АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ МОДИФИКАЦИИ МЕТАЛЛООКСИДНЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ ПОЛИМЕРНОГО ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА
AUTOMATED TECHNOLOGICAL LINE FOR SURFACE MODIFICATION OF POLYMER FIBROUS MATERIAL BY METAL OXIDE NANOPARTICLES

Изобретение относится к технологическому оборудованию по производству фильтровальных материалов, а более конкретно - к производству модифицированного металлооксидными наночастицами полимерного волокнистого материала (ПВМ), обладающего фотокаталитической активностью, который может найти применение в фильтрах для очистки воды от загрязнений органического происхождения, в том числе и бактериологической.
Из уровня техники известна система модифицирования объектов наночастицами по патенту RU 2212268, МПК B01D 39/08, B82B 1/00, B29C 71/04, опубл. 20.09.2003. Система предназначена для получения фильтровальных элементов путем модифицирования различных материалов наночастицами металла и содержит реактор с раствором модифицирующего вещества, в который помещены модифицируемые объекты, источник ионизирующего гамма-излучения, расположенный на одном уровне с указанным реактором и размещенный вместе с ним в помещении с биологической противорадиационной защитой, образуя, таким образом, блок модифицирования. Кроме того, система дополнительно снабжена баллоном с инертным газом, блоком промывки реактора растворителями, емкостью с перемешивающим устройством для смешивания раствора поверхностно-активного вещества в неполярном растворителе с водным раствором солей металлов, связанными соответствующими магистралями, снабженными кранами, с верхней частью указанного реактора. Блок промывки реактора растворителями образован расположенными выше реактора емкостями с жидкими углеводородами, водно-спиртовой смесью и дистиллированной водой, снабженными в нижних частях сливными патрубками с кранами, сообщенными с магистралью, связанной с верхней частью реактора. В нижней части реактора расположен выходной патрубок, связанный посредством магистрали, снабженной подкачивающим насосом, через поглотитель оставшихся в растворе металлических наночастиц с блоком регенерации растворителей. Блок регенерации растворителей состоит из ректификационных колонок, предназначенных для регенерации углеводородов, водно-спиртовой смеси, перегонки и очистки воды. Выходные штуцеры ректификационных колонок связаны посредством магистрали, снабженной кранами и подкачивающим насосом, с впускными штуцерами емкостей блока промывки реактора.
Система по патенту RU 2212268 за счет повторного использования растворителей и промывочных средств и возможности повторной адсорбции наночастиц из свежей порции модифицирующего раствора обладает повышенной эффективностью и экономичностью.
Недостатком этой системы является сложность технологического процесса и используемого оборудования, а также повышенная опасность работы (источник ионизирующего гамма-излучения, баллонное хозяйство, органические растворители). Кроме того, использование такой системы не позволяет модифицировать поверхность полимерных материалов, так как модифицируемые в ней объекты обрабатываются органическими растворителями.
Наиболее близкой, принятой за прототип, является система модифицирования полимерных волокнистых материалов для реализации способа получения фильтрующего материала по патенту на изобретение №2401153, МПК B01D 39/16, B82B 3/00, опубл. 10.10.2010 г., предназначенная для получения фильтрующего материала путем модифицирования наночастицами диоксида олова ПВМ, полученного методом раздува из расплава полимера из ряда полипропилена, поликарбоната или полиэтилентерефталата. Система по прототипу содержит емкость для водного раствора хлорида олова (II) (блок гидролиза) и СВЧ-печь для разложения гидроксида олова и закрепления наночастиц диоксида олова на ПВМ (блок СВЧ). В отличие от рассмотренной выше системы по патенту RU 2212268 эта система экологически безопасна и более экономична, так как позволяет получать и одновременно закреплять металлооксидные наночастицы при минимальных временных и энергетических затратах. Ее недостатком является большая доля ручного труда при модифицировании ПВМ и, следовательно, высокая трудоемкость при изготовлении его большого по объему и площади количества. Такая система не обеспечивает согласованность операций производства фильтрующих материалов из ПВМ.
Задачей настоящего изобретения является создание безопасной для обслуживающего персонала, эффективной и простой в эксплуатации автоматизированной технологической линии по производству поверхностно-модифицированного металлооксидными наночастицами фильтрующего ПВМ.
Технический результат при решении задачи заключается в обеспечении непрерывности процесса получения фильтровального материала, в согласованности работы всех блоков, регулировании скорости перемещения ПВМ и равномерности распределения наночастиц по поверхности ПВМ. Это обеспечивает в конечном счете качество получаемого фильтровального материала и его массовый выпуск для использования в фильтрах для очистки воды от органических загрязнителей, в том числе и бактериологических.
Поставленная задача и технический результат достигаются следующим образом.
Как и прототип, заявляемая автоматизированная технологическая линия для поверхностной модификации металлооксидными наночастицами ПВМ содержит блок гидролиза, включающий емкость для раствора соли металла, и блок СВЧ, предназначенный для формирования и закрепления металлооксидных наночастиц на поверхности ПВМ.
В отличие от прототипа автоматизированная линия содержит дополнительные блоки: блок ультразвуковой отмывки модифицированного ПВМ, блок сушки модифицированного ПВМ и герметичный контейнер-накопитель ПМВ. Блок ультразвуковой отмывки модифицированного ПВМ включает резервуар из нержавеющей стали для промывочной жидкости и электронный ультразвуковой генератор, соединенный с встроенным в корпус резервуара ультразвуковым преобразователем. Блок сушки модифицированного ПВМ снабжен вытяжным вентилятором и выполнен в виде герметичного контейнера, внутри которого рядами установлены инфракрасные лампы. Отличием от прототипа является также то, что автоматизированная технологическая линия дополнительно содержит лентопротяжный механизм для перемещения ПВМ через последовательно установленные блок гидролиза, контейнер-накопитель ПВМ, блок СВЧ, блок ультразвуковой отмывки модифицированного ПВМ и блок сушки модифицированного ПВМ. Лентопротяжный механизм выполнен из прижимных валиков, установленных на входе и выходе герметичного корпуса каждого из указанных блоков, и направляющих валиков, расположенных внутри герметичного корпуса каждого блока. Направляющие валики внутри контейнера-накопителя ПВМ установлены сверху вниз в шахматном порядке. Внутри блока ультразвуковой отмывки модифицированного ПВМ направляющие валики расположены тоже в шахматном порядке, например парами. В блоке сушки направляющие валики, расположенные, например, парами, установлены с возможностью огибания ПВМ рядов инфракрасных ламп. Кроме этого, магнетроны блока СВЧ установлены параллельно линии перемещения ПВМ и с возможностью обеспечения чередования максимумов и минимумов электромагнитного поля с периодичностью полуволны, а на входе и выходе блока СВЧ установлены четвертьволновые поглощающие ловушки. Автоматизированная технологическая линия в отличие от прототипа дополнительно содержит блок автоматического управления. С блоком автоматического управления посредством регулируемых электроприводов соединены одни из прижимных валиков каждого блока автоматизированной линии, источник питания магнетронов блока СВЧ, ультразвуковой генератор блока ультразвуковой отмывки, вытяжной вентилятор и инфракрасные лампы блока сушки.
В источниках информации не обнаружены устройства, которые характеризуются той же совокупностью существенных признаков, что и заявляемая автоматизированная технологическая линия. Этим подтверждается новизна изобретения.
Последовательно установленные и связанные между собой контейнер-накопитель и блоки позволяют через блок автоматического управления регулировать скорость перемещения ПВМ и обеспечивать согласованный и непрерывный процесс получения фильтровального материала с равномерным распределением наночастиц по его поверхности. Расположение направляющих валиков в блоке гидролиза и блоке ультразвуковой отмывки, огибание с двух сторон ПВМ инфракрасных ламп обеспечивают равномерное распределение наночастиц на его поверхности, а расположение магнетронов блока СВЧ на расстоянии в полволны - равномерное закрепление наночастиц на поверхности ПВМ. Все это, в конечном итоге, повышает качество фильтровального материала в сравнении с прототипом.
Заявителю не известна такая автоматизированная линия для поверхностной модификации металлооксидными наночастицами ПВМ, которая наряду с содержанием блока гидролиза, в котором происходит гидролиз солей металлов из их растворов и образование гидроксидов металлов, и блока СВЧ, в котором металлооксидные наночастицы формируются во время микроволнового нагрева из частиц гидроксида металла и закрепляются на ПВМ, дополнительно содержит блок автоматического управления, соединенный с лентопротяжным механизмом через регулируемый электропривод, контейнер-накопитель с направляющими валиками, расположенный между блоком гидролиза и блоком СВЧ. Не известно также из уровня техники устройств для модификации металлооксидными наночастицами ПВМ, в которых для закрепления наночастиц на поверхности ПВМ магнетроны были бы расположены на расстоянии полуволны. Такое расположение магнетронов обеспечивает равномерность электромагнитного поля, которое, в свою очередь, обеспечивает и равномерное закрепление наночастиц на поверхности ПВМ и повышает качество получаемого фильтрующего материала в сравнении с прототипом.
Таким образом, заявленное решение отвечает критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1 схематично изображена автоматизированная технологическая линия для поверхностной модификации металлооксидными наночастицами ПВМ. На фиг.2, 3 представлены протоколы бактериологических испытаний ПВМ, поверхность которого модифицирована наночастицами диоксида титана на заявляемой автоматизированной технологической линии.
Автоматизированная технологическая линия включает последовательно установленные блоки: блок гидролиза 1, в котором происходит гидролиз солей металлов из их растворов и образование гидроксидов металлов; блок СВЧ 2, в котором металлооксидные наночастицы формируются во время микроволнового нагрева из частиц гидроксидов металлов; блок ультразвуковой отмывки 3 ПВМ от незакрепившихся частиц и их агломератов; блок сушки 4 модифицированного наночастицами ПВМ после его отмывки; контейнер-накопитель 5; блок автоматического управления 6 и лентопротяжный механизм, состоящий из прижимных и направляющих валиков.
Блок гидролиза 1 представляет собой резервуар 7 из термостойкого пластика, в который вмонтированы прижимные валики 9, 10 лентопротяжного механизма, приводимого в действие регулируемым электроприводом 8 с панели блока автоматического управления технологической линией 6. Лентопротяжный механизм, проходящий через блок 1, содержит помимо прижимных входных 9 и прижимных выходных 10 валиков направляющие валики 11. Требуемая скорость движения ПВМ в блоке задается регулируемым электроприводом 8.
Блок 2 (блок СВЧ) представляет собой металлический шкаф 12 с щелевыми входом и выходом, оборудованными четвертьволновыми ловушками, предотвращающими выход СВЧ излучения за пределы рабочей камеры блока 2. Размер щелей определяется шириной ПВМ. Лентопротяжный механизм, проходящий через шкаф 12, состоит из прижимных входных 13, прижимных выходных 14 и направляющих 15 валиков. Шкаф 12 оснащен камерой, в которой размещены 4 магнетрона 16, 17, 18 и 19. Лентопротяжный механизм приводится в движение через задающий скорость регулируемый электропривод 20, который включается с панели блока автоматического управления 6. Совместная работа блоков 1 и 2 синхронизируется наличием контейнера-накопителя 5 с направляющими валиками 21, расположенными сверху вниз в шахматном порядке и выходными валиками 22. В контейнере 5 находится заданный блоком автоматического управления 6 избыток ПВМ, который позволяет объединить лентопротяжные механизмы блоков 1 и 2, работающих с разными скоростями, в единую технологическую линию. Такая линия по модификации ПВМ может работать как в прерывистом режиме, когда ПВМ отмеренных размеров упакован в контейнеры и подается на вход технологической линии «порциями», так и в непрерывном, когда ПВМ подается на вход технологической линии непосредственно с транспортера агрегата аэродинамического диспергирования расплава полимера. Позицией 23 на чертеже обозначена лента ПВМ.
Блок 3 (блок ультразвуковой отмывки) представляет собой резервуар из нержавеющей стали 24, в который вмонтированы валики лентопротяжного механизма, приводимого в действие регулируемым электроприводом 25 с панели блока автоматического управления технологической линией 6. Лентопротяжный механизм содержит прижимные входные 26, прижимные выходные 27 и направляющие 28 валики. Требуемая скорость движения ПВМ в блоке задается регулируемым электроприводом 25. Необходимая кавитация в промывочной жидкости, налитой в резервуар 24, создается ультразвуковым преобразователем, встроенным в отверстие в корпусе резервуара 24, на который подается переменное напряжение соответствующей частоты с электронного ультразвукового генератора 29. В зависимости от растворителя солей металлов в качестве промывочной жидкости могут быть использованы, например, спирты или вода, например дистиллированная.
Блок 4 (блок сушки) представляет собой герметичный металлический контейнер 30 с размещенными в нем инфракрасными лампами 31 и лентопротяжным механизмом, который приводится в действие регулируемым электроприводом 32 и включается с панели блока автоматического управления технологической линией 6. Лентопротяжный механизм в блоке 4 включает прижимные входные 33, прижимные выходные 34 и направляющие 35 валики, расположенные парами, которые установлены в шахматном порядке. Инфракрасные лампы 31 установлены рядами, а направляющие валики 35 расположены таким образом, что ПВМ огибает ряды инфракрасных ламп 31 с обеих сторон для равномерной сушки модифицированного металлооксидными наночастицами ПВМ. Требуемая скорость движения ПВМ задается регулируемым электроприводом 32. На панели контейнера блока 4 расположен мощный вытяжной вентилятор 36, который удаляет из рабочего объема блока 4 влагу.
Технологическая линия по модификации ПВМ металлооксидными наночастицами работает следующим образом. ПВМ размещается в блоках и контейнере-накопителе таким образом, что огибает сразу все валики. Затем в резервуар из термостойкого пластика 7 блока 1 заливается водный раствор соли металла. Затем добавляется раствор щелочи до достижения pH раствора, при котором происходят формирование и адсорбция на ПВМ частиц соответствующего гидроксида металла.
На панели блока автоматического управления технологической линии 6 включаются регулируемые электроприводы 8, 20, 25, 32 лентопротяжных механизмов и подается напряжение на электрооборудование всех блоков технологической линии по заранее заданной программе. После этого ПВМ начинает с заданной регулируемыми электроприводами 8, 20, 25, 32 скоростью двигаться по направляющим валикам 11 в объеме резервуара 7. Скорость движения ПВМ устанавливается в зависимости от выбранного ПВМ и определяется процессом адсорбции на волокна ПВМ наночастиц гидроксида металла. На выходе из резервуара 7 ПВМ с наночастицами гидроксида металла на поверхности проходит через прижимные ролики 10, где происходит отжим избыточного количества раствора обратно в резервуар блока гидролиза 1. После этого ПВМ с наночастицами гидроксида металла на поверхности по направляющим валикам 21 поступает в промежуточный контейнер-накопитель 5, который выполняет функцию синхронизатора лентопротяжных механизмов блока гидролиза 1 и следующего за ним блока СВЧ. Через выходные валики 22 промежуточного контейнера-накопителя 5 ПВМ с наночастицами гидроксида металла на поверхности через щелевой вход и входные валики 13 поступает в блок СВЧ 2. В блоке 2 ПВМ со скоростью, определяемой временем полного разложения гидроксида металла до оксида металла и закрепления сформировавшихся металлооксидных наночастиц на ПВМ, проходит через зону излучения 4-х магнетронов 16, 17, 18, 19, где происходит разложение гидроксида металла до оксида металла и закрепления сформировавшихся металлооксидных наночастиц на поверхности волокон ПВМ. При этом конфигурация электромагнитного поля в металлической полости, создаваемая магнетронами блока СВЧ 2, характеризуется наличием чередующихся максимумов и минимумов с периодичностью в полволны для равномерного нагрева всей обрабатываемой площади влажного ПВМ. Влажные полипропиленовые волокна прогреваются до температуры размягчения выбранного ПВМ, и металлооксидные наночастицы «впаиваются» в поверхность полимерных волокон. В качестве металлооксидных наночастиц могут быть использованы как диоксид олова, способ получения которого описан в патенте на изобретение РФ №2401153, взятого нами за прототип, так и другие известные фотоактивные металлооксидные наночастицы, получаемые из растворов соответствующих солей путем контролируемого добавления анионов (катионов) или гидролиза диоксида титана, оксида цинка, триоксида вольфрама, триоксида железа и др.
После выхода из блока 2 через выходные прижимные валики 14 и щелевой выход ПВМ с закрепленными на поверхности металлооксидными наночастицами поступает через входные валики 26 в резервуар 24 блока 3, наполненный жидкостью, например водой, для ультразвуковой отмывки ПВМ от незакрепившихся частиц и их агломератов. Требуемая скорость движения ПВМ в блоке задается регулируемым электроприводом 25 и определяется временем полной отмывки ПВМ от незакрепившихся частиц и их агломератов. Необходимая для этого кавитация в жидкости, налитой в резервуар 24, создается ультразвуковым преобразователем, встроенным в отверстие в корпусе резервуара 24, на который подается переменное напряжение соответствующей частоты с электронного ультразвукового генератора 29. Через выходные прижимные валики 27, где происходит отжим избыточного количества отмывочной жидкости обратно в резервуар блока отмывки 3, ПВМ с закрепленными наночастицами на поверхности через входные прижимные валики 33 поступает в блок инфракрасной сушки 4, где, проходя по системе направляющих валиков 35 лентопротяжного механизма, облучается инфракрасными лампами 31, в результате чего жидкость из ПВМ испаряется и удаляется из рабочего объема блока 4 вытяжным вентилятором 36. Скорость движения ленты в рабочей камере блока 4 определяется временем, необходимым для полного высыхания ПВМ. Через выходные валики 34 блока 4 ПВМ с закрепленными на поверхности волокон металлооксидными наночастицами укладывается в приемный контейнер-накопитель (на чертеже не показан) и по его заполнении транспортируется на склад готовой продукции. В качестве ПВМ могут быть использованы полипропиленовые волокнистые материалы (ППВМ), полиэтилентерефталатные (лавсановые) волокнистые материалы, полиамидные волокнистые материалы и другие подобные материалы.
Автоматизированная технологическая линия для поверхностной модификации металлооксидными наночастицами ПВМ может работать как в вышеописанном прерывистом режиме, когда ПВМ отмеренных размеров упакован в контейнеры и подается на вход автоматизированной технологической линии «порциями», так и в непрерывном, когда ПВМ подается на вход автоматизированной технологической линии непосредственно с транспортера агрегата аэродинимического диспергирования расплава полимера.
Работа автоматизированной технологической линии для поверхностной модификации металлооксидными наночастицами ПВМ показана также на конкретном примере, в котором в качестве ПВМ выбран ППВМ, а для модифицирования его поверхности - наночастицы диоксида титана.
ППВМ в виде ленты 23 с длиной 30-50 м, шириной 0,45 м и толщиной 40 мм размещают в блоках 1, 2, 3, 4 и контейнере-накопителе 5 таким образом, чтобы она огибала сразу все валики. Затем в резервуар из термостойкого пластика 7 блока 1 заливается водный раствор треххлористого титана и добавляется 25%-ный водный раствор гидроксида аммония до достижения в растворе pH 7. В результате гидролиза в растворе появляются частицы гидроксида титана. С панели управления блока автоматического управления 6 подается напряжение, и включаются регулируемые электроприводы 8, 20, 25, 32 лентопротяжного механизма и электрооборудование всех блоков технологической линии (источник питания магнетронов, вытяжной вентилятор, инфракрасные лампы, ультразвуковой генератор). Лента ППВМ 23 по направляющим валикам 11 начинает поступать в резервуар 7 блока 1 с раствором, содержащим частицы гидроксида титана. Скорость движения ленты 23 задается регулируемым электроприводом 8. В течение заданного скоростью движения лентопротяжного механизма времени (например, 1 м/час) на волокна ППВМ адсорбируются частицы гидроксида титана, а затем через прижимные выходные валики 10 лента ППВМ с наночастицами гидроксида титана поступает в промежуточный контейнер-накопитель 5. Из контейнера-накопителя 5, синхронизирующего работу двух разноскоростных направляющих валиков 10 и 13 лентопротяжного механизма, лента ППВМ 23 с наночастицами гидроксида титана поступает на щелевой вход блока СВЧ 2, в котором расположены магнетроны, выдающие суммарную мощность 4 кВт с рабочей частотой 2,45 ГГц. Поступив через прижимные входные валики 13 в рабочий объем камеры СВЧ 2, лента ППВМ 23 с наночастицами гидросида титана на поверхности с заданной скоростью начинает протягиваться под излучателями магнетронов, в результате чего влажные полипропиленовые волокна прогреваются до температуры 60-80°C, при которой ППВМ размягчается, а гидроксид титана разлагается до диоксида титана, и его наночастицы «впаиваются» в поверхность полипропиленовых волокон. Затем лента ППВМ 32 с закрепленными на волокнах наночастицами диоксида титана протягивается через выходной щелевой зазор между прижимными валиками 14 блока СВЧ 2 и поступает на входные прижимные валики 26 блока 3 отмывки ППВМ от незакрепившихся наночастиц диоксида титана и его агломератов. Скорость движения ППВМ в блоке 3 задается регулируемым электроприводом 25 и определяется временем полной отмывки ПВМ от незакрепившихся частиц и их агломератов. Необходимая для этого кавитация в дистиллированной воде, налитой в резервуар 24, создается ультразвуковым преобразователем, встроенным в отверстие в корпусе резервуара 24, на который подается переменное напряжение соответствующей частоты с электронного ультразвукового генератора 29. Через выходные прижимные валики 27, где происходит отжим избыточного количества воды обратно в резервуар блока отмывки 3, ППВМ с закрепленными наночастицами диоксида титана на поверхности через входные прижимные валики 33 поступает в блок инфракрасной сушки 4, где, проходя по системе направляющих валиков 35 лентопротяжного механизма, облучается инфракрасными лампами 31, в результате чего вода из ППВМ испаряется и удаляется из рабочего объема блока 4 вытяжным вентилятором 36. Скорость движения ленты в рабочей камере блока 4 определяется временем, необходимым для полного высыхания ППВМ. Через выходные валики 34 блока 4 ПВМ, с закрепленными на поверхности волокон наночастицами диоксида титана укладывается в приемный контейнер-накопитель (на чертеже не показан) и по его заполнении транспортируется на склад готовой продукции.
Полученный поверхностно-модифицированный наночастицами диоксида титана ППВМ прошел испытание на антибактериальную активность и показал хорошие результаты, что подтверждается протоколами испытаний (фиг.2, 3).