СПОСОБ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ НАНО- ИЛИ МИКРОЧАСТИЦ, ИХ СМЕШЕНИЯ С ЧАСТИЦАМИ ПОЛИМЕРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF DISPERSING NANO- OR MICROPARTICLES, THEIR MIXING WITH POLYMER PARTICLES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способам диспергирования нано- и микрочастиц, их смешения с частицами полимера с целью введения нано- и микрочастиц в полимерную матрицу, используемую для создания изделий из модифицированных полимерных материалов, и может быть использовано в устройствах серийного производства указанных изделий.
Известны способ диспергирования нано- или микрочастиц, их перемешивания с частицами термопласта и устройство его реализующее - патент RU 2446187, опубликованный 27.03.2012, выбранный в качестве аналога, в котором диспергирование нано- и микрочастиц и их смешение с частицами термопласта осуществляется в процессе перемешивания в расплаве термопласта, находящегося в режиме упругой неустойчивости.
Устройство для его реализации содержит зону диспергирования в виде смесителя червячно-плунжерного типа с нагревательным элементом.
Недостатками известного способа и устройства являются плохая воспроизводимость характеристик получаемого материала при промышленной реализации процесса, обусловленная сложностью контроля числа Вайссенберга, высокие энергетические затраты, вызванные необходимостью нагревать смесь свыше 200 градусов Цельсия, и невозможность использования способа для смешения нано- и микрочастиц с органонаполненными полимерами по причине выгорания органического наполнителя при высоких температурах.
Известны способ диспергирования нано- или микрочастиц, их смешения с частицами полимера и устройство его реализующее - патент RU 2428402, опубликованный 10.09.2011, выбранные в качестве прототипов. Способ включает диспергирование нано- и микрочастиц за счет заряжения нано- и микрочастиц одноименным электрическим зарядом в потоке ионизированного газа и их смешивание с частицами полимера в зоне смешения за счет смешения газового потока,  наполненного нано- и микрочастицами, и газового потока, наполненного частицами полимера.
Устройство для его реализации содержит зону диспергирования нано- или микрочастиц за счет их заряжения одноименным электрическим зарядом, зону смешения нано- или микрочастиц и частиц полимера в газовой среде и источники газовых потоков. Зона диспергирования выполнена в виде камеры с ионизатором нано- или микрочастиц. Перемещение частиц через камеру осуществляется воздушным потоком. Зона смешения нано- или микрочастиц и частиц полимера выполнена в виде камеры, в которую направлены два воздушных потока, содержащих нано- или микрочастицы и частицы полимера соответственно.
Одним из недостатков известных способа и устройства является сложность в осуществлении равномерного смешения нано- или микрочастиц и частиц полимера в зоне смешения и, как следствие, низкое качество смешения. Смешение нано- или микрочастиц и частиц полимера осуществляется за счет смешения газовых потоков, содержащих нано- или микрочастицы и частицы полимера. Сложность равномерного смешения обусловлена различием удельного веса нано- или микрочастиц и частиц полимера, которое приводит к необходимости создания различных по расходу и скорости потоков газа. По законам газовой динамики такие потоки сложно смешать равномерно. В процессе смешения потоков в общем потоке более легким нано- или микрочастицам будет сообщаться большая скорость, чем более тяжелым частицам полимера. В результате этого они будут проходить до конца пути быстрее, не перемешиваясь с более тяжелыми частицами полимера, которые будут отставать. В результате этого другим недостатком известных способа и устройства является наличие больших потерь ноно- и микрочастиц, не смешенных с частицами полимера.
Технической задачей изобретения является повышение качества смешения нано- или микрочастиц и частиц полимера за счет упрощения устройства зоны смешения, объединения ее с зоной диспергирования и снижение потерь нано- и микрочастиц в процессах диспергирования и смешения за счет изменения физики процесса диспергирования и упрощения конструкции устройства, реализующего процессы.
Решение технической задачи в способе диспергирования нано- или микрочастиц, их смешения с частицами полимера, заключающемся в подаче нано- или микрочастиц с частицами полимера в зону смешения, их смешении в зоне смешения, достигается тем, что одновременно со смешением нано- или микрочастиц в зоне смешения, выполненной в виде барабана, осуществляют диспергирование нано- или микрочастиц, барабан вращают от привода на двух пространственных кривошипах со скрещивающимися под углом 25-65 градусов геометрическими осями шарниров и скрещивающимися под углом 145-178 градусов осями их вращения с отношением длины кривошипов к кратчайшему расстоянию между осями их вращения, равному отношению синусов углов скрещивания их геометрических осей шарниров для осуществления процессов диспергирования и смешения.
Решение технической задачи в устройстве диспергирования нано- или микрочастиц, их смешения с частицами полимера, содержащем зону смешения, достигается тем, что устройство имеет дозаторы нано- или микрочастиц и частиц полимера, а зона смешения нано- или микрочастиц с частицами полимера является и зоной диспергирования нано- или микрочастиц и выполнена в виде барабана с цапфами, закрепленного с возможностью вращения от привода на двух пространственных кривошипах со скрещивающимися под углом 25-65 градусов геометрическими осями шарниров и скрещивающимися под углом 145-178 градусов осями их вращения с отношением длины кривошипов к кратчайшему расстоянию между осями их вращения, равному отношению синусов углов скрещивания их геометрических осей шарниров.
На чертеже представлено устройство для диспергирования нано- или микрочастиц, их смешения с частицами полимера.
l
l
l
l
1
1
Устройство состоит из дозатора 1 нано- или микрочастиц, дозатора 2 частиц полимера, зоны смешения нано- или микрочастиц с частицами полимера, которая является и зоной диспергирования нано- или микрочастиц и выполнена в виде барабана 3 с цапфами 4, закрепленного с возможностью вращения от привода 5 на двух пространственных кривошипах 6 и 7 со скрещивающимися под углом α=25-65 градусов геометрическими осями 8 и 9 шарниров 10 и 11 и скрещивающимися под углом β=145-178 градусов осями их вращения 12 и 13 с отношением длины кривошипов  к кратчайшему расстоянию между осями их вращения , равному отношению синусов углов скрещивания их геометрических осей шарниров /=sin α/sin β.
3
3
Пример конкретной реализации осуществления способа диспергирования нано- или микрочастиц, их смешения с частицами полимера в зоне смешения. В качестве наночастиц берут углеродные нанотрубки, например поликристаллический графит марки Таунит в виде порошка с удельным весом 0,03 г/см. В качестве частиц полимера берут гранулы полипропилена диаметром 3 мм с удельным весом 0,9 г/см. Сначала наночастицы и частицы полимера насыпаются в дозаторы 1 и 2 соответственно, выполненные в виде сосудов, которые установлены на весы (на чертеже не показаны) для определения масс доз частиц, засыпаемых в барабан 4. В нижней части дозаторов имеются отверстия, которые открываются и закрываются, например, вручную. Частицы в соотношении, например 1 часть наночастиц (10 грамм) на 100 частей частиц полимера (1 кг), засыпаются в барабан 3. Барабан 3 внешне напоминает бочку с крышкой. Он изготовлен из нержавеющей стали. После засыпания частиц в барабан 3 крышку плотно закрывают. Кривошип 6 получает вращение от привода 5 и передает его через барабан 3 ведомому кривошипу 7. В качестве привода 5 используют, например, мотор-редуктор с трехфазным электродвигателем. Так как оси 8 и 9 вращения кривошипов 6, 7 располагаются в разных плоскостях, то барабан 3 получает сложное пространственное движение с переменной за оборот частотой вращения. Средняя частота вращения составляет 40-50 оборотов в минуту. При этом, несмотря на разность удельного веса смешиваемых компонентов в 30 раз, они многократно контактируют друг с другом в закрытом пространстве барабана, в отличие от прототипа, в котором в процессе смешения потоков в общем потоке более легким нано- или микрочастицам будет сообщаться большая скорость, чем более тяжелым частицам полимера, и они будут проходить до конца пути быстрее, не перемешиваясь с более тяжелыми частицами полимера, которые будут отставать. В результате происходит механическое диспергирование нано- или микрочастиц и смешение с частицами полимера. Длительность процесса составляет, например, 5 минут. После этого полученная смесь высыпается из барабана 3 и транспортируется к месту изготовления изделий, например к термопласт-автомату, на котором из нее отливаются детали.
Техническая задача повышения качества смешения по сравнению с прототипом решается за счет того, что смешение нано- или микрочастиц или частиц полимера осуществляется не за счет смешения газовых потоков, содержащих нано- или микрочастицы и частицы полимера, а за счет смешения частиц в замкнутом объеме. Причем в том же объеме происходит и диспергирование нано- или микрочастиц, что значительно упрощает конструкцию. За счет применения замкнутого объема зоны смешения и диспергирования решается задача, заключающаяся в исключении потерь нано- или микрочастиц в процессах диспергирования и смешения. В результате сложного пространственного движения барабана частицы, находящиеся в барабане, также получают сложное пространственное движение, "отсутствует мертвая зона". Результатом этого является качественное диспергирование нано- или микрочастиц и их качественное смешение с частицами полимера.
l
l
l
l
1
1
Получено экспериментальное подтверждение возможности получения технического результата при осуществлении полезной модели. Для этого сконструировано и изготовлено устройство, параметры которого были выбраны исходя из конструкционных соображений и предварительно заданной производительности процесса перемешивания. Длина кривошипа =110 мм, кратчайшее расстояние между осями вращения кривошипов =90 мм, α=30°, угол β рассчитан по формуле β=arcsin(α·/). Проведен эксперимент, описанный в примере конкретной реализации. Критерием качественного диспергирования наночастиц и перемешивания с гранулами полипропилена являлся факт равномерного покрытия гранул полипропилена наночастицами и отсутствие на дне бункера не прилипших к гранулам полипропилена наночастиц.