СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА
METHOD FOR TREATMENT OF POROUS MATERIAL

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способу обработки пористого материала, и может быть использовано при изготовлении устройств для преобразования химической энергии в электрическую, например, при изготовлении сепараторов для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.
Известен способ пропитки пористого материала, согласно которому пористый материал, с целью улучшения пропитки, подвергают предварительному вакуумированию для удаления воздуха из пор (см. Аксельруд Г.А., Лысянский В.М. Экстрагирование (система твердое тело - жидкость). Л.: Химия, 1974, с.37).
Недостатком известного способа является низкая эффективность, которая обусловлена цикличностью, длительностью и трудоемкостью процесса вакуумирования.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому является способ обработки (пропитки) пористого материала, включающий пропитывание материала вспомогательной жидкостью, нерастворимой в пропиточной жидкости и имеющей температуру кипения ниже, чем у пропиточной жидкости, погружение пористого материала в пропиточную жидкость, находящуюся при температуре выше температуры кипения вспомогательной жидкости. В результате, находящаяся в порах материала вспомогательная жидкость испаряется. В порах материала создается вакуум, следствием чего является заполнение пор материала пропиточной жидкостью (см. патент на изобретение РФ №2356130, МПК8 Н01М 2/14, Н01М 4/88, дата подачи заявки 24.01.2008, опубликован 20.05.2009, «Способ пропитки пористого материала»).
Недостатком известного способа является низкая эффективность обработки пористого материала из-за несовершенного теплообмена при нагреве и испарении вспомогательной жидкости, не обеспечивающего благоприятных условий для создания вакуума в порах обрабатываемого материала. Как результат, увеличивается время обработки и уменьшается степень (полнота) пропитки пористого материала.
Кроме того, известный способ сложен, так как для проведения обработки пористого материала необходима пропиточная жидкость с различной температурой.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении эффективности обработки пористого материала за счет ускорения процесса обработки и увеличения степени пропитки, а также в упрощении технологии обработки пористого материала.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе обработки пористого материала, включающем предварительное пропитывание пористого материала вспомогательной жидкостью, нерастворимой в пропиточной жидкости и имеющей температуру кипения ниже, чем у пропиточной жидкости, погружение пористого материала в пропиточную жидкость, согласно изобретению обрабатываемый материал, предварительно пропитанный вспомогательной жидкостью, перед погружением в пропиточную жидкость подвергают контактной сушке при атмосферном давлении.
Во время контактной сушки при атмосферном давлении пористый материал соприкасается с нагретой (выше температуры кипения вспомогательной жидкости) поверхностью, в результате чего происходит испарение вспомогательной жидкости. Благодаря эффективной теплопередаче между нагретой поверхностью и мокрым пористым материалом, в условиях отсутствия внешнего сопротивления испарению вспомогательной жидкости, происходит интенсивный переход вспомогательной жидкости в газообразное состояние. Газ, образующийся в порах материала, частично испаряется.
При погружении обработанного таким образом материала в пропиточную жидкость, находящуюся при температуре окружающей среды, в порах материала происходит конденсация паров вспомогательной жидкости. Создаваемая при осуществлении заявленного способа возможность увеличения разности температур пористого материала после контактной сушки и пропиточной жидкости, находящейся при температуре окружающей среды, позволяет обеспечить интенсификацию процессов конденсации паров вспомогательной жидкости, создания вакуума в порах материала и, как следствие, более эффективное заполнение пор пропиточной жидкостью, приводящее, в результате, к повышению степени пропитки.
Таким образом, обработка пористого материала заявленным способом позволяет повысить эффективность процесса за счет минимизации времени обработки и увеличения степени пропитки пористого материала.
Кроме того, обработка пористого материала заявленным способом позволяет упростить технологию, так как процессы теплообмена легко оперативно контролировать и регулировать, при этом исключается трудоемкая и малоэффективная операция нагревания пропиточной жидкости, присущая известному решению, взятому за прототип.
На чертеже схематично представлена установка, иллюстрирующая технологическую последовательность операций для осуществления заявляемого способа.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности - «новизна».
Заявляемые существенные признаки, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности - «изобретательский уровень».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждается примером конкретного применения способа.
Возможность осуществления заявленного способа обработки пористого материала и его преимущества, в сравнении с прототипом, проиллюстрированы следующими примерами.
Обработка пористого материала по заявляемому способу (пример 1)
Для осуществления заявляемого способа брали пористый гидрофобный материал, используемый при производстве сепараторной ленты на ОАО «Тюменский аккумуляторный завод».
Для опытных образцов использовали пористую полуфабрикатную сепараторную ленту, полученную из гранулированного сырья с добавлением регенерированного индустриального масла (на экструдере). Образцы пористого материала диаметром 50 мм вырубали из средней части полуфабрикатной ленты и каждый образец взвешивали.
Для проведения опытов в качестве вспомогательной жидкости использовали гексан, температура кипения которого составляет 80°С (возможно использование смеси углеводородов, например, легкой фракции бензина).
В качестве пропиточной жидкости использовали раствор сульфонола. Для этого порошкообразный сульфонол в количестве 15 г растворяли при непрерывном перемешивании в 1 л дистиллированной воды при температуре окружающей среды.
Температура кипения пропиточной жидкости - 100°С.
В данном примере в качестве поверхности, на которой сушили пористый материал, использовали бытовой электрический утюг с автоматическим регулятором температуры, расположенный подошвой вверх. Температуру нагрева подошвы утюга поддерживали в пределах 110±5°С.
Для обработки пористого материала готовили три партии по пять образцов в каждой. Образцы каждой партии поочередно подвергали обработке в соответствии с заявленным способом.
Заявленная последовательность действий.
Действие первое. Каждый образец опускали в цилиндр со вспомогательной жидкостью и выдерживали по 30 с. При этом происходило пропитывание пористого образца вспомогательной жидкостью, в которой растворялись регенерированное индустриальное масло и прочие загрязнения, присутствующие в пористом материале.
Действие второе. Образцы, пропитанные вспомогательной жидкостью, по очереди переносили на нагретую до 110±5°С поверхность утюга. Образцы первой партии выдерживали 30 с, образцы второй партии - 20 с, образцы третьей партии - 10 с. Таким образом осуществляли контактную сушку каждого образца.
При соприкосновении мокрого образца с нагретой до 110±5°С контактной поверхностью (температура выше температуры кипения пропиточной жидкости) осуществлялось интенсивное испарение вспомогательной жидкости и частичное удаление ее из пор материала. Другая часть вспомогательной жидкости, в виде паров, оставалась в порах материала. Следует отметить, что при изменении температуры контактной поверхности или времени контакта в сторону увеличения возможно увеличение интенсивности испарения вспомогательной жидкости и, как следствие, скорости и полноты ее перевода в другое агрегатное состояние.
Действие третье. Образцы материала после контактной сушки погружали в приготовленную пропиточную жидкость, находящуюся при температуре окружающей среды, и выдерживали в ней по 30 с.
Температура каждого образца после контактной сушки не превышала температуру кипения испаряемой вспомогательной жидкости. В данном примере она соответствовала 60°С.
В результате данного действия происходила конденсация паров вспомогательной жидкости с образованием вакуума в порах материала, что способствовало интенсивному заполнению пор материала пропиточной жидкостью.
По истечении задаваемого времени образцы вынимали из пропиточной жидкости, удаляли поверхностные капли с помощью фильтровальной бумаги. Каждый образец взвешивали с точностью до 1 мг и определяли изменение массы в процентах.
В качестве окончательного результата изменения массы по каждой партии принимали среднее арифметическое значение для пяти образцов.
Для сравнения осуществляли обработку пористого материала по известному способу (пример 2).
Для обработки также готовили три партии образцов пористого материала: по пять штук в каждой партии.
Подготовленные образцы (аналогичные используемым в примере 1) поочередно подвергали обработке в соответствии с известным способом по патенту РФ №2356130 (прототип). При этом, также как и в примере 1, в качестве вспомогательной жидкости использовали гексан, в качестве пропиточной жидкости использовали раствор сульфонола. Пропиточную жидкость применяли при различных температурах: нагретую до температуры 85±5°С и при температуре окружающей среды.
В соответствии со способом по патенту РФ №2356130 образцы пористого материала погружали в емкость со вспомогательной жидкостью и выдерживали в течение 30 с. Затем образцы переносили в емкость с пропиточной жидкостью, которая была предварительно нагрета до 85±5°С. Одну партию образцов выдерживали в нагретой пропиточной жидкости 30 с, другую - 20 с, а третью - 10 с. Далее образцы погружали в пропиточную жидкость при температуре окружающей среды, выдерживая в ней каждый образец 30 с. При завершении обработки образцы вынимали из пропиточной жидкости, удаляли поверхностные капли фильтровальной бумагой, взвешивали с точностью до 1 мг и определяли изменение массы в процентах.
В качестве окончательного результата изменения массы, как и в примере 1, брали ее среднее арифметическое значение для пяти образцов.
Показатели заявляемого способа обработки пористого материала, указанные в примере 1, и показатели способа - прототипа (пример 2), приведены в таблице.
Как видно из таблицы, среднее увеличение массы образца пористого материала при обработке его заявляемым способом равняется в %: 29,6; 29,8 и 29,5 (соответственно для 1-й, 2-й и 3-й партии образцов). А среднее увеличение массы образца пористого материала при обработке его по способу-прототипу равняется в %: 21,3; 15,8 и 10,5 (соответственно для 1-й, 2-й и 3-й партии образцов). То есть опытным путем подтверждено большее увеличение массы образцов, а следовательно, и увеличение степени пропитки при обработке пористого материала заявленным способом, в сравнении с прототипом. При этом для образцов первой партии степень пропитки по заявляемому способу увеличилась в 1,5 раза, а для образцов третьей партии - в 3 раза.
Следует отметить также, что степень пропитки при обработке материала заявляемым способом для образцов первой, второй и третьей партии примерно одинакова (%: 29,6; 29,8; 29,5), т.е. мало зависит от времени обработки. Степень пропитки материала при обработке по способу-прототипу имеет наибольшее значение (21,3%) при максимальном времени обработки (90 с) и минимальное значение (10,5%) при минимальном времени обработки (70 с). Из этого следует, что увеличение степени пропитки при обработке пористого материала заявляемым способом достигается за меньшее количество времени в сравнении со способом-прототипом.
Таким образом, сравнение данных примеров 1 и 2 позволяет заключить, что при использовании заявляемого способа обработки пористого материала достигается увеличение степени пропитки и ускорение процесса обработки, т.е. эффективность процесса возрастает.
Возможность практического использования заявляемого способа представлена на установке, схематично изображенной на фигуре. Установка иллюстрирует технологическую последовательность заявляемого способа обработки пористого материала.
В состав установки входят: лента 1 пористого материала, лентопротяжный механизм 2, бак 3 для вспомогательной жидкости, бак 4 для пропиточной жидкости, контактный нагреватель 5.
Таблица
Показатели
Номер партии
1
2
3
Пример 1
1. Температура вспомогательной жидкости соответствует температуре окружающей среды, °С
2. Время пропитки образца пористого материала вспомогательной жидкостью, с
30
30
30
3. Температура поверхности, на которой осуществляют контактную сушку образца пористого материала, °С
110±5
110±5
110±5
4. Время контактной сушки образца пористого материала, с
30
20
10
5. Температура пропиточной жидкости соответствует температуре окружающей среды, °С
6. Время пропитки образца пористого материала пропиточной жидкостью, с
30
20
10
7. Среднее увеличение массы образца пористого материала после его обработки, %
29,6
29,8
29,5
8. Общее время обработки образца пористого материала, с
90
80
70
Пример 2
1. Температура вспомогательной жидкости соответствует температуре окружающей среды, °С
2. Время пропитки образца пористого материала вспомогательной жидкостью, с
30
30
30
3. Температура поверхности, на которой осуществляют контактную сушку образца пористого материала, °С
85±5
85±5
85±5
4. Время контактной сушки образца пористого материала, с
30
20
10
5. Температура пропиточной жидкости соответствует температуре окружающей среды, °С
6. Время пропитки образца пористого материала пропиточной жидкостью, с
30
30
30
7. Среднее увеличение массы образца пористого материала после его обработки, %
21,3
15,8
10,5
8. Общее время обработки образца пористого материала, с
90
80
70
В бак 3 заливают вспомогательную жидкость (гексан), в бак 4 заливают пропиточную жидкость (2%-ный водный раствор сульфонола). Устанавливают температуру поверхности для осуществления контактной сушки, равную 110±5°С. Движущаяся лента пористого материала погружается сначала в бак со вспомогательной жидкостью, находящейся при температуре окружающей среды, затем выходит из бака и движется по нагретой до 110±5°С поверхности, на которой происходит контактная сушка пористого материала. После контактной сушки лента погружается в бак с пропиточной жидкостью, находящейся при температуре окружающей среды. Скорость движения ленты и время контактной сушки выбирают исходя из толщины ленты и характеристик пористого материала.