УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОПИТКИ ЛИСТОВОГО МАТЕРИАЛА СУСПЕНЗИЕЙ С НАНОДИСПЕРСНОЙ ФАЗОЙ

Полезная модель относится к устройствам для нанесения жидких моно и модифицированных сред на поверхности материалов с использованием средств распыления, в частности к устройствам для нанесения маловязкой водной суспензии, содержащей нанодисперсный металлический порошок и может быть использовано для процессов пропитывания и нанесения покрытий на тонколистовые нетканые полимерные материалы.
Известно устройство для нанесения покрытий [RU 2325957 С2, 2008], содержащее, по меньшей мере, один покрывной блок с покровным материалом, который содержит, по меньшей мере, одну дозирующую головку, которая имеет, по меньшей мере, одну пузырьково-струйную и/или струйную или пьезоэлектрическую струйную форсунку, которой можно управлять в ответ на создаваемый компьютером сигнал управления, и устройство для перемещения основы, имеющей поверхность, подлежащую покрытию, вдоль этой поверхности относительно дозирующей головки, и/или перемещения дозирующей головки относительно поверхности основы, подлежащей покрытию, и устройство для затвердевания покрывной поверхности основы сшиванием жидкого покровного материала.
2
Устройство, не позволяет наносить покрытия на большие поверхности и не позволяет наносить покрытия жидкими веществами с вязкостью меньше 1 Па и обеспечивать высокую степень однородности в таком покрытии по массе вещества на больших площадях (>1 м).
Известно устройство для приготовления сорбента [RU 14531 U1, 2000], в котором для нанесения пропитывающего вещества (например, водного раствора латекса) используют форсунки, закрепленные в корпусе по периметру, при этом, форсунки закреплены под определенным углом к продольной оси корпуса. Корпус устройства выполнен в виде отрезка трубы прямоугольного поперечного сечения с входным и выходным люками для перемещения носителя сорбента (например, в виде ленты) с оптимальной скоростью и имеет положительный наклон к горизонтальной оси - (5÷30)°. Давление на выходе форсунок верхнего ряда на (10÷70)% ниже среднего. Предварительно лента носителя сорбента заправляется в корпус через входной люк с
размерами, незначительно, превышающими размеры поперечного сечения полосы носителя. Настраиваются режимы давления рабочей смеси пропитки и производительности подачи газовой смеси, например воздуха, сушки. После включения устройства, обрабатываемая лента носителя под действием струй нижних и боковых форсунок поддерживается во взвешенном состоянии, за счет образования воздушной подушки, существенную роль при этом имеет наличие стенки над выходным люком. Струи от верхних форсунок обеспечивают, наряду с горизонтальной составляющей силы тяжести, продольное перемещение ленты.
Оптимальная скорость перемещения обрабатываемой ленты в сильной степени зависит от углов наклона корпуса, форсунок, величины давления струй вещества пропитки и производительности подачи вещества. Носитель перемещается с оптимальной скоростью в сторону выходного люка под действием силы тяжести, а также струй веществ пропитки и сушки.
Недостатками этого устройства, выбранного в качестве прототипа, являются следующие:
1. Устройство позволяет обрабатывать толстые (объемные) ленты с «заметным» весом ее короткой длины (например, 10...20 см), так как при подаче ленты в устройстве используется горизонтальная составляющая ее веса. В случае тонких материалов (носителей сорбентов, например нетканые материалы - ткань Петрянова, флизелин и др.) вес их коротких отрезков очень мал и не может быть использован в устройстве, как составляющая силы подачи ленты.
2. Устройство нельзя применить для подачи тонких и широких полос с толщиной (0,1...0,4) мм и шириной в районе 1000 мм. Трудности связаны с потоками газовых струй от боковых форсунок. Под действием напора таких струй форма ленты не устойчива в потоке, сминается.
3
3
3. Устройство нельзя использовать для обработки лент, особенно тонких и широких, водными суспензиями, когда материал дальше подвергается термической обработки с целью проведения химической реакции, например гидролиза. В устройстве, за счет значительного обдува ленты газами (до 20·10 м/час), материал обезвоживается и вследствие этого создаются неблагоприятные условия для полной качественной реакции гидролиза.
4. Устройство нельзя применить для изготовления многослойных габаритных полотен сорбционных материалов с горизонтальными размерами более 1 м, когда тонкие полотна (носители) предварительно обрабатываются суспензиями, упаковываются, а затем подвергаются термической обработке с целью проведения химических реакций в диапазоне времен от единиц до десятков минут. В
устройстве, в газовых потоках, происходит изменение баланса реагентов и их распределение по полотну. В результате невозможно организовать высокое качество процесса на стадии термической обработки многослойной заготовки полотняного сорбента.
Задачей настоящей полезной модели является разработка устройства, позволяющего производить пропитку маловязкой водной сусупензией, содержащей нанодисперсный металлический порошок, листового материала, преимущественно нетканого полимерного, с одной его стороны и без его деформации.
Технический результат - внедренные и равномерно распределенные по объему материала фазы суспензии.
Поставленная задача достигается тем, что как и известное, предлагаемое устройство для пропитки листового материала суспензией с нанодисперсной фазой содержит корпус, средства подачи суспензии, содержащие подводящие трубопроводы, средства подачи сжатого воздуха и распылительный блок, содержащий форсунки, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде короба, внутри которого смонтирован узел для размещения листового материала, состоящий из установочной площадки и сменного картриджа, распылительный блок установлен на коробе на направляющих с возможностью его перемещения в продольном направлении над поверхностью листового материала, размещенного на сменном картридже, при этом устройство дополнительно содержит отводящий трубопровод для обеспечения постоянной циркуляции суспензии по замкнутому контуру.
Кроме того, распылительный блок представляет собой каретку, установленную на направляющих короба в поперечном направлении, на которой в шахматном порядке закреплены форсунки, а также подводящие и отводящий трубопроводы суспензии и трубопроводы подачи сжатого воздуха.
Кроме того, в распылительном блоке использованы форсунки пневматической системы, в которых для распыления жидкости используется сжатый воздух, с круговой формой факела в сечении ортогональном оси распыления.
Кроме того, форсунки установлены на каретке под углом не более 87° к поверхности листового материала, в сторону обратную прямому ходу каретки.
Кроме того, сменный картридж представляет собой раму с металлической сеткой, на которой размещается листовой материал.
Кроме того, средства подачи суспензии содержат емкость для суспензии и подводящие к форсункам трубопроводы, при этом в подводящей части проточной системы последовательно установлены насос, обратный клапан, фильтр, клапан для
открытия каналов подачи суспензии, манометр, а отводящий трубопровод соединен с емкостью для суспензии.
Кроме того, устройство содержит компрессор для подачи сжатого воздуха в распылительный блок, а также средства регулирования давления и расхода суспензии и средства управления скоростью перемещения каретки.
Кроме того, оно дополнительно содержит валик, закрепленный в поперечном направлении вдоль каретки для частичного отжима пропитанного листового материала.
Предлагаемое устройство пропитки позволяет осуществить комплекс приемов для решения проблемы равномерной пропитки методом распыления габаритного листового материала водной суспензией нанопорошка на основе алюминия. Устройство испытывалось в технологии производства композиционного листового сорбента, в котором в качестве основы применяется листовой нетканый полимерный материал, с горизонтальными размерами 950×1500 мм, получаемый методом электроформования (ткань Петрянова), а активная фаза сорбента, распределенная в объеме основы состоит из оксидно-гидроксидных фаз алюминия. Технология производства включает две основные стадии: суспензионную обработку листового нетканого полимерного материала и последующую его термообработку.
Решить поставленную задачу позволяет использование ряда форсунок, которые устанавливаются в каретке и закреплены относительно друг друга в шахматном порядке. Желательно использовать форсунки пневматической системы, в которых для распыления жидкости используется сжатый воздух, с круговой формой факела в сечении ортогональном оси распыления и диаметром выходного отверстия 1,2 мм. На фиг.3. показана конфигурация взаимного расположения форсунок в горизонтальном сечении.
Установлено, что ось форсунок должна располагаться к плоскости полотна под углом не более 87°. Угол наклона образуется в сторону обратную прямому движению каретки с форсунками. В случае ортогонального расположения оси форсунок, наблюдается сильной воздействие воздушно-капельной смеси потока на листовой материал. Фиксируются явления поднятия листового материала, образование воздушных полостей, скомкование и др. При наклонном расположении форсунок к плоскости листового материала происходит уменьшение нежелательных вышеперечисленных явлений и натяжение полотна на поверхности поддона. При углах менее 87°, начинаются проявления неравномерности распределения активных фаз сорбента по объему листового материала. Шахматное расположение форсунок, при прочих неизменных параметрах, также способствует равномерной пропитке листового материала суспензией. Оптимальное смешение осей форсунок вдоль направления движения форсунок составляет 23-27 мм, предпочтительно 25 мм. В вариантах, отличающихся от величины
этого смещения, получаются результаты по равномерности распределению активной фазы сорбенты в объеме полотна хуже, чем средние, получаемые при смещении ≈25 мм. Определено, что при прочих постоянных значимых параметрах устройства, оптимальное расстояние от выхода сопла до поверхности пропитываемого листового материала равно 165-175 мм, предпочтительно 170 мм. фиг.2. При расстояниях <165 мм фиксируются резкие границы контакта факелов форсунок, большие концентрации активной фазы сорбента в этих местах и неоднородность их содержания по всему объему плотна. В случае расстояний до листового материала >175 мм, наблюдаются большие воздушно капельные потоки над полотном, вытеснение потока смеси на периферию полотна, его сминание и неравномерное распределение сорбента в полотне по его объему, а оптимальные расстояния между форсунками равны: 90-94 мм, предпочтительно 92 мм.
Сложности пропитки суспензией, содержащей нанодисперсную фазу, связаны с заметным оседанием порошка и с необходимостью обеспечивать равномерное распределение нанопорошка по объему листового материала, имеющего значительные горизонтальные размеры (950×1500 мм). Технически надо организовать систему, в которой порошок постоянно поддерживается во взвешенном состоянии и подается в систему форсунок. С этой целью устройство дополнительно снабжено средствами, позволяющими перед подачей суспензии в систему форсунок, постоянно ее перемешивать (например, электромеханическая мешалка). Система также содержит насос подачи суспензии к форсункам по замкнутому контуру под избыточным давлением. При кратковременном выключении системы форсунок (выключен электромеханический клапан), насос не выключается, и суспензия циркулирует по образованному короткому контуру: мешалка - обратный клапан - мешалка.
Таким образом, однородная пропитка полотна достигается как геометрией расположения форсунок относительно друг друга и поверхности листового материала, так и формированием пневмогидравлической системы устройства с постоянной циркуляцией суспензии.
Для регулирования давления суспензии и сжатого воздуха используется насос и компрессор.
Электропривод каретки позволяет управлять скоростью ее перемещения.
Кроме того, устройство дополнительно содержит валик, закрепленный в поперечном направлении вдоль каретки для частичного отжима пропитанного листового материала.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами.
На фиг.1 представлен общий вид устройства.
На фиг.2 схематическое изображение конструкции устройства сбоку.
На фиг.3 показана конфигурация взаимного расположения форсунок в горизонтальном сечении (фиг.2).
На фиг.4. представлена пневмогидравлическая схема устройства.
Предлагаемое устройство состоит из корпуса, выполненного в виде короба 1 (фиг.1, 2, 4), содержащего установочную площадку 2 (фиг 2) для размещения на ней сменного картриджа 3 (фиг.1, 2) с пропитываемым листовым материалом 4 (фиг 2) и распылительного блока (каретка) 5 (фиг.1), установленного на направляющих 6 (фиг.1), имеющего электропривод 7, перемещающий распылительный блок в продольном направлении по коробу 1 над поверхностью пропитываемого материала 4. Распылительный блок 5 содержит ряд форсунок 8 (фиг.1, 2), канал для подачи суспензии (трубопровод) 9 (фиг.1, 2), канал (трубопровод) для подачи сжатого воздуха 10 (фиг.1, 2) и валик 11 (фиг.1,2) для частичного отжима листового материала 4.
Дополнительно в комплект устройства также входят: электромеханическая мешалка с емкостью 12 (фиг.4), насос для прокачки суспензии 13, обратный клапан 14, фильтр 15, установленный в трубопроводе подачи суспензии к форсункам 8, компрессор 16, электроуправляемые клапаны для открытия каналов (трубопроводов) подачи суспензии и сжатого воздуха 17, 17', манометры 18, 18', емкость для сбора излишков суспензии 19 и фильтр 20.
Устройство работает следующим образом.
Приготовленная предварительно водная суспензия алюминиевого нанопорошка заливается в емкость 12 с мешалкой (не показана) (фиг.4) и включается привод мешалки. Компрессор 16 включен и готов к подсоединению к системе распылительного блока через клапан 17' (суспензия подается к форсункам под избыточным давлением в (1,5-1,8) МПа.
Обрабатываемый листовой материал - ткань Петрянова (ФПА - 15-2,0) размером 950×1500 мм укладывается на металлическую сетку сменного картриджа 3 (фиг.2), который в свою очередь устанавливается на установочную площадку 2 в коробе 1. Открывается клапан 17` (фиг.4) - сжатый воздух подается в систему распылительного блока 5. Включается клапан 17, через паузу, необходимую для начала работы форсунок 8, включается электропривод 7 каретки распылительного блока 5 и она перемещается вдоль листового материала со скоростью 5 см/сек. При больших скоростях возникают нежелательные динамические нагрузки на стадии пуска и остановки каретки. На краю листового материала электропривод каретки выключается одновременно с выключением клапана 17` и через паузу - клапаном 17.
Включается обратный ход каретки (распылительный блок) 5 для возвращения в исходное состояние. При этом движении каретки (распылительный блок) 5 опускается
валик 11 (фиг.1, 2) для частичного отжима полотна. После возврата каретки (распылительный блок) 5, укладывается новый слой листового материала 4 и вся последовательность операций повторяется. Устройство испытывалось в технологии получения 8-ми слойных композиционных листовых сорбентов. После пропитки материал укладывается в термопечь и выдерживается в ней до завершения реакции гидролиза нанодисперсной фазы.
2
3
Качество полученного материала определялось по методике основанной на взвешивании остатков при сжигании образов (кусочков полотна) взятых из разных мест по площади. Остаткам, при сжигании, является оксид алюминия. По его количественному распределению по площади материала делается заключение о качестве техпроцесса его пропитки. Методика испытаний: ее содержание, начальные условия и содержание процессов, были основаны на результатах предварительных работ по разработке материала и техническим приемам его изготовления. В объеме материала можно получить надежно удерживаемую фазу гидроксида алюминия в количестве ≈22%, масс. Данные испытаний по содержанию гидрата окиси алюминия - АlO,%, масс. в листовом материале в разных участках по поверхности приведены в Таблице.
Таблица.
Технические параметры устройства: давление воздуха впневмосистеме-2 МПа; расстояние от сопла форсунки до поверхности полотна - 170 мм; скорость перемещения каретки - 5 см/сек; смещение форсунок в шахматном порядке (в направлении движения каретки) - 25 мм.
Место отбора пробы на полотне материала.
Расстояние между форсунками, мм.
92
110
150
Давление в системе подачи суспензии, МПа.
1,5
1,5
1,5
Левый верхний край.
21,8
20,5
19,1
Правый верхний край.
23,5
25,2
26,2
Середина слева.
22,7
19,3
18,7
Середина, центр.
22,0
21,9
22,8
Середина справа.
24,2
26,7
27,0
Левый нижний край.
21,6
18,7
18,5
Правый нижний край
20,5
25,9
17,0
Среднее значение содержания окиси алюминия, % масс.
≈22,4
≈22,6
≈21,3
Максим. Относительная погрешность (разброс) в содержании окиси алюминия, %.
15,3
30
37
Из таблицы видно, что более равномерное распределение поверхностной плотности и содержания достигается при использовании оптимальных геометрических значений конфигурации пневмогидравлической системы.