СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА КАПСУЛИРОВАННОГО ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF PRODUCING POWDER OF ENCAPSULATED POLYMER MATERIAL (VERSIONS) AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD (VERSIONS)

Группа изобретений относится к области химических технологий, а именно к способу получения капсулированного полимерного материала, и может быть использована как в устройствах получения наполненных полимерных материалов, так и в устройствах производства изделий из этих материалов.
Известные аналоги способа получения порошка капсулированного полимерного материала, в частности, наполненного наночастицами, основаны:
- на способе получения порошка полимера в плазме высокочастотного разряда. Суть этого способа заключается в том, что полимеризацию мономера с образованием порошкообразного полимерного материала осуществляют в плазме высокочастотного разряда [Х.Ясуда. Полимеризация в плазме. Пер. с англ. - М.: Мир, 1988 год. - 376 с.]. Устройство, реализующее способ получения порошка полимера в плазме высокочастотного разряда, содержит источник газа-носителя, источник и/или источники мономеров и/или смесей мономеров, реактор, разрядную камеру, источник высокочастотного напряжения [Х.Ясуда. Полимеризация в плазме. Пер. с англ. - М.: Мир, 1988 год. - 376 с.];
- на полимеризации мономеров на поверхности нано- или микрочастиц. Суть способа заключается в совместной конденсации в вакууме паров мономеров и их смесей и одного или нескольких металлов и/или их окислов с одновременной полимеризацией конденсата и формированием капсулированного полимерного материала, наполненного нано- или микрочастицами [Патент РФ на изобретение №2106204, B05D 1/34, В05D 5/12 от 30.07.1996].
7
- на способе диспергирования нано- и микрочастиц и их закрепления на поверхности полимера. Суть способа заключается в осаждении заряженных, диспергированных нано- или микрочастиц на поверхности заряженных противоположным знаком гранул полимера [Патент РФ на изобретение №2428402 по заявке №2009136167/05, МПК С05D 1/04, В05С 5/00, В82В 3/00. Способ диспергирования нано- и микрочастиц, их закрепление на поверхности полимера и устройство, его реализующее / Польский Ю.Е., Михайлов С.А., Амирова Л.М., Данилаев М.П.; заявители-авторы, заявл. 29.09.09; опубл. 17.03.11]. Устройство, реализующее способ диспергирования нано- и микрочастиц и их закрепления на поверхности полимера, содержит два раздельных или один общий источник газа для нано- или микрочастиц и частиц полимера, распылитель конгломерата нано- или микрочастиц, ионизатор для заряда нано- или микрочастиц, регулятор величины тока заряда нано- или микрочастиц, распылитель частиц полимера, ионизатор для заряда частиц полимера, регулятор величины тока заряда частиц полимера, камеру смешения двух газовых потоков, камеру закрепления нано- или микрочастиц на поверхности полимера, источник электромагнитного поля камеры закрепления нано- или микрочастиц на поверхности полимера, регулятор параметров электромагнитного поля, камеру отделения модифицированных полимерных частиц. Рассмотренный способ и устройство для его реализации выбраны в качестве прототипа обоих вариантов способа и устройства получения порошка капсулированного полимерного материала.
Приведенные в качестве прототипов способ и реализующее этот способ устройство диспергирования нано- и микрочастиц и их закрепление на поверхности полимера и реализующее устройство имеют ряд недостатков. Основными недостатками являются:
- принципиальная невозможность обеспечения требуемой концентрации нано- или микрочастиц в конечном полимерном материале;
- низкая однородность распределения частиц модификатора в конечном полимерном материале.
Решаемая техническая задача изобретений по первому и второму вариантам заключается в получении порошка капсулированного полимерного материала с возможностью обеспечения требуемой концентрации и однородности распределения нано- или микрочастиц в конечном полимерном материале.
Решаемая техническая задача в способе получения порошка капсулированного полимерного материала, в его первом варианте, включающем формирование первого двухфазного потока нано- или микрочастиц и второго двухфазного потока частиц, заряд частиц и заряд и диспергирование нано- или микрочастиц, смешение нано- или микрочастиц со вторым двухфазным потоком заряженных частиц и последующее отделение конечного продукта от продуктов реакции и газа-носителя, достигается тем, что формируют второй двухфазный поток частиц мономера и/или смеси мономеров, затем одновременно осуществляют заряд частиц мономера и/или смеси мономеров и заряд и диспергирование нано- или микрочастиц, причем все частицы мономера и/или мономеров заряжают в газовом разряде одинаковым, но противоположным по знаку относительно нано- или микрочастиц, зарядом требуемой величины, затем одновременно осуществляют смешение первого двухфазного потока заряженных нано- или микрочастиц со вторым двухфазным потоком заряженных противоположным по знаку зарядом частиц мономера и/или мономеров и осаждение частиц мономера и/или мономеров на заряженных противоположным по знаку зарядом нано- или микрочастицах и формируют слой мономера на поверхности отдельных нано- или микрочастиц и осуществляют полимеризацию слоя мономера на поверхности нано- или микрочастиц, полученный порошок капсулированного полимерного материала, находящийся в многофазном газовом потоке, отделяют от продуктов реакции и газа-носителя.
В предложенном способе получения порошка капсулированного полимерного материала, в его первом варианте, формирование первого двухфазного потока нано- или микрочастиц и второго двухфазного потока мономера и/или смеси мономеров осуществляют путем использования как различных, так и идентичных по химическому составу газов-носителей.
Решаемая техническая задача в способе получения порошка капсулированного полимерного материала, в его втором варианте, включающем формирование первого двухфазного потока нано- или микрочастиц и второго двухфазного потока частиц, заряд частиц и заряд и диспергирование нано- или микрочастиц, смешение нано- или микрочастиц со вторым двухфазным потоком заряженных частиц и последующее отделение конечного продукта от продуктов реакции и газа-носителя, достигается тем, что формируют второй двухфазный поток частиц мономера и/или смеси мономеров, затем одновременно осуществляют заряд частиц мономера и/или смеси мономеров и заряд и диспергирование нано- или микрочастиц, причем все частицы мономера и/или мономеров заряжают в газовом разряде одинаковым, но противоположным по знаку относительно нано- или микрочастиц, зарядом требуемой величины, затем одновременно осуществляют смешение первого двухфазного потока заряженных нано- или микрочастиц со вторым двухфазным потоком заряженных противоположным по знаку зарядом частиц мономера и/или мономеров и осаждение частиц мономера и/или мономеров на заряженных противоположным по знаку зарядом нано- или микрочастицах и формируют слой мономера на поверхности отдельных нано- или микрочастиц, одновременно с этим облучают образующиеся частицы ультрафиолетовым излучением, в результате чего инициируют реакцию радикальной полимеризации слоя мономера на поверхности нано- или микрочастиц, полученный порошок капсулированного полимерного материала, находящийся в многофазном газовом потоке, отделяют от продуктов реакции и газа-носителя.
В предложенном способе получения порошка капсулированного полимерного материала, в его втором варианте, формирование первого двухфазного потока нано- или микрочастиц и второго двухфазного потока мономера и/или смеси мономеров осуществляют путем использования как различных, так и идентичных по химическому составу газов-носителей.
Предложенные способы получения порошка капсулированного полимерного материала, их варианты, возможно реализовать в устройстве получения порошка капсулированного полимерного материала по его первому варианту. Решаемая техническая задача в устройстве, в его первом варианте, получения порошка капсулированного полимерного материала, содержащем источник газа-носителя для нано- или микрочастиц, резервуар конгломерата нано- или микрочастиц, ионизатор для заряда нано- или микрочастиц, регулятор величины тока заряда нано- или микрочастиц, камеру смешения, камеру отделения модифицированных полимерных частиц достигается тем, что устройство дополнительно содержит источник газа-носителя, который через регулятор скорости потока подсоединен к первому входу первого газового тракта, ко второму входу первого газового тракта через устройство ввода частиц мономера подсоединен резервуар для мономера и/или смеси мономеров, выход первого газового тракта подсоединен к первому входу первой разрядной камеры, к электродам первой разрядной камеры подсоединен первый регулируемый источник тока разряда, источник газа-носителя для нано- или микрочастиц через регулятор скорости потока второго газа-носителя подсоединен к первому входу второго газового тракта, ко второму входу второго газового тракта через устройство ввода нано или микрочастиц и/или их конгломератов подсоединен резервуар для нано- или микрочастиц и/или их конгломератов, выход второго газового тракта подсоединен к первому входу второй разрядной камеры, к электродам второй разрядной камеры подсоединен второй регулируемый источник тока разряда, выходы первой и второй разрядных камер соединены с камерой смешения, выход которой соединен с камерой отделения порошка капсулированного полимера от продуктов реакции и газов-носителей.
В предложенном устройстве получения порошка капсулированного полимерного материала, в его первом варианте, часть поверхности камеры смешения выполняют из материала, прозрачного для ультрафиолетового излучения, напротив этой части камеры смешения размещают источники ультрафиолетового излучения.
Предложенные способы получения порошка капсулированного полимерного материала, их варианты, возможно реализовать в устройстве получения порошка капсулированного полимерного материала по его второму варианту. Решаемая техническая задача в устройстве, в его втором варианте, получения порошка капсулированного полимерного материала, содержащем источник газа-носителя для нано- или микрочастиц, резервуар конгломерата нано- или микрочастиц, ионизатор для заряда нано- или микрочастиц, регулятор величины тока заряда нано- или микрочастиц, камеру смешения, камеру отделения модифицированных полимерных частиц достигается тем, что устройство содержит первый регулятор скорости потока газа-носителя, вход которого подсоединен к источнику газа-носителя для нано- или микрочастиц, а выход подсоединен к первому входу первого газового тракта, ко второму входу первого газового тракта через устройство ввода частиц мономера подсоединен резервуар для мономера и/или смеси мономеров, выход первого газового тракта подсоединен к первому входу первой разрядной камеры, к электродам первой разрядной камеры подсоединен первый регулируемый источник тока разряда, второй регулятор скорости потока газа-носителя, вход которого подсоединен к источнику газа-носителя для нано- или микрочастиц, а выход подсоединен к первому входу второго газового тракта, ко второму входу второго газового тракта через устройство ввода нано- или микрочастиц и/или их конгломератов подсоединен резервуар для нано- или микрочастиц и/или их конгломератов, выход второго газового тракта подсоединен к первому входу второй разрядной камеры, к электродам второй разрядной камеры подсоединен второй регулируемый источник тока разряда, выходы первой и второй разрядных камер соединены с камерой смешения, выход которой соединен с камерой отделения порошка капсулированного полимера от продуктов реакции и газов-носителей.
В предложенном устройстве получения порошка капсулированного полимерного материала, в его втором варианте, часть поверхности камеры смешения выполняют из материала, прозрачного для ультрафиолетового излучения, напротив этой части камеры смешения размещают источники ультрафиолетового излучения.
Устройство получения порошка капсулированного полимерного материала, в его первом варианте, изображенное на фиг.1, содержит два источника газов-носителей 1 и 2, представляющие собой газовые баллоны, к каждому из газовых баллонов 1 и 2 подсоединены редукторы газа 3 и 4, выходы которых соединены с входами газовых трактов 5 и 6 соответственно; одновременно с этим ко вторым входам газовых трактов 5 и 6 через устройство ввода частиц мономера 7, представляющее собой эжектор, и устройство ввода наночастиц и/или конгломератов наночастиц 8, представляющее собой дозатор мелких сыпучих материалов, соответственно подсоединены резервуар для мономера и/или смеси мономеров 9 и резервуар для наночастиц и/или конгломератов наночастиц 10; выходы газовых трактов 5 и 6 подсоединены к первым входам разрядных камер 11 и 12 соответственно, ко вторым входам разрядных камер 11 и 12 подсоединены регулируемые источники тока разряда 13 и 14 соответственно; выходы разрядных камер 11 и 12 подсоединены к камере смешения 15, выход которой подсоединен к камере отделения порошка капсулированного полимера, наполненного наночастицами, от продуктов реакции 16, представляющей собой, например, циклон.
Устройство получения порошка капсулированного полимерного материала, в его втором варианте, изображенное на фиг.2, содержит источник газа-носителя 17, представляющий собой газовый баллон, к которому подсоединены редукторы газа 3 и 4, выходы которых соединены с входами газовых трактов 5 и 6 соответственно; одновременно с этим ко вторым входам газовых трактов 5 и 6 через устройство ввода частиц мономера 7, представляющее собой эжектор, и устройство ввода наночастиц и/или конгломератов наночастиц 8, представляющее собой дозатор мелких сыпучих материалов, соответственно подсоединены резервуар для мономера и/или смеси мономеров 9 и резервуар для наночастиц и/или конгломератов наночастиц 10; выходы газовых трактов 5 и 6 подсоединены к первым входам разрядных камер 11 и 12 соответственно, ко вторым входам разрядных камер 11 и 12 подсоединены регулируемые источники тока разряда 13 и 14 соответственно; выходы разрядных камер 11 и 12 подсоединены к камере смешения 15, выход которой подсоединен к камере отделения порошка капсулированного полимера, наполненного наночастицами, от продуктов реакции 16, представляющей собой, например, циклон.
Рассмотрим осуществление способа, в его первом и втором вариантах, получения порошка капсулированного полимерного материала и работу устройства, в его первом и втором вариантах, получения порошка капсулированного полимерного материала по фигурам 1 и 2.
2
В первом варианте устройства получения порошка капсулированного полимерного материала из первого и второго источников газов-носителей 1 и 2 (фиг.1) в первый и второй газовые тракты 5 и 6 через редукторы 3 и 4 соответственно подают газы-носители. Во втором варианте устройства получения порошка капсулированного полимерного материала, из источника газа-носителя 17 (фиг.2) в первый и второй газовые тракты 5 и 6 через редукторы 3 и 4 соответственно подают газы-носители. Химический состав газов-носителей выбирают таким образом, чтобы обеспечить наибольшую эффективность заряда и время жизни заряженных частиц мономеров и нано- или микрочастиц и/или их конгломератов. Например, в качестве газа-носителя может быть использован аргон (Ar) или азот (N) [Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Т.2. Генерация плазмы и газовые разряды. Диагностика и метрология плазменных процессов. / Под ред. В.Е.Фортова. - М.: Наука/Интерпериодика. 2000. - 634 с.]. Скорость подачи газов в первой и второй газовые тракты 5 и 6 регулируют с помощью редукторов 3 и 4. Газовые тракты 5 и 6 представляют собой, например, коаксиальные каналы, взаимная схема расположения которых представлена на поясняющей фиг.3.
7
7
Одновременно с этим в первый газовый канал 5 с помощью эжектора 7, устройство которого представлено в работе [А.Н.Плановский, В.М.Рамм, С.З.Каган. Процессы и аппараты химической технологии. М.: госуд. науч.-техн. изд-во химической лит-ры. 1962 г., 841 стр.], через дренажное отверстие из резервуара для мономера 9 вводят частицы мономера и создают первый двухфазный газовый поток. Во второй газовый канал 6 с помощью дозатора сыпучих материалов 8, устройство которого представлено в работе [В.Я.Борщев, Ю.И.Гусев, М.А.Промтов, А.С.Тимонин. Оборудование для переработки сыпучих материалов. Москва, Издательство Машиностроение-1, 2006 г., 149 с.], из резервуара нано- или микрочастиц и/или их конгломератов 10 вводят нано- или микрочастицы и/или их конгломераты и создают второй двухфазный газовый поток. Тип частиц мономера, а также нано- или микрочастиц и/или их конгломератов определяется требуемыми структурой и свойствами порошка капсулированного полимерного материала. При этом используют мономеры, которые полимеризуются по радикальному и/или катионному механизму, например, стирол, акрилонитрил и др. [Х.Ясуда. Полимеризация в плазме: Пер. с англ. - М: Мир. 1988. - 376 с.]. Затем первый двухфазный газовый поток вводят в первую разрядную камеру 11, представляющую два электрода, расположенных друг напротив друга, например плоский и игольчатый электроды (фиг.2). На электроды от регулируемого источника тока разряда 13, устройство которого представлено, например, в работах [Патент РФ на изобретение №2050654, МПК Н01Т 19/00, G03G 15/02. Устройство для получения униполярного коронного разряда / Костишин В.Г., Летюк Л.М., Ведяшкин Е.Ю.; заявитель - Московский институт стали и сплавов, заявл. 27.04.93; опубл. 20.12.95.; Патент РФ на изобретение №96110398/07, МПК Н01Т 19/00, F24F 3/16. Устройство для осуществления разряда / Лаврешов В.И., Малинин А.Н., Сидоров А.П.; заявитель Сидоров А.Н., заявл. 23.05.96; опубл. 10.11.97.], подают требуемую величину тока разряда, за счет чего обеспечивают требуемую величину заряда нано- или микрочастиц, находящегося в первом двухфазном газовом потоке. Величину заряда регулируют с помощью регулируемого источника тока разряда 13.
7
7
Одновременно с этим второй двухфазный газовый поток вводят во вторую разрядную камеру 12, представляющую два электрода, расположенных друг напротив друга, например плоский и игольчатый электроды. На электроды от регулируемого источника тока разряда 14, устройство которого представлено, например, в работах [Патент РФ на изобретение №2050654, МПК Н01Т 19/00, G03G 15/02. Устройство для получения униполярного коронного разряда / Костишин В.Г., Летюк Л.М., Ведяшкин Е.Ю.; заявитель - Московский институт стали и сплавов, заявл. 27.04.93; опубл. 20.12.95.; Патент РФ на изобретение №96110398/07, МПК Н01Т 19/00, F24F 3/16. Устройство для осуществления разряда / Лаврешов В.И., Малинин А.Н., Сидоров А.П.; заявитель Сидоров А.Н., заявл. 23.05.96; опубл. 10.11.97.], подают требуемую величину тока разряда, за счет чего обеспечивают требуемую величину заряда нано- или микрочастиц и/или их конгломератов, находящихся во втором двухфазном газовом потоке. Величину заряда регулируют с помощью регулируемого источника тока разряда 14.
-12
-16
Следует отметить, что максимальная величина заряда как частиц мономера, так и нано- или микрочастиц прямопропорциональна произведению напряженности электрического поля, создаваемой в разрядной камере 11 для частиц мономера, находящихся в первом двухфазном потоке, и в разрядной камере 12, для нано- или микрочастиц, находящихся во втором двухфазном потоке, и характерного размера частиц мономера, нано- или микрочастиц соответственно [Зимон А.Д. Адгезия пленок и покрытий. М., Химия, 1977, 352 с.]. Таким образом, регулируя ток разряда в разрядных камерах 11 и 12 соответствующими источниками тока разряда 13 и 14, за счет раздельного изменения напряженности электрических полей в разрядных камерах возможно обеспечивать требуемую величину заряда частиц. Величины заряда зависят от типа и характерных размеров частиц мономера, нано- или микрочастиц, типа реакции полимеризации (радикальная или катионная), требуемой толщины полимерного слоя, образующегося из мономера на поверхности нано- или микрочастицы, от требуемой структуры полимера, образующегося в результате реакции полимеризации, величины вандерваальсовских сил взаимодействия между отдельными нано- или микрочастицами в их конгломерате, а также от требуемой концентрации наночастиц в полимерной матрице. Например, при осаждении частиц стирола, имеющих характерный радиус порядка 100 нм в поле коронного разряда, [Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Т.2. Генерация плазмы и газовые разряды; Диагностика и метрология плазменных процессов. / Под ред. В.Е.Фортова. - М.: Наука/Интерпериодика, 2000. - 634 с.] на поверхность частицы талька, средний радиус которой составляет порядка 10 мкм, величина заряда каждой отельной частицы талька составляет около 10Кл, а каждой отдельной частицы мономера, например стирола - 10Кл.
За счет того, что электростатические силы отталкивания между отдельными нано- или микрочастицами в заряженном конгломерате превышают вандерваальсовские силы взаимодействия, заряженные конгломераты нано- или микрочастиц, находящиеся во втором двухфазном газовом потоке, диспергируют на отдельные нано- или микрочастицы. Частицы мономера и нано- или микрочастицы и/или их конгломераты заряжают противоположными по знаку зарядами. Затем первый и второй двухфазные газовые потоки разноименно заряженных частиц мономера и нано- или микрочастиц одновременно вводят в камеру смешения 15. За счет кулоновских сил взаимодействия между заряженными противоположными по знаку зарядами частицами мономера и диспергированными нано- или микрочастицами осуществляют осаждение частиц мономера на поверхности нано- или микрочастиц, в результате чего формируется слой мономера на поверхности отдельных нано- или микрочастиц. Одновременно с этим протекает реакция полимеризация слоя мономера, которая происходит по радикальному и/или катионному механизму. В результате этого на поверхности нано- или микрочастицы образуется полимерная пленка, толщину которой возможно контролировать за счет изменения соотношения абсолютных величин зарядов частиц мономера и нано- или микрочастиц, а также за счет подбора типов мономера и нано- или микрочастиц и химического состава газов-носителей.
Полимеризацию слоя мономера на поверхности нано- или микрочастиц возможно осуществлять за счет инициирования реакции радикальной и/или катионной полимеризации. Инициирование реакции полимеризации возможно осуществлять любым известным способом, например, за счет воздействия ультрафиолетовым излучением и/или за счет введения в многофазный газовый поток любого известного катализатора реакции радикальной и/или катионной полимеризации [Энциклопедия полимеров // Гл. ред. В.А.Каргин. T.1-3. - М.. «Советская Энциклопедия». 1972 г.; Х.Ясуда Полимеризация в плазме. Пер. с англ. - М.: Мир. 1988 год. - 376 с.].
При инициировании радикальной полимеризации за счет ультрафиолетового излучения через окна, прозрачные для ультрафиолетового излучения, в камеру смешения вводят ультрафиолетовое излучение. Длина волны ультрафиолетового излучения выбирается таким образом, чтобы обеспечить образование требуемого числа радикалов в мономере, осажденном на поверхности нано- или микрочастиц. Для обеспечения контроля реакции радикальной полимеризации предусматривают изменение интенсивности ультрафиолетового излучения любым известным способом [Трембач В.В. Световые приборы. М.: Высш. шк., 1990 - 463 с.].
4
2
5
3
2
4
3
4
Для инициирования, например, радикальной полимеризации за счет использования любого известного для выбранного типа мономера, катализатора этой реакции, в камеру смешения через дополнительные подводы вводят катализатор. В качестве катализатора реакции радикальной полимеризации, например стирола, возможно использовать катализаторы Циглера-Натта, например TiCl-Al(CH). Типичными катализаторами реакции катионной полимеризации являются протонные кислоты (HSO, НРО, НСl и др.) и координационные комплексы кислот Льюиса [Энциклопедия полимеров // Гл. ред. В.Л.Каргин. T.1-3. - М., «Советская Энциклопедия», 1972 г.].
Полученный в результате смешения и реакции полимеризации частиц порошок капсулированного полимерного материала, находящийся в многофазном газовом потоке, вводят в камеру отделения порошка капсулированного полимера от смеси газов и продуктов реакции 16. В этой камере любым известным способом отделяют частицы порошка капсулированного полимерного материала от смеси газов-носителей и продуктов реакции любым известным способом.