АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ МОДИФИКАЦИИ НАНОЧАСТИЦАМИ СЕРЕБРА ПОЛИМЕРНОГО ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА
AUTOMATISED TECHNOLOGICAL LINE FOR SURFACE MODIFYING BY NANOPARTICLES OF SILVER POLYMER FIBROUS MATERIAL

Изобретение относится к технологическому оборудованию по производству фильтровальных антибактериальных материалов, а более конкретно - к производству модифицированного наночастицами серебра полимерного волокнистого материала, обладающего антибиотической активностью, который может найти применение в фильтрах для очистки и дезинфекции любых жидких сред, преимущественно воды.
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. Система снабжена источником ионизирующего гамма-излучения, расположенным на одном уровне с указанным реактором и размещенным вместе с ним в помещении с биологической противорадиационной защитой, образуя, таким образом, блок модифицирования. Кроме того, она 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 (ПВМ) для реализации способа по патенту на изобретение №2408411, МПК B01D 39/16, B82B 3/00, опубл. 10.01.2011, предназначенная для получения фильтрующего материала путем модифицирования наночастицами серебра ПВМ, полученных методом аэродинамического диспергирования расплава полимера из ряда полипропилена, поликарбоната или полиэтилентерефталата. Система по прототипу содержит емкость для водного раствора азотнокислого серебра (блок пропитки), блок УФ-фотолиза азотнокислого серебра до восстановления наночастиц серебра, включающий решетку для заготовки из полимерного материала, извлеченной из раствора азотнокислого серебра, и ртутно-кварцевую лампу, СВЧ-печь для закрепления наночастиц серебра на ПВМ и сушильный шкаф. В отличие от рассмотренной выше системы по патенту RU 2212268, эта система более экономична и экологически безопасна и позволяет создавать ПВМ с пониженным содержанием серебра при сохранении хороших антибактериальных свойств. 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. Наличие решетки и одной лампы не обеспечивает равномерного двухстороннего восстановления наночастиц серебра на поверхности ПВМ, что сказывается па качестве получаемого фильтровального материала.
Задачей настоящего изобретения является создание безопасной для обслуживающего персонала, эффективной и простой в эксплуатации автоматизированной технологической линии по производству поверхностно-модифицированного наночастицами серебра 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 антибактериального материала и его массовый выпуск для использования в фильтрах для очистки, например воды, от биологических загрязнителей.
Поставленная задача и технический результат достигаются следующим образом.
Как и прототип, автоматизированная линия для поверхностной модификации наночастицами серебра ПВМ содержит систему блоков, включающую блок пропитки ПВМ раствором азотнокислого серебра, блок УФ-фотолиза азотнокислого серебра до восстановления наночастиц серебра и блок СВЧ для закрепления наночастиц серебра на поверхности ПВМ.
В отличие от прототипа, автоматизированная линия дополнительно содержит лентопротяжный механизм для перемещения полимерного волокнистого материала через последовательно установленные блоки. Блок УФ-фотолиза азотнокислого серебра до восстановления наночастиц серебра выполнен в виде герметичного корпуса, внутри которого установлены ряды ртутно-кварцевых ламп, и снабжен вытяжным вентилятором с воздуховодом. Лентопротяжный механизм состоит из прижимных валиков, установленных на входе и выходе всех блоков автоматизированной линии, и направляющих валиков, расположенных внутри каждого блока. Внутри блока пропитки ПВМ раствором азотнокислого серебра и блока УФ-фотолиза азотнокислого серебра до восстановления наночастиц серебра направляющие валики, например парами, расположены в шахматном порядке и с возможностью огибания ПВМ рядов ртутно-кварцевых ламп блока УФ-фотолиза. Внутри блока СВЧ магнетроны расположены параллельно линии перемещения ПВМ и с возможностью обеспечения чередования максимумов и минимумов электромагнитного поля с периодичностью полуволны. Отличием от прототипа является также то, что заявляемая автоматизированная линия дополнительно содержит два герметичных контейнера-накопителя ПВМ, внутри которых сверху вниз в шахматном порядке установлены направляющие валики лентопротяжного механизма. Один контейнер-накопитель расположен между блоком пропитки ПВМ раствором азотнокислого серебра и блоком УФ-фотолиза, а другой - между блоком УФ-фотолиза и блоком СВЧ. Кроме того, автоматизированная линия дополнительно содержит блок автоматического управления, с которым посредством регулируемых электроприводов соединены одни из прижимных валиков каждого блока, источник питания магнетронов блока СВЧ, вытяжной вентилятор и ртутно-кварцевые лампы. На входе и выходе блока СВЧ установлены четвертьволновые поглощающие излучение ловушки.
Таким образом, последовательно установленные и связанные между собой контейнерами-накопителями основные 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 ртутно-кварцевых ламп рядами в блоке УФ-фотолиза и огибание их с двух сторон ПВМ 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 наночастицами серебра ПВМ, которая наряду с содержанием блока пропитки ПВМ раствором азотнокислого серебра, блока УФ-фотолиза азотнокислого серебра до восстановления серебра в виде наночастиц и блока СВЧ для закрепления наночастиц серебра на поверхности ПВМ дополнительно содержит блок управления, соединенный с лентопротяжным механизмом через регулируемый электропривод, контейнеры-накопители с направляющими валиками, расположенные между блоками пропитки ПВМ раствором азотнокислого серебра и УФ-фотолиза азотнокислого серебра до восстановления серебра в виде наночастиц и между блоком УФ-фотолиза и блоком СВЧ для закрепления наночастиц серебра на поверхности ПВМ. Неизвестно также из уровня техники устройств для модификации наночастицами серебра 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 наночастицами серебра ПВМ. На фиг.2 представлен протокол бактериологических испытаний ПВМ, поверхность которого модифицирована наночастицами серебра на заявляемой автоматизированной технологической линии.
Автоматизированная технологическая линия включает последовательно установленные блоки: блок пропитки ПВМ раствором азотнокислого серебра 1, блок УФ-фотолиза азотнокислого серебра до восстановления серебра в виде наночастиц 2, блок СВЧ для закрепления наночастиц серебра на поверхности ПВМ 3; контейнеры-накопители 4, 5; блок автоматического управления 6 и лентопротяжный механизм, состоящий из прижимных и направляющих валиков.
Блок 1 представляет собой резервуар из нержавеющей стали 7, в который вмонтированы валики лентопротяжного механизма, приводимого в действие регулируемым электроприводом 8 с панели блока автоматического управления технологической линией 6. Лентопротяжный механизм содержит прижимные входные 9, прижимные выходные 10 и направляющие 11 валики. Требуемая скорость движения ПВМ в блоке задается регулируемым электроприводом 8.
Блок 2 представляет собой герметичный металлический контейнер 12 с размещенными в нем ртутно-кварцевыми лампами 13, например, марки ДРТ 1000, а также лентопротяжным механизмом, который приводится в действие регулируемым электроприводом 14 и включается с панели блока автоматического управления технологической линией 6. Лентопротяжный механизм в блоке 2 включает прижимные входные 15, прижимные выходные 16 и направляющие 17 валики, расположенные парами, которые установлены в шахматном порядке. Ртутно-кварцевые лампы 13 установлены рядами, а направляющие валики 17 расположены таким образом, что ПВМ огибает ряды ртутно-кварцевых ламп 17 с обеих сторон для равномерного восстановления наночастиц серебра с двух сторон ПВМ. Требуемая скорость движения ПВМ задается регулируемым электроприводом 14. На верхней панели блока 2 расположен мощный вытяжной вентилятор 18, который удаляет из рабочего объема блока 2 влагу и образующийся при работе ртутно-кварцевых ламп озон. Озон по воздуховоду направляется в канализацию, где, вступая в контакт с канализационными стоками, дезинфицирует их и нейтрализуется. Ввиду того, что озон тяжелее воздуха, попадание его в атмосферу исключено.
Блок 3 представляет собой металлический шкаф 19 с щелевыми входом и выходом, оборудованными четвертьволновыми ловушками, предотвращающими выход СВЧ-излучения за пределы рабочей камеры блока 3. Размер щелей определяется шириной ПВМ. Шкаф 19 оснащен лентопротяжным механизмом, содержащим прижимные входные 20, прижимные выходные 21 и направляющие 22 валики, и камерой, в которой размещены четыре магнетрона 23, 24, 25 и 26. Лентопротяжный механизм в блоке 3 приводится в движение через задающий скорость регулируемый электропривод 27, который включается с панели управления блока автоматики 6. Совместная работа синхронизируется наличием контейнеров-накопителей 4 и 5 с направляющими валиками 28, 29, расположенными сверху вниз в шахматном порядке и выходными валиками 30, 31. В контейнерах 4 и 5 находится заданный блоком автоматического управления 6 избыток ПВМ, что позволяет объединить лентопротяжные механизмы трех блоков 1, 2, 3, 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 32 на чертеже обозначена лента ПВМ.
Технологическая линия по модификации ПВМ наночастицами серебра работает следующим образом. ПВМ размещается в блоках и контейнерах-накопителях таким образом, что огибает сразу все валики. Затем в резервуар из нержавеющей стали 7 блока 1 заливается водный раствор азотнокислого серебра. На панели блока автоматического управления технологической линии 6 включаются регулируемые электроприводы 8, 14, 27 лентопротяжных механизмов и подается напряжение на электрооборудование всех блоков технологической линии по заранее заданной программе. После этого ПВМ начинает с заданной регулируемыми электроприводами 8, 14, 27 скоростью двигаться по направляющим валикам 11 в объеме резервуара 7 с раствором азотнокислого серебра. Скорость движения ПВМ устанавливается в зависимости от выбранного ПВМ и определяется условием полной его пропитки раствором. На выходе из резервуара 7 с раствором азотнокислого серебра ПВМ проходит через прижимные ролики 10, где происходит отжим избыточного количества раствора азотнокислого серебра обратно в резервуар блока пропитки 1. После этого ПВМ, пропитанный раствором азотнокислого серебра, по направляющим валикам 28 поступает в первый промежуточный контейнер-накопитель 4, который выполняет функцию синхронизатора лентопротяжных механизмов блока пропитки 1 и следующего за ним блока УФ-фотолиза 2. Через выходные валики 30 промежуточного контейнера-накопителя 4 и входные прижимные валики 15 ПВМ, обработанный раствором азотнокислого серебра, поступает в блок УФ-фотолиза 2, где, проходя по системе направляющих валиков 17 лентопротяжного механизма, облучается ртутно-кварцевыми лампами 13, в результате находящееся на поверхности волокон азотнокислое серебро разлагается до наночастиц металлического серебра. Скорость движения ленты в рабочей камере блока 2 определяется временем, необходимым для полного восстановления наночастиц серебра. Через выходные валики 16 блока 2 ПВМ, с восстановленными на поверхности волокон наночастицами серебра, поступает во второй контейнер-накопитель 5, который предназначен для синхронизации работы лентопротяжных механизмов блока 2 и блока СВЧ для закрепления наночастиц серебра на поверхности ПВМ 3, откуда через щелевой вход и входные валики 20 поступает в блок 3. В блоке 3 ПВМ со скоростью, определяемой временем полного закрепления наночастиц серебра на ПВМ, проходит через зону излучения четырех магнетронов 23, 24, 25, 26, где происходят его сушка и закрепление на поверхности волокон наночастиц серебра. При этом конфигурация электромагнитного поля в металлической полости, создаваемая магнетронами блока СВЧ 3, 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 разогретые наночастицы восстановленного серебра «впаиваются» в поверхность полимерных волокон. После выхода из блока 3 через выходные прижимные валики 21 и щелевой выход сухой ПВМ с закрепленными на поверхности наночастицами серебра укладывается в приемный контейнер-накопитель (на чертеже не показан) и, по его заполнению, 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.
Работа автоматизированной технологической линии для поверхностной модификации наночастицами серебра ПВМ показана на конкретном примере, в котором в качестве ПВМ выбран ППВМ.
ППВМ 32 в виде ленты с длиной 30-50 м, шириной 0,45 м и толщиной 40 мм размещают в блоках 1, 2, 3 и контейнерах- накопителях 4, 5 таким образом, чтобы она огибала сразу все валики. Затем в резервуар из нержавеющей стали 7 блока 1 заливается раствор азотнокислого серебра. С панели управления блока автоматического управления 6 подается напряжение и включаются регулируемые электроприводы 8, 14, 27 лентопротяжного механизма и электрооборудование всех блоков технологической линии (источник питания магнетронов, вытяжной вентилятор, ртутно-кварцевые лампы). Лента ППВМ 32 по направляющим валикам 11 начинает поступать в рабочую камеру блока пропитки с раствором азотнокислого серебра 1. Скорость движения ленты 32 задается регулируемым электроприводом 8. В течение заданного скоростью движения лентопротяжного механизма (в интервале 1-10 м/час) времени лента ППВМ 32 пропитывается раствором азотнокислого серебра, проходя через рабочую камеру блока пропитки 1, а затем через прижимные выходные валики 10 и поступает в промежуточный контейнер-накопитель 4. Из контейнера-накопителя 4, синхронизирующего работу двух разноскоростных направляющих валиков 11, 17 лентопротяжного механизма, лента ППВМ 32, обработанная раствором азотнокислого серебра, через выходные валики промежуточного контейнера-накопителя, поступает на вход блока УФ-фотолиза 2. При этом скорость движения ленты задается регулируемым электроприводом 14. Поступающая в блок УФ-фотолиза 2 лента ППВМ 32, обработанная раствором азотнокислого серебра, начинает двигаться по направляющим валикам 17 лентопротяжного механизма с выбранной скоростью (в интервале 1-10 м/час) между ртутно-кварцевыми лампами 13. Во время прохождения ленты ППВМ между ртутно-кварцевыми лампами азотнокислое серебро на ППВМ под воздействием ультрафиолетового излучения разлагается до восстановления на поверхности волокон наночастиц металлического серебра. На выходе из рабочей камеры блока УФ-фотолиза 2 лента ППВМ с наночастицами металлического серебра поступает во второй промежуточный контейнер-накопитель 5, который синхронизирует работу двух разноскоростных направляющих валиков 17, 22 лентопротяжного механизма блока УФ-фотолиза 2 и блока СВЧ 3. Далее через выходные валики 31 второго промежуточного контейнера-накопителя 5 лента ППВМ 32 с наночастицами серебра на поверхности поступает на щелевой вход блока СВЧ 3, в котором расположены магнетроны, выдающие суммарную мощность 4 кВт с рабочей частотой 2,45 ГГц. Поступив через прижимные входные валики 20 в рабочий объем камеры СВЧ 3, лента ППВМ 32 с наночастицами серебра на поверхности с заданной скоростью (в интервале 1-10 м/час) начинает протягиваться под излучателями магнетронов, в результате влажные полипропиленовые волокна прогреваются до температуры 60-80°C, при которой ППВМ размягчается, и разогретые наночастицы восстановленного серебра «впаиваются» в поверхность полипропиленовых волокон. Избыточная влага при этом испаряется и удаляется вентилятором из рабочей камеры блока СВЧ 3. Затем сухая лента ППВМ 32 с закрепленными на волокнах наночастицами серебра протягивается через выходной щелевой зазор между прижимными валиками 21 блока СВЧ 3 и поступает в приемный контейнер-накопитель.
Полученный модифицированный ППВМ прошел испытание на антибактериальную активность и показал хорошие результаты, что подтверждается протоколом испытаний (фиг.2).
Автоматизированная технологическая линия для поверхностной модификации наночастицами серебра ПВМ может работать как в прерывистом режиме, вышеописанном в примере, 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 аэродинамического диспергирования расплава полимера.