Na rys.1 przedstawiono wyniki analizy termograwimetrycznej dla tego polimeru, która pokazuje, iż zachowuje on swoją odporność termiczną do temperatury 430 C. Rys. 1. Termogram dla polimeru Celanex 2008 1.2. Technika wytwarzania włókniny Zastosowaną techniką do wytwarzania syntetycznej włókniny filtracyjnej była technika pneumotermiczna, stanowiąca zintegrowaną technologię łączącą proces formowania włókien z procesem wytwarzania runa [4]. Polega ona na rozdmuchiwaniu strumieniem gorącego sprężonego powietrza strużek stopionego polimeru wychodzących z głowicy wytłaczarki poprzez wielootworową dyszę i odbieraniu powstających włókienek na urządzeniu odbierającym. W procesie tym wyróżnić można trzy fazy: a) stopienie i wytłoczenie polimeru, b) rozdmuchiwanie stopionego polimeru strumieniem gorącego sprężonego powietrza, c) odbiór włókienek w postaci runa.
170 PROBLEMY EKSPLOATACJI 1-2009 Na przebieg procesu melt-blown oraz właściwości końcowych produktów ma wpływ szereg parametrów, z których najważniejsze to: temperatura przetwórstwa, wydatek polimeru, temperatura i wydatek sprężonego powietrza, średnica otworów dyszy rozwłókniającej, odległość głowicy rozwłókniającej od powierzchni urządzenia odbierającego runo. Technika pneumotermiczna, poprzez zmianę w sposób kontrolowany poszczególnych parametrów procesu, pozwala w szerokim zakresie regulować gramaturę, grubość, zwartość struktury (gęstość upakowania) i porowatość otrzymywanych włóknin oraz grubość elementarnych włókien, a tym samym modelować właściwości filtracyjne formowanej włókniny. Głównym parametrem determinującym właściwości filtracyjne włóknin formowanych techniką pneumotermiczną jest grubość elementarnych włókien. Im włókna cieńsze, tym większa sprawność filtracji. Parametrami technologicznymi wpływającymi na średnicę włókien pneumotermicznych są przede wszystkim: temperatura wytłaczania, temperatura sprężonego powietrza, wydatek polimeru, wydatek powietrza. Przy stałych innych parametrach formowane są tym cieńsze włókna, im większa jest wartość temperatury przetwórstwa, temperatury i wydatku sprężonego powietrza oraz im mniejsza jest wartość wydatku polimeru [5]. Bardzo ważną właściwością polimeru w przetwórstwie techniką pneumotermiczną jest jego wskaźnik szybkości płynięcia. Wartość tego wskaźnika określa podatność danego polimeru termoplastycznego na rozwłóknianie w stanie stopionym. Im ta wartość większa, tym lepsze właściwości przetwórcze, a tym samym możliwość formowania cieńszych elementarnych włókien (a co za tym idzie skuteczniejszych włóknin filtracyjnych) w takich samych warunkach technologicznych procesu. Poprzez odpowiedni dobór parametrów technologicznych można otrzymać włókninę o oczekiwanych właściwościach dla określonego zastosowania. Należy jednak zwrócić uwagę, że wartości parametrów technologicznych procesu są ściśle związane z konkretnym urządzeniem. 1.3. Warunki wytwarzania włókniny W ramach prowadzonych prac posługiwano się dwoma urządzeniami do uformowania włókniny. Włókninę na bazie Celanexu w skali laboratoryjnej wytworzono na urządzeniu, które obejmowało: laboratoryjną wytłaczarkę ślimakową firmy AXON model BX 12 (średnica ślimaka 12 mm),
1-2009 PROBLEMY EKSPLOATACJI 171 głowicę rozwłókniającą z 20 wymiennymi dyszami polimerowymi o średnicy 0,35 mm, nagrzewnicę sprężonego powietrza, urządzenie odbierające umożliwiające otrzymywanie włóknin w postaci arkuszy. Proces prowadzono przy zachowaniu parametrów: temperatura I strefy grzejnej wytłaczarki 260 C temperatura II strefy grzejnej wytłaczarki 275 C temperatura III strefy grzejnej wytłaczarki 290 C temperatura głowicy rozwłókniającej 290 C temperatura nagrzewnicy powietrza 280 C wydatek polimeru 4,8 g/min odległość odbioru 18 cm ilość warstw 4 Wykonano trzy warianty włóknin różniących się wydatkiem sprężonego powietrza, a mianowicie: 7 m³/h (włóknina C1), 8 m³/h (włóknina C2) i 9 m³/h (włóknina C3). Masa powierzchniowa tych włóknin wynosiła około 100 g/m². Średnia średnica elementarnych włókien w próbie C2 wyniosła 6,3 µm (min. średnica 0,9 µm, a maksymalna 17 µm). Natomiast w skali półtechnicznej prowadzono proces na urządzeniu, które składało się z następujących elementów: wytłaczarka ślimakowa firmy Polkabel (Kraków) o średnicy ślimaka 25 mm), głowica rozwłókniająca z 42 wymiennymi dyszami polimerowymi rozmieszczonymi w dwóch rzędach, nagrzewnica sprężonego powietrza, urządzenie odbierające umożliwiające otrzymywanie włóknin w postaci taśmy. Prowadzono proces przy zmiennych wartościach parametrów wydatku polimeru, wydatku sprężonego powietrza oraz odległości dyszy rozwłókniającej od urządzenia odbiorczego przy zachowaniu następujących parametrów technologicznych: temperatura I strefy grzejnej wytłaczarki 275 C temperatura II strefy grzejnej wytłaczarki 290 C temperatura III strefy grzejnej wytłaczarki 300 C temperatura głowicy rozwłókniającej 300 C temperatura nagrzewnicy powietrza 300 C Schemat urządzenia stosowanego w technice melt-blown przedstawia rys. 2.
172 PROBLEMY EKSPLOATACJI 1-2009 5 4 sprężone powietrze 6 2 polimer 3 1 7 włóknina Rys. 2. Schemat urządzenia do wytwarzania włóknin pneumotermicznych: 1 wytłaczarka, 2 głowica, 3 dysza rozwłókniająca, 4 kolektor powietrza zimnego, 5 nagrzewnica powietrza, 6 kolektor powietrza gorącego, 7 urządzenie odbiorcze W wyniku przeprowadzonych prób otrzymano włókninę filtracyjną o strukturze przedstawionej na rys. 3. Rys. 3. Obraz struktury włókniny poliestrowej
1-2009 PROBLEMY EKSPLOATACJI 173 1.4. Właściwości strukturalne i filtracyjne włókniny do oczyszczania oleju silnikowego Próbki syntetycznej włókniny filtracyjnej wytworzone techniką pneumotermiczną poddano badaniom w celu określenia ich przydatności do oczyszczania oleju silnikowego. Średnicę maksymalną i przeciętną porów określono metodą pęcherzykową Barusa-Bechholda, a absolutną dokładność filtracji metodą pośrednią, korzystając ze wzoru [2]: d a = 0,534 d m +5,096 gdzie: d m średnica maksymalna poru wyznaczona metodą pęcherzykową. Przepuszczalność powietrza oznaczono przy spadku ciśnienia 200 Pa, a grubość włókniny mierzono pod naciskiem 5 kpa. Wartości otrzymanych parametrów porównano z parametrami charakteryzującymi papiery filtracyjne stosowane na przegrody filtrów oleju silnikowego przez między innymi Wytwórnię Filtrów WIX-FILTRON (tabela 1 i 2). Tabela 1. Wartości parametrów włóknin wytworzonych na bazie polimeru Celanex 2008 Lp. Badany parametr Jedn. Rodzaj włókniny miary 5 6 7 1 Gramatura g/m 2 200 170 173 2 Grubość mm 0,82 0,67 0,71 3 Przepuszczalność powietrza dm3/m 2 s 560 390 280 4 Średnica poru maks. µm 92 92 84 5 Średnica poru przec. µm 73 65 53 6 Objętość por % 92 93 90 7 Absolutna dokładność filtracji µm 54 54 33 Tabela 2. Wartości parametrów papierów filtracyjnych do oczyszczania oleju silnikowego Lp. Badany parametr Jedn. Rodzaj papieru miary Z1518A250 H8PES+SG 1 Gramatura g/m 2 136 200 2 Grubość mm 0,8 0,94 3 Przepuszczalność powietrza dm3/m 2 s 700 475 4 Średnica pora maks. µm 73 77 5 Średnica pora przec. µm 64 63 6 Objętość poru % 82 85 7 Absolutna dokładność filtracji µm 44 46
174 PROBLEMY EKSPLOATACJI 1-2009 Ponadto przedmiotowe próbki poddano procesowi starzenia. Proces prowadzono zanurzając próbki w oleju Mobil 1 (o lepkości wg SAE 5W50, klasa jakości wg API SM/CE) i przetrzymano je w temperaturze 140 C przez 380 godzin. Po tym czasie przemyto je benzyną ekstrakcyjną i wysuszono. Próbki nie wykazywały istotnych znamion zestarzenia, nie zaobserwowano pofałdowania powierzchni, pęknięć włókien, a zmierzone wartości wymiarów przestrzeni międzywłókiennych oraz przepuszczalności powietrza nie różniły się zasadniczo od próbek wyjściowych. Natomiast próbki z celulozowego papieru filtracyjnego były łamliwe (kruche) i zmieniły kolor na mocno brązowy, co może świadczyć o zwęgleniu włókien tworzących strukturę. Podsumowanie Rozwój materiałów filtracyjnych do oczyszczania różnych płynów w tym także oleju silnikowego ukierunkowany jest na materiały syntetyczne. Najbardziej rozpowszechnioną metodą do wytwarzania takich materiałów jest technika pneumotermiczna, która umożliwia otrzymanie materiałów w szerokim zakresie parametrów strukturalnych i filtracyjnych Wytypowany do prób technologicznych wytworzenia włókniny filtracyjnej polimer o nazwie handlowej Celanex 2008 jest podatny na przetwarzanie techniką melt-blown i przy odpowiednim doborze parametrów procesu, uzyskane włókniny charakteryzują się parametrami strukturalnymi i filtracyjnymi zbliżonymi do klasycznych papierów filtracyjnych do oczyszczania oleju silnikowego. Dla oceny pełnej przydatności otrzymanych syntetycznych włóknin filtracyjnych na przegrody ww. filtrów, przewiduje na następnym etapie pracy zrobienie i zbadanie prototypów filtrów z zastosowaniem tych włóknin. Wysoka odporność termiczna zastosowanych polimerów oraz znacznie większa porowatość (objętość porów) otrzymanych włóknin od papierów celulozowych pozwala oczekiwać, że czas pracy filtrów z przegrodą z opracowanych materiałów będzie znacznie dłuższy od filtrów z przegrodą z celulozowego papieru filtracyjnego. Praca naukowa finansowana ze środków Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego, wykonana w ramach realizacji Programu Wieloletniego pn. Doskonalenie systemów rozwoju innowacyjności w produkcji i eksploatacji w latach 2004 2008. Bibliografia 1. Durst M., Klein G.M., Moser N.: Filtracja w Pojazdach silnikowych, Merlag Moderne Industrie, Monachium 2002.
1-2009 PROBLEMY EKSPLOATACJI 175 2. Podsiadła Z.: Metoda oceny granicznej dokładności papierów filtracyjnych do oczyszczania powietrza, oleju i paliwa w tłokowych silnikach spalinowych, Praca doktorska, Politechnika Radomska, Radom 1998. 3. Podsiadła-Bulsa Z., Michalczewski A.: Ekologiczne aspekty w rozwoju filtrów samochodowych. Rozdział monografia pt. Innowacje w motoryzacji dla ochrony środowiska. Starostwo Powiatowe w Słupsku, Słupsk 2008. 4. Smorada R.: Spunbonded and Melt Blown Nonwovens. The Basics. Nonwovens Industry, 1996, 10, 48. 5. Wadsworth L., Malkon S.: A review on melt blowing technology. International Nonworens Bulletin (INB), Nonworens 246 252, 1991. Recenzent: Barbara LIPP-SYMONOWICZ Unweven poliester web for engine oil cleaning Keywords Unwoven web, engine oil cleaning. Summary The extension of service life of engine oil cleaning filters has been observed for many years. It is known that the filters with a cellulose medium have to be exchanged after the 10-12 thousand kilometers, which it is shorter time than the synthetic oil exchange. The paper presents the new unwoven web made with the application of the melt blown method. This method allows one to obtain a filter medium with a wide range of characteristics filter parameters. The value of filter and structural parameters of the polyester web are compared with the parameters of the cellulose medium used for engine oil cleaning. Worthy to mention are the higher porosity and thermal resistance of the polyester unwoven web than of traditional filter material.
176 PROBLEMY EKSPLOATACJI 1-2009