СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИСКУССТВЕННОГО ЛЕДОВОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ СПОРТИВНЫХ СООРУЖЕНИЙ
MANUFACTURING METHOD OF ARTIFICIAL ICE COVER FOR SPORTS FACILITIES

Изобретение относится к созданию искусственного льда и может быть использовано в спорте и строительстве при создании искусственных катков, конькобежных дорожек и пр.
Изобретение предназначено для удаления низкоатомных соединений методом, не требующим нагревания, которое приводит к разрушению высокополимерных соединений - длинноцепочных молекул, а именно они при замораживании водного раствора создают кристаллическую структуру льда с «нитями», окруженными гидратными оболочками - «связанной» водой, которая и служит дополнительной смазкой при движении конька спортсмена.
Из уровня техники известны способы получения искусственного ледового покрытия для спортивных сооружений. Например, известен способ получения льда с добавками - присадками, согласно которому в воду перед замораживанием вводят высокомолекулярный полимер - полиокс в количестве 10-10 вес.% (авторское свидетельство SU 444039, F25С 3/02, 25.09.74).
К недостаткам данного способа получения искусственного ледового покрытия для спортивных сооружений можно отнести следующие:
1) полимер, вводимый в массив льда, уменьшает его твердость,
2) на поверхности льда образуются локальные неровности, рябь, волнистость,
3) использование высокомолекулярного полимера затруднено из-за его плохой растворимости в воде.
Указанные недостатки были устранены при получении двухслойного льда (Гончарова Г.Ю. и др. Тайны ледового дворца. // Холодильная техника. - №5 - 2005. - с.10-13), один слой которого (нижний) обладает повышенной твердостью для предотвращения глубокого проникновения лезвия конька в лед, а в другой (верхний) слой - мягкий - вводились модифицирующие примеси. В качестве примесей использовались пленкообразующие амины, композиты на растительной основе, водоспиртовые растворы.
Однако лед, полученный указанным способом, тем не менее, обладал недостаточно низким коэффициентом трения и, соответственно, недостаточно высокими скоростными свойствами.
Авторами получены патенты на различные способы производства «быстрого» льда, например, который включает намораживание льда на бетонную технологическую плиту и выдерживание его при определенных режимах в течение заданного времени (патент RU 2293924, 2293933, 2274810, кл. F25С 3/02).
Известен способ получения искусственного ледового покрытия для спортивных сооружений (патент RU №2310142 от 10.11.2007, кл. F25С 3/02), который включает формирование слоев, содержащих добавки аммиака и присадок - водной суспензии политетрафторэтилена, и/или сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом, и/или перфтордекалина. Эти соединения являются компонентами, используемыми в составе присадок.
Общим свойством всех известных способов, в которых используются присадки, является следующее - такие длинноцепочные высокополимерные соединения образуют при кристаллизации водяной пленки гидратные оболочки "связанной" воды и служат дополнительной смазкой при скольжении конька - играют роль ускоряющих присадок. Однако для их синтеза и стабилизации их растворов используются низкоатомные спирты, которые при кристаллизации существенно ухудшают гладкость ледовой поверхности и, как следствие, ограничивают допустимую концентрацию ускоряющих присадок в воде. Поскольку традиционное термическое воздействие (нагрев) для удаления спиртов из раствора недопустимо вследствие возможности разрушения длинноцепочных молекул полимера (ускоряющих молекул), авторами настоящего изобретения была предложена предварительная вакуумная обработка раствора присадок.
Для достижения максимума скользящих свойств требуются концентрации полимерсодержащих присадок, которые существенно превышают пороговое значение концентрации, при котором гарантированно еще не происходит потери гладкости ледовой поверхности.
Причем к потере гладкости во время кристаллизации (замерзания) разлитой воды с присадками приводят не сами длинноцепочные полимерные молекулы, а низкоатомные соединения (эфиры, спирты, кетоны, альдегиды), которые попадают в полимер в процессе его синтеза. Именно они в соответствии с основными законами термохимии (Гиббса и Гельмгольца) приводят к энергетической целесообразности сокращения поверхности замерзания (раздела фаз).
Задачей изобретения является разработка и создание способа получения искусственного ледового покрытия для спортивных сооружений, льда для хоккея, фигурного катания, керлинга, конькобежных и шорт-трековых дорожек искусственных катков и пр.
Технический результат изобретения заключается
- в существенном увеличении скользящих свойств ледовой поверхности искусственного ледового покрытия за счет снятия ограничений по концентрации присадок путем предварительной очистки раствора от химических соединений, ухудшающих гладкость ледовой поверхности (вакуумная очистка) при сохранении структуры направленно вводимых полимерных молекул.
- в увеличении пластичности и ударно-мгновенной прочности по той же причине.
Технический результат изобретения достигается за счет того, что способ получения искусственного льда, включающий формирование, по меньшей мере, одного слоя, содержащего добавки водной суспензии политетрафторэтилена, и/или сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом, и/или перфтордекалина, характеризуется тем, что, по меньшей мере, один слой получают намораживанием путем заливки водой, содержащей прошедшую низкотемпературную вакуумную очистку от химических соединений, ухудшающих гладкость ледовой поверхности, добавку водной суспензии политетрафторэтилена, и/или сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом, и/или перфтордекалина.
Низкотемпературную вакуумную очистку проводят в камере при поддержании постоянной температуры 22,9+0,05°С.
В воду для намораживания можно дополнительно вводить добавку аммиака в количестве не более 100 ppm, а также добавку низкомолекулярного полимера в количестве не более 10 ppm, также прошедшего низкотемпературную вакуумную очистку от химических соединений, приводящих к ухудшению гладкости ледовой поверхности.
Намораживание, по меньшей мере, одного слоя осуществляют с помощью льдоуборочных машин, применяемую для получения льда воду подвергают предварительной очистке и глубокой деаэрации, а для намораживания верхнего слоя используют воду температурой не менее 60°С.
В зоне самых малых (до 0,5 ppm) концентраций значения пробега скользиметра с добавками невакуумированными и вакуумированными практически равны.
В зоне рекомендуемых наиболее эффективных концентраций значения пробега с вакуумированными присадками выше, чем с не прошедшими обработку. При этом поверхность льда при первых - зеркально гладкая, а вторых - недопустимо искажена и не может быть использована для тренировок и соревнований.
В заявленном способе использовались различные сочетания добавок, т.к. известно, что при введении только одной добавки - низко- или высокомолекулярного полимера - в верхний слой льда скользящие свойства ледовой поверхности увеличиваются, но при этом на поверхности льда образуются локальные неровности, рябь, волнистость.
Например, как описано выше, из уровня техники известно, что добавка политетрафторэтилена приводит к незначительному увеличению скользящих свойств ледовой поверхности. При сочетании низкомолекулярного полимера с водной суспензией политетрафторэтилена, и/или сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом, и/или перфтордекалина при увеличении скользящих свойств ледовая поверхность становится, кроме того, однородной и гладкой, что является необходимым условием для проведения спортивных соревнований по ледовым видам спорта - скоростному бегу на коньках, шорт-треку, фигурному катанию, хоккею на льду.
Но обязательным условием для всех видов добавок и независимо от количества слоев является проведение предварительной вакуумной низкотемпературной очистки раствора присадок - удаление спиртов и других низкоатомных соединений (эфиров и пр.) из раствора Ф-4Д при помощи вакуумирования. Ф-4Д - водная суспензия политетрафторэтилена, и/или сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом, и/или перфтордекалина (Ф-4МД).
Для удаления низкоатомных спиртов из эмульсии Ф-4Д использовалась экспериментальная вакуумная установка. Начальное содержание спиртов в растворе 60 мг/л. Ф-4Д в открытой пластиковой емкости помещали в вакуумную камеру и проводили визуальное наблюдение за процессом. Чтобы определить эффективность выбранного метода, были реализованы четыре схемы воздействия пониженным давлением на раствор. Большему времени выдержки соответствовал менее глубокий вакуум (до 550÷600 мм рт.ст.). При понижении давления постепенно уменьшалось время выдержки. Температура в камере во всех вариантах поддерживалась постоянной +22,9°С.
Далее образцы испытывались на содержание спиртов в аккредитованной лаборатории «Экозонд». Результаты испытаний показали, что, начиная с Р=550 мм рт.ст. и выдержки в течение 8÷10 мин, практически полностью удаляются легкие фракции спиртов - остаточное содержание спиртов составляет менее 0,1 мг/л. При снижении Р до 250÷300 мм рт.ст. время выдержки может быть сокращено до 1÷2 минут. При этом нельзя допустить интенсивного кипения всего объема обрабатываемой жидкости. Это достигается постепенным ступенчатым снижением давления с перерывами в 3÷5 минут.
Предварительная очистка и глубокая деаэрация воды является дополнительным условием получения ровного, бездефектного, без включения пузырьков воздуха льда.
Еще одним условием является соблюдение температурного режима для воды при намораживании верхнего слоя: при заливке в бак льдоуборочной (заливочной) машины используют воду температурой не менее 60°С, что является важным для снижения скорости кристаллизации льда.
Пример 1 реализации заявленного способа.
Вначале было осуществлено намораживание нижнего слоя льда. Применяемая для этого этапа заливки вода прошла систему очистки путем пропускания ее через массовый фильтр и активированный уголь, а также прошла глубокую деаэрацию. В намороженном нижнем слое льда обеспечили снятие температурных напряжений путем послойного намораживания, проведением «отжига» и последующего уплотнения льда.
Поверхностный мягкий слой толщиной не более 1 мм получали при кристаллизации слоя воды, наносимого на соструганную поверхность нижнего основного массива жесткого льда при прохождении льдоуборочной (заливочной) машины. Предварительная обработка воды включала следующие основные стадии:
- очистку от механических примесей (фильтрование);
- осветление и удаление активного хлора с помощью активированного угля;
- умягчение (удаление солей жесткости на ионообменнике);
- обессоливание до 98-99% (обратный осмос);
- удаление растворенных газов путем вакуумной и термической деаэрации;
- Уф-обеззараживание.
После очистки перед введением добавок вода имела значение удельной электропроводности 7 мкСм/см-1, рН до 7,8, содержание растворенного кислорода - 1 мг/л.
При заливке в бак льдоуборочной (заливочной) машины использовали воду с температурой 60°С.
Для намораживания верхнего мягкого слоя в воду введена добавка водной суспензии политетрафторэтилена, и сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом, и перфтордекалина в количестве 0,1 ppm. Водная суспензия прошла низкотемпературную вакуумную очистку при понижении давления с 750 мм рт.ст. до 450 мм рт.ст. в течение 2 минут. При этом наблюдалось активное выделение газовой фазы из раствора.
Далее образцы суспензии испытывались на содержание малоатомных спиртов и эфиров в аккредитованной лаборатории «Экозонд». Результаты испытаний показали, что воздействие вакуума практически полностью удалило легкие фракции - остаточное содержание спиртов составляет менее 0,1 мг/л.
Поверхность льда, полученного согласно данному примеру, - гладкая, без видимых неровностей, ряби и волнистости. Длина пробега скользиметра - прибора, измеряющего скользкость льда (описан в статье Гончаровой Г.Ю., Нефедкина С.И. «Тайны ледового дворца или хроники первых побед на льду Крылатского», ж."Холодильная техника", 2005 г., №6, с.6-8) - составила 29-33 м.
Пример 2 реализации заявленного способа.
Все условия получения льда остались такими же, как и в примере 1, за исключением того, что для намораживания верхнего слоя в воду введена добавка водной суспензии перфтордекалина в количестве 0,1 ppm, прошедшей обработку при понижении давления с 750 мм рт.ст. до 560 мм рт.ст. в течение 5 минут. Вспенивания не наблюдалось, со дна сосуда поднимались отдельные пузырьки (самое слабое воздействие).
В бак льдоуборочной (заливочной) машины заливали воду температурой 65°С.
Остаточное содержание спиртов в водной суспензии составляет менее 0,1 мг/л.
Пример 3 реализации заявленного способа.
Все условия получения льда остались такими же, как и в примере 1, за исключением того, что для намораживания верхнего мягкого слоя в воду введена добавка водной суспензии политетрафторэтилена в количестве 10 ppm, добавка полиэтиленгликоля 4000 в количестве 10 ppm и добавка аммиака в виде нашатырного спирта в количестве 45 ppm. В бак льдоуборочной (заливочной) машины заливали воду температурой 65°С.
Водная суспензия прошла самое сильное трехступенчатое воздействие:
а) понижение давления до 230 мм рт.ст. за 3 минуты, далее повышение до 400 мм рт.ст.,
б) понижение до 290 мм рт.ст. за 3 минуты, далее повышение до 600 мм рт.ст.,
в) понижение до 160 мм рт.ст. в течение 1 минуты.
При таком сильном понижении давления наблюдалось интенсивное объемное кипение раствора Ф-4Д. Далее образец испытывался на содержание спиртов - легкие фракции спиртов содержались в количестве менее 0,1 мг/л.
Поверхность полученного льда - гладкая, без видимых неровностей, ряби и волнистости.
Пример 4 реализации заявленного способа.
Все условия получения льда остались такими же, как и в примере 1, за исключением того, что для намораживания верхнего мягкого слоя в воду введена добавка водной суспензии политетрафторэтилена в количестве 10 ppm, добавка полиэтиленгликоля 4000 в количестве 10 ppm и добавка аммиака в виде нашатырного спирта в количестве 45 ppm. В бак льдоуборочной (заливочной) машины заливали воду температурой 65°С.
Водная суспензия прошла воздействие: пониженное до 640 мм рт. ст. давление с продолжительной выдержкой 8 минут. Поверхность полученного льда - гладкая, без видимых неровностей, ряби и волнистости.
Остаточное содержание спиртов в водной суспензии составляет менее 0,1 мг/л.
Приведенные примеры наглядно подтверждают, что при реализации заявленного способа возможно получение вышеуказанного технического результата.