УСТРОЙСТВО НЕПРЕРЫВНОГО КРАШЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЛН РАЗЛИЧНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ
DEVICE FOR CONTINUOUS DYEING OF POLYMER MATERIALS WITH APPLICATION OF WAVES OF VARIOUS PHYSICAL NATURE

Изобретение относится к области физики и может быть использовано в промышленности для повышения эффективности крашения объектов из полимерных материалов (ПМ), уменьшения расхода красильного состава (КС) т.д., улучшения качества крашения: контрастность, прочность и т.д., а также для очистки сточных вод предприятий в интересах их повторного использования в производстве.
Технический результат предложенного устройства заключается в качественном крашении ПМ, уменьшении расхода КС, сокращении времени крашения, фиксации КС на поверхности субстрата и сушки, а также в эффективной очистке сточной воды от взвешенных веществ (ВВ) и коллоидных частиц (КЧ) с целью ее повторного использования в производстве относительно простым способом при минимальных затратах. Известно устройство крашения ПМ, содержащее объект крашения, емкость для крашения, емкость для приготовления КС путем разбавления краски, чистой воды и поверхностно-активного вещества (ПАВ), нагреватель, нагревающий КС до температуры 95…100°С, дозатор-распределитель для подачи КС в емкость для крашения, в которую заранее помещен объект крашения, емкость для временного хранения отработанного КС, емкость для промывки объекта крашения водой, блок сушки объекта крашения с системами нагрева и вентиляции воздуха в нем, емкости для транспортировки отработанного КС и сточной воды /Сафонов В.В. Современные направления в химической технологии текстильных материалов./ Текстильная промышленность, №5, 2002 г. с.39-42/.
Основными недостатками устройства являются:
1. Ограниченная область применения.
2. Низкое качество крашения из-за неполного проникновения КС в субстракт, что приводит к неравномерной покраски поверхности объекта крашения и потери краски через некоторое время.
3. Низкая эффективность крашения, обусловленная длительностью процесса крашения и применением большого количества КС.
4. Необходимость постоянного использования чистой воды для приготовления КС и промывки объекта крашения.
5. Экологическая опасность из-за хранения отработанного КС и сточной воды на предприятии перед их последующим вывозом.
5. Необходимость дальнейшей утилизации КС и сточной воды и др.
Известно также устройство крашения ПМ, содержащее объект крашения, емкость для приготовления КС, низкотемпературный нагреватель, находящийся в емкости для приготовления КС и предварительно нагревающий КС до температуры 35…40°С, емкость для крашения ПМ, излучатель ультразвуковых колебаний (УЗК) и высокотемпературный нагреватель, окончательно нагревающий КС до заданной технологическим процессом температуры 95…100°С, находящиеся в емкости для крашения ПМ дозатор-распределитель для подачи КС в емкость для крашения, в которую заранее помещен объект крашения, емкость для временного хранения отработанного КС, емкость для промывки объекта крашения водой, блок сушки объекта крашения с системами нагрева и вентиляции воздуха в нем, емкости для транспортировки отработанного КС и сточной воды /Рубаник В.В., Аристов А.А. Крашение текстильных материалов с использованием ультразвуковых колебаний. - Материалы международной конференции "Ультразвуковые технологические процессы", Северодвинск, 2000, 56-59 с./.
Основными недостатками устройства являются:
1. Ограниченная область применения.
2. Недостаточное качество крашения из-за неполного проникновения КС в субстрат, что приводит к неравномерной покраски поверхности объекта крашения и потери краски через некоторое время.
3. Недостаточная эффективность крашения, обусловленная относительно длительным процессом крашения и применением большого количества КС.
4. Необходимость постоянного использования чистой воды для приготовления КС и промывки объекта крашения.
5. Экологическая опасность из-за хранения отработанного КС и сточной воды на предприятии перед их последующим вывозом и др.
1
2
3
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому относится устройство непрерывного крашения ПМ с использованием УЗК, выбранное в качестве устройства-прототипа, содержащее окрашиваемый субстрат (ОС), емкость с излучателем акустических волн на частоте Ω и излучателем электромагнитных волн на частоте f для предварительной обработки ОС, емкость для чистой воды, водовод для чистой воды, внутри которого находится несколько вставок с изменяющейся по длине вставки диаметром от минимального 5% от внутреннего диаметра водовода до максимального 95% от внутреннего диаметра водовода, насос для чистой воды, резервуар для краски, резервуар для вспомогательного вещества, емкость для приготовления КС, компьютер, рассчитывающий необходимые дозы воды, красителя и вспомогательного вещества для приготовления КС, емкость для воздействия ультразвука на частоте ω на КС, резервуар для пара с паропроводами для подачи пара в емкости для приготовления КС, крашения и сушения ОС, емкость для крашения ОС с несколькими ультразвуковыми излучателями на частоте ω, расположенными снаружи данной емкости, первое устройство создания статического давления не менее 0,5 атм в емкости для крашения ОС, емкость для промывки ОС, емкость для сушения ОС паром, водовод для сточной воды, акустический гидроциклон, внутри которого находится устройство для создания гидродинамического потока, а снаружи УЗК излучатели на частоте ω, второй блок создания избыточного статического давления давлении 2,5-5,0 атм для акустического гидроциклона, водовод для очищенной сточной воды /Бахарев С.А. - Патент РФ №2318939 по заявке №2006142297/04 от 30.11.2006 г./.
Основными недостатками устройства-прототипа являются:
1. Ограниченная область применения. В частности, невозможность использования для крашении ПМ, находящихся в воздушной среде.
2. Недостаточное качество крашения из-за неполного растворения красителя, что приводит к неравномерной покраски и ухудшению товарного вида.
3. Недостаточное качество крашения из-за неполного проникновения КС в ОС, что приводит к неравномерной покраске поверхности ОС и потери краски через некоторое время.
4. Недостаточная эффективность крашения, обусловленная относительно длительными процессами крашения, фиксации КС и сушки ОС.
5. Недостаточная эффективность очистки оборотных вод, особенно от КЧ.
Задача, которая решается изобретением, заключается в разработке устройства, свободного от указанных выше недостатков.
Технический результат предложенного устройства заключается в расширении области его применения, повышении качества приготовления КС, повышении эффективности крашения ОС, уменьшении продолжительности сушения ОС, а также в эффективной очистке промышленной сточной воды от ВВ и КЧ с целью ее повторного использования в производстве.
1
2
3
1
4
8
4
5
4
4
5
4
8
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве непрерывного крашения ПМ с использованием ультразвука, содержащем ОС, емкость с излучателем акустических волн на частоте Ω и излучателем электромагнитных волн на частоте f для предварительной обработки ОС, емкость для чистой воды, водовод для чистой воды, внутри которого находится несколько вставок с изменяющимся по длине вставки диаметром от минимального до максимального, насос для чистой воды, резервуар для краски, резервуар для вспомогательного вещества, емкость для приготовления КС, компьютер, рассчитывающий необходимые дозы воды, красителя и вспомогательного вещества для приготовления КС, емкость для воздействия ультразвука на частоте ω на КС, резервуар для пара с паропроводами для подачи пара в емкости для приготовления КС, крашения и сушения ОС, емкость для крашения ОС с несколькими ультразвуковыми излучателями на частоте ω, расположенными снаружи данной емкости, первое устройство создания статического давления не менее 0,5 атм в емкости для крашения, емкость для промывки ОС водой, емкость для сушения ОС паром, водовод для сточной воды, акустический гидроциклон, внутри которого находится устройство для создания гидродинамического потока, а снаружи УЗК излучатели на частоте ω, второй блок создания избыточного статического давления давлении 2,5-5,0 атм для акустического гидроциклона, водовод для очищенной сточной воды, отличающийся тем, что вместо емкости для приготовления КС и емкости для воздействия ультразвука на частоте ω на КС используется акустико-электромагнитный гидроциклон, вместо емкости для крашения используется воздушная камера, дополнительно для приготовления КС используются излучатели электромагнитных волн в диапазоне частот 10-10 Гц, дополнительно для силового крашения используется спрей-аппарат с первым акустическим излучателем УЗК с частотой 10 - 10 Гц, размещенным за спрей-аппаратом, дополнительно для объемного крашения используется второй, третий, четвертый и пятый акустические излучатели с частотами 10-10 Гц, установленными сверху, снизу, слева и справа от ОС, дополнительно для предварительного акустического сушения ОС используется шестой акустический излучатель с частотой 10-10 Гц, установленный на входе емкости для сушения ОС паром и ориентированный вдоль транспортера с движущимися по нему к сушильной камере объектами крашения, дополнительно используются излучатели электромагнитных волн в диапазоне частот 10-10, установленные в первом гидроциклоне.
4
6
4
6
0
1
2
3
4
6
4
На фиг.1 и фиг.2 представлена структурная схема устройства, реализующего разработанный непрерывный способ крашения ПМ. Устройство содержит компьютер (1); резервуар для красителя (2) с соответствующим выходным трубопроводом (3); резервуар (4) для вспомогательного вещества с соответствующим выходным трубопроводом (5); резервуар (6) для УЗК активирования воды в диапазоне частот 10-10 Гц с соответствующим выходным трубопроводом (7); резервуар (8) для УЗК активирования субстрата в диапазоне частот 10-10 Гц; субстрат (9):(9) - до воздействия УЗК, (9) - после воздействия УЗК, но до крашения, (9) - после крашения, (9) - после УЗК фиксации и предварительной УЗК сушки в диапазоне частот 10-10 Гц, (9) - после окончательной сушки; емкость (10) для приготовления КС и его активирования (малый гидроциклон) с первым УЗК гидроакустическим излучателем (11), с первым излучателем (12) электромагнитных волн, с первым устройством (13) для интенсивного механического перемешивания КС и с первым устройством (14) для создания избыточного статического давления 0,5-1,0 атм в емкости (10); емкость (15) для крашения ОС с помощью спрей-аппарата (16), первым воздушным УЗК излучателем (17), находящимся сзади спрей-аппарата; со вторым (18), третьим (19), четвертым (20) и пятым (21) воздушными УЗК излучателями, расположенными соответственно сверху, снизу, слева и справа от ОС, движущегося по транспортеру (22), шестой воздушный УЗК излучатель (23), расположенный на входе устройства (24) для окончательного сушения ОС; водовод (25) для сточной воды; емкость (26) для очистки сточных вод от ВВ и КЧ - большой гидроциклон со вторым УЗК гидроакустическим излучателем (27), со вторым излучателем (28) электромагнитных волн, со вторым устройством (29) для интенсивного механического перемешивания очищаемой воды и со вторым устройством (30) для создания избыточного статического давления 2,5-5,0 атм, а также водовод (31) для очищенной воды, соединенный с резервуаром (6) для УЗК активирования воды.
1
2
2
2
3
Устройство также содержит последовательно электрически соединенные первый УЗК генератор (32) сигналов на частоте ω, первый усилитель мощности (33) и первый УЗК гидроакустический излучатель (11) на частоте ω, находящийся внутри емкости (10) для приготовления КС и его активирования. Устройство содержит последовательно электрически соединенные второй УЗК генератор (34) сигналов на частоте ω, второй усилитель мощности (35) и второй УЗК гидроакустический излучатель (27) на частоте ω, находящийся внутри емкости (26) для очистки сточных вод от ВВ и КЧ. Устройство содержит последовательно электрически соединенные третий УЗК генератор (36) сигналов на частоте ω, третий усилитель мощности (37) и третий УЗК гидроакустический излучатель (38) на частоте из, находящийся внутри резервуара (6) для УЗК активации воды.
4
4
5
5
6
6
7
7
Устройство также содержит последовательно электрически соединенные четвертый УЗК генератор (39) на частоте ω, четвертый усилитель мощности (40) и первый УЗК воздушный излучатель (17) на частоте ω, расположенный сзади спрей-аппарата (16) внутри емкости (15) для крашения субстрата. Устройство содержит последовательно электрически соединенные пятый УЗК генератор (41) на частоте ω, пятый (многоканальный не менее двух каналов) усилитель мощности (42), к выходу которого подключены второй (18), третий (19), четвертый (20) и пятый (21) воздушные УЗК излучатели, расположенные соответственно сверху, снизу, слева и справа от окрашиваемого субстрата и направленно излучающие акустические волны на частоте ω. Устройство содержит последовательно электрически соединенные шестой УЗК генератор (43) на частоте ω, шестой усилитель мощности (44) и шестой УЗК воздушный излучатель (23) на частоте ω. Устройство содержит последовательно электрически соединенные седьмой УЗК генератор (45) на частоте ω, седьмой усилитель мощности (46) и седьмой УЗК воздушный излучатель (47) на частоте ω, расположенный внутри резервуара (8) для УЗК активации субстрата.
1
1
2
2
Устройство также содержит последовательно электрически соединенные первый генератор (48) электромагнитных сигналов на частоте ω*, первый усилитель (49) электромагнитных сигналов и первый излучатель (12) электромагнитных волн на частоте ω*, находящийся внутри емкости (10) для приготовления КС и его активирования. Устройство содержит последовательно электрически соединенные второй генератор (50) электромагнитных сигналов на частоте ω*, второй усилитель (51) электромагнитных сигналов и второй излучатель (28) электромагнитных волн на частоте ω*, находящийся внутри емкости (26) для очистки сточных вод от ВВ и КЧ.
Устройство функционирует следующим образом (фиг.1 и фиг.2).
3
4
6
На первом этапе осуществляется предварительное УЗК активирование (активация) воды и предварительное УЗК активирование субстрата (9). Для УЗК активирования воды с помощью третьего УЗК генератора (36), третьего усилителя мощности (37) и третьего УЗК гидроакустического излучателя (38), расположенного в геометрическом центре резервуара (6), осуществляется формирование, усиление до необходимого уровня и ненаправленное излучение УЗК гидроакустических волн на частоте ω в диапазоне частот 10-10 Гц. Гидроакустические волны воздействуют на находящуюся внутри резервуара (6) воду и изменяют ее физико-химические свойства: повышается мягкость воды (она должна быть нейтральной и прозрачной - содержание ВB не более 0,1 мг/л) и т.д.
7
4
5
Для УЗК активирования субстрата с помощью седьмого УЗК генератора (45), седьмого усилителя мощности (46) и седьмого УЗК воздушного излучателя (47) осуществляется формирование, усиление до необходимого уровня и направленное в сторону субстрата излучение УЗК акустических волн на частоте ω в диапазоне частот 10-10Гц. Акустические волны воздействуют на поверхность субстрата и частично изменяют ее физико-химические свойства, сохраняя при этом структуру материала.
На следующем этапе осуществляется приготовление КС. Для этой цели в компьютере (1) рассчитывается необходимое количество красителя, воды и вспомогательного вещества в зависимости от природы субстрата, которые необходимо подать в емкость (10) для приготовления КС и его активирования. По команде с компьютера необходимое количество воды из резервуара (6) по соответствующему выходному трубопроводу (7) поступает в емкость (10), необходимое количество красителя из резервуара (2) для красителя по соответствующему трубопроводу (3) поступает в емкость (10), а также необходимое количество вспомогательного вещества из резервуара (4) по соответствующему выходному трубопроводу (5) поступает в емкость (10).
В емкости (10) при помощи первого устройства (13) осуществляется интенсивное и регулируемое (в зависимости от характеристик воды, красителя, вспомогательного вещества, а также субстрата, подлежащего крашению) по скорости (по оборотам вала) механическое перемешивание КС, а при помощи первого устройства (14) создается избыточное статического давление 0,5-1,0 атм, что ускоряет физико-химические процессы, протекающие в процессе приготовления КС и его активирования.
1
4
6
С помощью первого УЗК генератора (32), первого усилителя мощности (33) и первого УЗК гидроакустического излучателя (11), находящегося в геометрическом центре емкости (10), осуществляется формирование, усиление до необходимого уровня и ненаправленное излучение гидроакустических  волн на частоте ω в диапазоне частот 10-10 Гц. Гидроакустические волны воздействуют на КС и за счет таких физических эффектов, как кавитация (обуславливает микроударные воздействия, микропотоки, нагревание и др.), звукокапиллярный эффект (обуславливает интенсивное проникновение КС в мельчайшие поры окрашиваемого субстрата), диспергирование и др., повышают его качество (улучшается дисперсность КС и др.). Данное обстоятельство в дальнейшем позволяет ускорить процесс крашения, увеличить глубину прокраса субстрата, способствует улучшению ровноты и прочности крашения, а также позволяет снизить температуру, время крашения и т.д.
1
4
8
С помощью первого генератора (48) электромагнитных сигналов, первого усилитель (49) электромагнитных сигналов и первого излучателя (12) электромагнитных сигналов, расположенного в геометрическом центре емкости (10) - над или под гидроакустическим излучателем (11), осуществляется формирование, усиление и ненаправленное излучение электромагнитных волн на частоте ω* в диапазоне 10-10Гц. Электромагнитные волны также воздействуют на КС и повышают его качество (улучшается дисперсность КС и др.).
Подготовленный выше описанным образом КС заливают в расходную емкость спрей-аппарата (16) и КС под воздействием сжатого воздуха, поступающего из соответствующего резервуара спрей-аппарата и распылителя спрей-аппарата, направленно, в область текущего нахождения движущегося по транспортеру (22) субстракта, интенсивно распыляется, осуществляя крашение субстрата.
4
4
6
2
Одновременно с этим с помощью четвертого УЗК генератора (39), четвертого усилителя мощности (40) и первого УЗК воздушного излучателя, расположенного сзади спрей-аппарата (16) и не экранирующего от него окрашиваемый субстрат, осуществляется формирование, усиление до необходимого уровня и высоконаправленное, коллинеарное со спрей-струей излучение акустических волн на частоте ω в диапазоне 10-10 Гц. Акустические волны интенсивностью до 100 Вт/см и более, в зависимости от природы субстрата, существенно усиливают (за счет гораздо большей интенсивности по сравнению с интенсивностью спрей-струи) степень проникновение КС в окрашиваемый субстрат за время его нахождения в области спрей-струи и существенно улучшают фиксацию КС на поверхности окрашиваемого субстрата. При этом уменьшается давления воздуха в спрей-аппарате и уменьшается расход КС в процессе крашения субстрата.
5
4
5
2
Одновременно с этим с помощью пятого УЗК генератора (41), пятого (многоканального: не менее двух каналов) усилителя мощности, а также второго (18), третьего (19), четвертого (20) и пятого (21) воздушных УЗК излучателей, расположенных соответственно сверху, снизу, слева и справа от окрашиваемого субстрата, находящегося в текущий момент в области спрей-струи спрей-аппарата (16), осуществляется формирование, усиление до необходимого уровня и направленное излучение с соответствующих направлений (сверху, снизу, слева и справа) акустических волн на частоте ω в диапазоне 10-10 Гц. Акустические волны интенсивностью до 100 Вт/см и более, в зависимости от природы субстрата, частично изменяют траекторию движения КС по спрей-струе вне окрашиваемого субстрата и прижимают с соотвeтcтвyющeгo направления (сверху, снизу, слева и справа) КС к окрашиваемому субстрату. Кроме того, по аналогии с выше описанным существо усиливается степень проникновение КС в окрашиваемый субстрат с соответствующего направления за время его нахождения в области спрей-струи и существенно улучшается фиксация КС на поверхности окрашиваемого субстрата.
6
4
5
Одновременно с этим с помощью шестого УЗК генератора (43), шестого усилителя мощности (44) и шестого УЗК воздушного излучателя (23) осуществляется формирование, усиление до необходимого уровня и высоконаправленное навстречу движущемуся по транспортеру (22) субстрату излучение акустических волн на частоте ω в диапазоне 10-10 Гц.
Акустические волны интенсивностью до 100 Вт/см и более, в зависимости от природы субстрата, частично проникают в окрашенный субстрат и усиливают фиксацию КС на его поверхности (осуществляется предварительная фиксация КС), а также повышают за счет перехода части акустической энергии в тепловую энергию, температуру его поверхности, что способствует предварительной сушки (мягкой сушки) с удалением микрокапель КС, оставшихся на поверхности субстрата после крашения.
Далее окрашенный под воздействием акустический волн субстрат с предварительной акустической фиксацией КС на его поверхности и предварительной акустической сушкой поступает по транспортеру (22) в устройство (24) для окончательного сушения субстрата, а сточная вода по водоводу (25) поступает в емкость (26) для очистки сточных вод от ВВ и КЧ.
В емкости (26) при помощи второго устройства (29) осуществляется интенсивное механическое перемешивание поступившей сточной воды, а при помощи второго устройства (30) создается избыточное статическое давление 2,5-5,0 атм, что ускоряет физико-химические процессы, протекающие в процессе очистки сточной воды от ВВ и КЧ.
2
4
6
Одновременно с этим при помощи второго УЗК генератора (34), второго усилителя мощности (35) и второго УЗК гидроакустического излучателя (27), находящегося в геометрическом центре емкости (26), осуществляется формирование, усиление до необходимого уровня и ненаправленное излучение гидроакустических волн на частоте ωв диапазоне частот 10-10 Гц. Гидроакустические волны воздействуют на сточную воду и за счет таких физических эффектов, как кавитация, знакопеременное давление и др. повышают эффективность коагуляции КЧ и особенно ВВ.
2
4
8
Одновременно с этим при помощи второго генератора (50) электромагнитных сигналов, второго усилителя (49) электромагнитных сигналов и второго излучателя (28) электромагнитных волн, расположенного в геометрическом центре емкости (26) - над или под гидроакустическим излучателем (27), осуществляется формирование, усиление и ненаправленное излучение электромагнитных волн на частоте ω* в диапазоне 10-10 Гц. Электромагнитные волны также воздействуют на сточную воду и повышают эффективность коагуляции ВВ и особенно КЧ.
2
2
В дальнейшем очищенная вода за счет интенсивного гидродинамического воздействия по внутреннему водоводу поднимается вверх емкости (26) и по водоводу (31) для очищенной воды поступает в резервуар (6) для УЗК активации воды. В то время как исходные ВВ и коагулированные (укрупненные) ВВ (из мелкодисперсных ВВ и КЧ) за счет интенсивного гидродинамического воздействия прижимаются к стенкам емкости (26) и под действием возросшей (за счет укрупнения) силы тяжести сползают по стенкам емкости (26) вниз и в дальнейшем удаляются. При этом под воздействием интенсивных гидроакустических волн на частоте ω и электромагнитных волн на частоте ω* осуществляется электромагнитно-акустическое активирование воды, что существенно повышает эффективность последующего УЗК активирования воды в резервуаре (6).
При этом:
1. Расширение области применения достигается за счет того, что:
- осуществляется крашение ПМ, находящихся в воздушной среде, что упрощает и ускоряет процесс крашения;
- осуществляется крашение ПМ, ранее не окрашиваемых с помощью спрей-технологии;
- из сточной воды удаляются не только ВВ, но и КЧ (что позволяет использовать технологию в процессе подготовки питьевой воды) и др.
2. Повышение качества крашения достигается за счет то, что:
- в процессе подготовки КС используется более мягкая вода, очищенная от ВВ и КЧ и подвергнутая предварительному электромагнитно-акустическому активированию в емкости для ее очистки, а также окончательному УЗК активированию в соответствующем резервуаре;
- в процессе приготовления КС под воздействием гидроакустических и электромагнтных волн, а также избыточного статического давления и интенсивного гидродинамического поля происходит полное растворение красителя;
- за счет коллинеарного (в одном направлении) со спрей-струей воздействия интенсивных акустических волн увеличивается глубина проникновения КС в окрашиваемый субстрат;
- за счет объемного воздействия акустических волн улучшается равномерность распределения КС по поверхности субстрата;
- за счет прямого и объемного воздействия интенсивных акустических волн улучшается фиксация КС на поверхности окрашиваемого субстрата и др.
3. Повышение эффективности крашения достигается за счет:
- использования в производстве только оборотных вод - за счет повышения качества их очистки от ВВ и особенно КЧ;
- уменьшения расхода красителя и соответственно вспомогательного вещества и воды в процессе приготовления КС;
- исключения из технологического процесса второй (при ее наличии) стадии окрашивания субстрата;
- уменьшения времени крашения субстрата одним спрей-аппаратом;
- уменьшения времени на процесс сушки окрашенного субстрата и др.
Отличительными признаками заявляемого устройства являются:
1. Приготовление КС и его активирование производится в одной емкости (малом гидроциклоне) в течение 3-5 мин при температуре 20-25°С.
4
8
2. В процессе приготовления КС и его активирования используются излучатели электромагнитные волн в диапазоне частот 10-10 Гц.
4
5
3. Крашение субстрата осуществляется в воздушной камере с помощью спрей-аппарата при коллинеарном (в одном направлении) распространении спрей-струи и УЗК волны с частотой 10-10 Гц. При этом первый воздушный УЗК излучатель расположен за спрей-аппаратом.
4
5
4. Для обеспечения объемного крашения: частичного изменения траектории движения КС в спрей-струе (прижатие к окрашиваемому субстрату с соответствующего направления расходящегося потока КС), дополнительно сверху, снизу, слева и справа на окрашиваемый субстрат осуществляют УЗК воздействие с частотой 10-10 Гц при помощи второго, третьего, четвертого и пятого воздушных ультразвуковых излучателей, расположенных соответствующим образом относительно окрашиваемого субстрата.
4
5
5. Дополнительно при движении окрашенного субстрата по транспортеру до сушильной установки осуществляется фиксация КС на поверхности окрашенного субстрата путем воздействия на него УЗК волной с частотой 10-10 Гц с помощью шестого воздушного УЗК излучателя, расположенного на входе сушильной установки и ориентированного вдоль транспортера с окрашенным субстратом.
4
5
6. Дополнительно при движении окрашенного субстрата по транспортеру до сушильной установки осуществляется предварительная его сушка путем воздействия на окрашенный субстрат УЗК волной с частотой 10-10 Гц с помощью шестого воздушного УЗК излучателя.
4
8
7. Дополнительно на очищаемую в емкости (большом гидроциклоне) сточную воду осуществляется воздействие электромагнитными волнами в диапазоне частот 10-10 Гц, что позволяет очищать ее от КЧ.
Наличие отличительных от прототипа признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "новизна".
Анализ известных технических решений с целью обнаружения в них указанных отличительных признаков показал следующее.
Признаки 1,3-6 являются новыми и не известно их использование для непрерывного крашения ПМ с использованием волн различной физической природы. При этом технология спрей-крашения (в признаке 3) широко известна.
Признак 2 является известным в крашении, однако не известно его использование для приготовления КС и его активирования, в том числе совместно с УЗК волнами.
Признак 7 является известным, однако не известно его совместное с УЗК волнами использование в гидроциклоне для очистки воды от ВВ и КЧ.
Таким образом, наличие новых существенных признаков в совокупности с хорошо известными обеспечивает появление у заявляемого решения нового свойства, не совпадающего со свойствами известных технических решений - качественно: контрастность и прочность крашения, глубина прокраса и др. и эффективно: уменьшение расхода КС, сокращение времени: крашения, фиксации КС и сушки субстрата и др. ПМ, находящегося в воздушной среде, а также в эффективно очищать сточную воду от ВВ и КЧ с целью ее повторного использования в производстве.
В данном случае мы имеем новую совокупность признаков и их новую взаимосвязь, причем не простое объединение новых признаков и уже известных, а именно выполнение операций в предложенной последовательности и приводит к качественно новому эффекту. Данное обстоятельство позволяет сделать вывод о соответствии разработанного способа критерию "существенные отличия".
Пример реализации способа
Промышленные испытания разработанного способа производились в 2007-2008 гг., при этом в качестве объекта крашения использовались различные виды пластмасс и других ПМ.
Известно, что качество покраски ПМ зависит от нескольких факторов, основными из которых являются качество воды (ее мягкость и др.), используемой для приготовления КС; качество КС (размер частиц и др.) и способность КС на молекулярном уровне равномерно проникать в субстрат - объект крашения /Степанов Б.И. Введение в химию и технологию органических красителей. - М: Химия, 1977 г. 488 с./.
На фиг.3 индексами «а», «б» и «в» соответственно обозначены графические зависимости среднеарифметических значений (Р*) диаметра (D, мкм) частиц КС при использовании традиционной схемы приготовления (фиг.3,а), при использовании только УЗК гидроакустических волн - прототип (фиг.3,б); а также при одновременном использовании УЗК гидроакустических волн (с возможностью их плавной перестройки по частоте в диапазоне от единиц кГц до 100 кГц) и электромагнитных волн (с возможностью их плавной перестройки по частоте в диапазоне от единиц кГц до единиц МГц). При этом и в способе-прототипе и в разработанном способе осуществлялось предварительное активирование воды, используемой для приготовления КС.
Как видно из фиг.3,а, размер частиц в КС, приготовленном традиционным способом, находится в пределах от 1-2 мкм до десятков мкм, а типовое значение составляет величину ~11,2 мкм. Данное обстоятельство является причиной перерасхода красителя в процессе приготовления КС (часть красителя выпадает в осадок и т.д.), низкого качества крашения (КС неравномерно распределяется по объекту крашения, плохо удерживается на его поверхности и т.д.), длительности процесса крашения и др. При реализации способа-прототипа указанные выше недостатки устраняются не полностью. Так, например, размер частиц в КС находится в пределах от 0,35 мкм до 10,8 мкм (фиг.3,б), а типовое значение составляет 0,95 мкм. И только в процессе реализации разработанного способа приготовления КС (фиг.3,в) указанные выше недостатки устраняются практически полностью. При этом размер частиц в КС находится в пределах от 0,1 мкм до 4,5 мкм, а типовое значение составляет 0,45 мкм.
На фиг.4 представлены результаты оценки эффективности разработанного непрерывного способа крашения ПМ (пластмассовых корпусов для сотовых телефонов) с использованием волн различной физической природы по отношению к типовому способу и по отношению к способу-прототипу.
На фиг.4,а в виде гистограмм представлены зависимости эффективности приготовления КС (Е, %), определяемой временной продолжительностью по основным 5 технологическим этапам (1 этап - подача красителя, воды и вспомогательного вещества; 2 этап - механическое перемешивание; 3 этап - подогрев до температуры 35-40° С; 4 этап - подача КС в емкость для УЗК активирования; 5 этап - УЗК воздействие на КС в течение 1-5 мин) для разработанного способа - гистограмма с индексом «1» (пунктирная линия) и способа-прототипа - гистограмма с индексом «2» (сплошная линия).
Как видно из фиг.4,а, при реализации разработанного способа:
- на первом этапе технологического процесса время уменьшено ~ на 10% за счет уменьшения расхода красителя, воды и вспомогательного вещества в процессе приготовления КС;
- на втором этапе технологического процесса время уменьшено ~ на 50% за счет более интенсивного перемешивания, а также за счет воздействия УЗК гидроакустическими и электромагнитными волнами;
- третий, четвертый и пятый вообще исключены из технологического процесса, т.к. процессы приготовления КС и его активирования совмещены по времени и осуществляются при комнатной температуре.
Таким образом, преимущество у разработанного устройства перед устройством-прототипом по выбранному частному показателю эффективности совершенно очевидно.
На фиг.4,б в виде гистограмм представлены зависимости эффективности крашения (Е*, %) субстрата - пластиковых корпусов для сотовых телефонов с помощью спрей-установок, определяемой временной продолжительностью по основным 5 технологическим этапам (1 этап - первичное крашение; 2 этап - сушка; 3 этап - вторичное крашение; 4 этап - сушка, 5 этап - фиксация КС на поверхности окрашенного субстрата) для разработанного способа - гистограмма с индексом «1» (пунктирная линия) и типового способа крашения - гистограмма с индексом «2» (сплошная линия).
Как видно из фиг.4,б, при реализации разработанного способа:
- на первом этапе технологического процесса время уменьшено ~ на 40% за счет исключения двух из пяти ранее используемых спрей-аппаратов. При этом, естественно, уменьшился и расход КС;
- на втором этапе технологического процесса время уменьшено ~ на 20% за счет предварительной сушки в поле интенсивных УЗК акустических волн. При этом, естественно, уменьшился и расход электроэнергии;
- третий и четвертый этапы вообще исключены из технологического процесса. При этом дополнительно уменьшились расходы КС и электроэнергии;
- на пятом этапе технологического процесса время уменьшено ~ на 20% за счет предварительной фиксации КС на поверхности окрашенного субстрата в поле интенсивных УЗК акустических волн.
Таким образом, преимущество у разработанного способа перед традиционным способом крашения субстрата в воздушной среде (с помощью спрей-установок) по выбранному частному показателю эффективности совершенно очевидно.
На фиг.4,в представлены значения мутности воды на выходе емкости для ее очистки при реализации разработанного способа (график с индексом 1), способа-прототипа (график с индексом 2) и при типовой очистке воды на предприятии (график с индексом 3). Как видно из фиг.4,в, у разработанного способа мутность воды на выходе емкости для ее очистки находится в пределах от 2 до 4 NTU (среднее арифметическое значение 2,57 NTU), в то время как у способа-прототипа данный параметр находится в пределах от 5 до 7 NTU (среднее арифметическое значение 5,86 NTU), а при типовой очистке данный параметр находится в пределах от 9 до 11 NTU (среднее арифметическое значение 9,86 NTU). Таким образом, из представленных на фиг.6в данных видно, что эффективность очистки сточных вод у разработанного способа значительно выше.
Таким образом:
1. Расширение области применения достигнуто за счет того, что:
- крашение ПМ осуществлялось при их нахождении в воздушной среде, что в данном технологическом процессе (использование спрей-аппаратов) существенно упрощало, ускоряло и делало, в конечном итоге, более рентабельным процесс крашения ПМ;
- осуществлялось крашение ПМ, ранее трудно окрашиваемых или вообще не окрашиваемых с помощью спрей-технологии;
- из сточной воды удалялись не только ВВ, но и КЧ, что, в принципе, позволяет использовать разработанную технологию очистки оборотных промышленных вод даже в процессе подготовки питьевой воды и др.
2. Высокое качество крашение достигнуто за счет то, что:
- в процессе подготовки КС использовалась более мягкая вода, очищенная от ВВ и КЧ и подвергнутая предварительному электромагнитно-акустическому активированию в емкости для ее очистки, а также окончательному УЗК активированию в соответствующем резервуаре;
- в процессе приготовления КС под воздействием гидроакустических и электромагнтных волн, а также избыточного статического давления и интенсивного гидродинамического поля происходило практически полное растворение красителя;
- за счет коллинеарного (в одном направлении) со спрей-струей воздействия интенсивных акустических волн увеличивалась глубина проникновения КС в окрашиваемый субстрат;
- за счет объемного воздействия акустических волн улучшалась равномерность распределения КС по поверхности субстрата;
- за счет прямого и объемного воздействия интенсивными акустическими волнами улучшалась фиксация КС на поверхности окрашиваемого субстрата и др.
3. Повышение эффективности крашения достигнуто за счет:
- использования в производстве только оборотных вод - за счет повышения качества их очистки от ВВ и особенно КЧ;
- уменьшения расхода красителя и соответственно вспомогательного вещества и воды в процессе приготовления КС;
- исключения из технологического процесса второй стадии окрашивания субстрата;
- уменьшения времени на процесс сушки окрашенного субстрата и др.