Спосіб приготування висококонцентрованої суспензії поліетиленоксиду

Реферат: UA 91060 U UA 91060 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель належить до галузі зниження гідродинамічного опору тертя об'єктів, що рухаються у воді, може бути реалізована в трубних системах пожежогасіння, аварійного відкачування води, підвищення пропускної здатності каналізаційних систем і т.д., а також може використовуватися у різноманітних технологічних процесах, які характеризуються використанням великої кількості водних розчинів високомолекулярного поліетиленоксиду (ПЕО). Зниження гідродинамічного опору здійснюється водним розчином, який готується шляхом прискореного розчинення у воді суспензії порошкоподібного ПЕО. При використанні ПЕО для зниження гідродинамічного опору об'єктів, які рухаються у воді, час розчинення полімеру, як правило, не повинен перевищувати 10-20 секунд. Основною вимогою, що пред'являється до полімерної суспензії, призначеної для зниження опору тертя об'єктів, що рухаються у воді, є підвищений вміст полімеру і велика швидкість розчинення, що загалом забезпечує їй високу гідродинамічну ефективність. Відома суспензія [1], до складу якої входять: порошкоподібний ПЕО, пропіленгліколь, неіоногенна поверхнево активна речовина (ПАР) (0-5) % і загусник (0,1-5) %. Також відомий склад полімерної суспензії на основі порошкоподібного ПЕО і гліцерину [2]. Гідродинамічна ефективність цих суспензій низька внаслідок високої їх в'язкості і малої швидкості розчинення у воді. Зі збільшенням вмісту полімеру вище 30 % ваг. їх ефективність не підвищується і залишається малою. Найбільш близьким по технічній суті і ефекту, що досягається, є спосіб приготування суспензії ПЕО, який приведений в [3]. Цей спосіб передбачає змішування порошкоподібного 3 ПЕО з щільністю (1,15-1,26) г/см з сумішшю двох рідин, які не розчиняють полімер. Одна з рідин цієї суміші має щільність нижче щільності ПЕО, а інша - вище. Найнижчу в'язкість з подібних рідин і найдоступнішими є етиленгліколь і гліцерин. Щільність суміші гліцерину з етиленгліколем може становити 96,5-103,5 % (ваг.) від щільності ПЕО. В'язкість цієї суміші нижча в'язкості чистого гліцерину [2] і суміші етиленгліколю із загусником 11]. У зв'язку з цим суспензія ПЕО, склад якої приведено в патенті [3], має більшу швидкість розчинення у воді і вищу гідродинамічну ефективність, порівняно з суспензіями, які захищені патентами [1,2] (при однаковому вмісті полімеру). Проте гідродинамічна ефективність цієї суспензії залишається невисокою. Крім цього збільшити концентрацію ПЕО більше 30 % ваг. в таких суспензіях неможливо - вони втрачають свою текучість. Суспензії ПЕО, склад і спосіб приготування яких приведено в [1-3], готують механічним змішуванням складових компонентів - порошкоподібного полімеру й дисперсійного середовища. В основу корисної моделі поставлено задачу збільшити концентрацію ПЕО в суспензії з одночасним підвищенням гідродинамічної ефективності її водних розчинів і зменшення деструкції полімерних молекул. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що спосіб приготування висококонцентрованої суспензії поліетиленоксиду, який включає змішування тонкодисперсного порошку цього полімеру з дисперсійним середовищем і наповнювачем при наступному співвідношенні компонентів (ваг. %): поліетиленоксид (молекулярна маса 3,0-7,0 млн, у вигляді порошку з розміром полімерних часток до 200 мкм) 35,0-60,0 наповнювач (порошкоподібний карбонат кальцію з розміром часток до 50 мкм)1,8-22,0 дисперсійне середовище (водно-гліцеринова суміш з щільністю 1,2 3 г/см решта до 100. Згідно з корисною моделлю, порошки поліетиленоксиду та карбонату кальцію змішують у сухому вигляді до отримання однорідної маси і пресують з неї кульки розміром 1,0-3,0 мм під 2 тиском 80-100 кг/см , які потім вводять в дисперсійне середовище й ретельно перемішують. Як дисперсійне середовище можуть бути використані гліцерин, етиленгліколь, суміш гліцерину з етиленгліколем або водою. При виготовленні суспензії використовували ПЕО виробництва Новосибірського науково-дослідного інституту хімічної технології (Росія) з розмірами полімерних часток менше 200 мкм. Молекулярна маса ПЕО дорівнювала 3-7 млн. Вміст полімеру в суспензії не перевищував 60 % ваг., оскільки подальше підвищення концентрації ПЕО в суспензії різко збільшує її в'язкість та знижує гідродинамічну ефективність. Використання суспензії, що містить менше 35 % ПЕО, недоцільно оскільки для досягнення рівних величин ефекту зниження гідродинамічного опору необхідно збільшувати кількість суспензії обернено пропорційно вмісту полімеру. Розміри частинок порошкоподібного карбонату кальцію не повинні перевищувати 50 мкм. При більших розмірах цих частинок ефективність суспензії зменшується. Як природний мінерал, 1 UA 91060 U 5 10 15 20 25 30 що містить карбонат кальцію, при виконанні цієї роботи використовували крейду тонкого помелу. Концентрація карбонату кальцію не повинна бути меншою 1,8 % ваг., оскільки в цьому випадку пресовані з його суміші з ПЕО кульки матимуть низьку швидкість розчинення у воді, а суспензії ПЕО - малу гідродинамічну ефективність. Збільшення концентрації карбонату кальцію вище 22,0 % (за рахунок зменшення вмісту дисперсійного середовища) підвищує в'язкість суспензії ПЕО і зменшує гідродинамічну ефективність її водних розчинів. 2 Пресування суміші ПЕО з карбонатом кальцію проводили під тиском від 80 до 100 кг/см . 2 Якщо тиск пресування кульок більше 100 кг/см знижується швидкість розчинення ПЕО і зменшується гідродинамічна ефективність суспензії. З пониженням тиску пресування нижче 80 2 кг/см зменшується щільність кульок, підвищується в'язкість суспензії і знижується гідродинамічна ефективність її водних розчинів. Кульки з суміші ПЕО і карбонату кальцію пресуються розміром від 1 до 3 мм. При розмірах кульок менше 1 мм підвищується в'язкість суспензії і зменшується її гідродинамічна ефективність. Підвищення розмірів кульок більше 3 мм знижує швидкість їх розчинення у воді і зменшує гідродинамічну ефективність суспензії. Якщо суміш ПЕО з карбонатом кальцію не пресувати, з метою отриманням кульок розміром 1-3 мм, а безпосередньо змішувати з дисперсійним середовищем, то в'язкість такої суспензії буде дуже великою, а гідродинамічна ефективність малою, нижче гідродинамічної ефективності найближчого аналога. У разі пресування чистого порошкоподібного ПЕО швидкість розчинення кульок буде дуже малою, а гідродинамічна ефективність водних розчинів суспензії - низькою. Розчинення суспензії ПЕО здійснювали на установці, яка представляє собою скляний циліндр діаметром 90 мм і висотою 120 мм. У цьому циліндрі оберталась лопатна мішалка діаметром 22 мм. Споживана потужність мішалки - 12 Вт/л. З використанням цієї установки розчиняли 5 мл суспензії ПЕО в 500 мл води впродовж 20 секунд. Після цього розчин піддавали п'ятихвилинному центрифугуванню для відокремлення розчиненої частини ПЕО від нерозчиненої. Центрифугування здійснювали на центрифузі типу ОПН-3 при швидкості обертання ротора 3000 об/хв. Гідродинамічну ефективність суспензій (величину ефекту зниження гідродинамічного опору,  /  , %) визначали після розбавлення водою цих розчинів до робочої концентрації по ПЕО, -4 яка дорівнює 510 % ваг. Дослідження проводили на турбулентному капілярному реометрі. -3 Довжина капілярного каналу і діаметр якого складали 1,16 м і 1,010 м відповідно при -4 постійному числі Рейнольдса рівному 1,210 . Величину ефекту зниження гідродинамічного опору розраховували за формулою:  /   [pв  pр )pв ]  100 % , (1) 35 де p в і p p - перепади тиску при течії в капілярі води і розчину (при постійній витраті), 40 45 50 55 відповідно. Помилка визначення  /  не перевищує 1,0 %. Приклади конкретного виконання Суспензії готували шляхом змішування дисперсійного середовища і полімерних кульок на лопатевій мішалці при швидкості обертання 60 об/хв впродовж 30 хвилин до отримання однорідного складу. Приклад 1. 35,0 г порошкоподібного ПЕО з молекулярною масою 5,5 млн змішували з 1,8 г 2 дрібнодисперсного карбонату кальцію. З цієї суміші під тиском 80 кг/см пресували кульки діаметром 1 мм, які потім змішували з 50,3 мл (63,2 г) гліцерину. Отриману суспензію розчиняли у воді. Величина ефекту зниження гідродинамічного опору розчину цій суспензії у воді при часі розчинення 20 секунд дорівнює 27,2 %, а при повному розчиненні - 54,3 %. Приклади 2-8. Згідно з методикою, яка була використана в прикладі 1, готували суспензії ПЕО. Вміст складових компонентів суспензій, умови їх готування і результати дослідження їх властивостей приведені в таблиці 1. Приклад 9 (найближчий аналог). В 51,7 мл (65,0 г) гліцерину добавляли 35,0 г ПЕО з молекулярною масою 5,5 млн і отриману суміш ретельно перемішували. Після цього отриману суспензію розчиняли у воді. Величина ефекту зниження гідродинамічного опору тертя у водному розчині (на 20 - ій секунді з початку розчинення) дорівнювала 15,5 %, а при повному розчиненні - 39,9 %. Приклади 10-15 (найближчі аналоги). Згідно з методикою, яка була використана в прикладі 9, готували суспензії ПЕО. Вміст складових компонентів суспензій, умови їх готування і результати дослідження їх властивостей в таблиці 1. Порівнювальні випробування реологічних властивостей дрібнодисперсної суспензії, яка 2 UA 91060 U 5 вміщує 30 % ваг. порошку ПЕО з розміром полімерних часток до 200 мкм і суспензій з підвищеним до 50 % ваг. вмістом полімеру були проведені на безнасосній установці з діаметром контрольної ділянки труби 21,6 мм і довжиною 2075 мм. Перепад тиску на контрольній ділянці труби вимірювали манометром "Сапфір - 22ДД". Всі випробування були проведені при температурі 20 °C. При обробці результатів реологічних досліджень відомої дрібнодисперсної суспензії і суспензій з підвищеним вмістом ІІЕО розрахунки проводилися з використанням наступних формул: dp - (напруга тертя на стінці труби, Па), де p - перепад тиску на контрольній ділянці 4l труби діаметром d і довжиною l ; 8u  - (швидкість зсуву, 1 /с), де u - середня швидкість потоку полімерної суспензії по d  10 контрольній ділянці труби;  - (динамічна в'язкість, Па*с);  ud Re  - (число Рейнольдса), де  - щільність полімерної суспензії.   15 Результати порівнювальних випробувань реологічних властивостей відомої дрібнодисперсної (30 %-ої по ПЕО) суспензії і рекомендованої суспензії з підвищеним вмістом полімеру (50 %-ої по ГІЕО) приведені в табл. 2. Таблиця 1 Склад, умови приготування й величина ефекту зниження гідродинамічного опору тертя (ГОТ) у водних розчинах висококонцентрованих суспензіях ПЕО Величина ефекту Складові компоненти та їх зниження ГОТ у Величина концентрація в суспензії, ваг. % водних тиску Молекуляпресування Діаметр розчинах. % № рна маса кульок із кульок, Примітки Дисперсійне п/п ПЕО, млн середовище (ДС) суміші ПЕО мм на 20-ій при Карбонат і СаСО3, Складові секунді повному ПЕО кальцію 2 кг/см компоненти (їх розчи- розчи(СаСО3) співвідношення у нення ненні складі ДС), в.ч. 1 5,5 35,0 1,8 Гліцерин - 63,2 80 1 27,2 54,3 Етиленгліколь 2 5,5 35,0 8,7 90 2 30,5 58,4 56,3 Гліцерин+ 3 5,5 35,0 22,0 етиленгліколь 100 3 31,8 56,8 (13:1)- 43,0 Гліцерин+вода 4 5,5 45,0 2,4 90 2 32,8 58,7 (7:1) - 52,6 Гліцерин+ 5 3,0 45,0 7,9 етиленгліколь (7:1) 90 1 26,2 55,9 - 47,1 Гліцерин+вода 6 7,0 45,0 19,3 90 3 35,9 62,5 (7:1) - 35,7 Гліцерин+вода 7 5,5 60,0 3,2 100 2 40,1 65,3 36,8 Гліцерин+вода 8 5,5 60,0 6,7 80 2 42,7 66,4 33,3 Найближчий 9 5,5 35,0 Гліцерин - 65,0 15,5 39,9 аналог 20 3 UA 91060 U Продовження таблиці 1 10 5,5 35,0 11 5,5 35,0 12 5,5 45,0 13 3,0 45.0 14 7,0 45,0 15 5,5 60,0 Етиленгліколь 65,0 Гліцерин+ етиленгліколь (13:1) - 65,0 Гліцерин+вода (7:1) - 55,0 Етиленгліколь+ гліцерин (1:7)- 55,0 Гліцерин+вода (7:1) - 55,0 Гліцерин+вода 40,0 17,8 46,2 16,3 42,3 17,9 45,5 14,1 41,2 21,3 47,9 24,5 51,1 Таблиця 2 Склад полімерної суспензії Дисперсна фаза Дисперсійне середовище Вміст ПЕО в суспензії. % γ, 1/с ваг. 23,6 Дрібнодисперсний порошок ПЕО Суміш гліцерину 3 37,4 з розміром полімерних часток до водою щільністю 30,0 60,2 3 200 мкм 1,2 г/см 60,9 Кульки діаметром 2 мм, 17,4 отримані пресуванням суміші 30,6 дрібнодисперсних порошків ПЕО 50,0 48,1 і карбонату кальцію під тиском 70,2 2 90 кг/см 101,1 5 10 15 20 τ, Па Re 221,2 242,0 291,5 317,5 135,6 208,2 275,9 335,7 374,7 0,18 0,41 0,88 0,83 0,16 0,32 0,60 1,04 1,94 , Пас 9,37 6,47 4,84 5,21 7,84 6,80 5,73 4,78 3,71 З приведених в табл. 2 даних видно, що величина динамічної в'язкості  для суспензії з підвищеним вмістом полімеру (50 % ваг. ПЕО) менше в'язкості суспензії, як дисперсну фазу якої використовують дрібнодисперсний полімерний порошок (30 % ваг. ПЕО) при числах Рейнольдса Re=(0,16-0,88), а при його подальшому збільшенні, величини в'язкості цих суспензій стають практично однаковими. Порівняння результатів випробувань суспензій, які були приготовлені по способу, запропонованому у цій корисній моделі (приклади 1-8) й відомих способів (приклади 9-15), а також реологічні дослідження дозволяють зробити наступні висновки: а) один із способів підвищення концентрації ПЕО у суспензії до 50 % ваг. і більше пов'язаний з пресуванням суміші порошку цього полімеру з карбонатом кальцію у кульки діаметром 1,0-3,0 2 мм під тиском 80-100 кг/см і подальшим змішуванням цих кульок з дисперсійним середовищем; б) величина ефекту зниження гідродинамічного опору тертя (за 20 секунд розчинення) у водних розчинах запропонованих суспензій більша в 1,6-2,0 рази за рахунок зменшення в'язкості суспензії (у порівнянні з відомими) і, за рахунок цього, збільшення швидкості її розчинення; в) при повному розчиненні, створеної, згідно з корисною моделлю, суспензії з підвищеним вмістом ПЕО, величина ефекту зниження гідродинамічного опору в її водних розчинах більша в 1,3-1,4 рази (у порівнянні з відомими складами) за рахунок зменшення деструкції у воді. Джерела інформації: 1. Патент США № 3736288, кл. С08F 57/34, опубл. 1973 г. 2. Авт. свид. СССР № 1438206, кл. С08L 71/02, 1985. 3. Патент США № 3843589, кл. С 08F 45/34, опубл. 1974 г. (найближчий аналог). 25 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 Спосіб приготування висококонцентрованої суспензії поліетиленоксиду, який включає змішування тонкодисперсного порошку цього полімеру з дисперсійним середовищем і наповнювачем при наступному співвідношенні компонентів (ваг. %): 4 UA 91060 U поліетиленоксид (молекулярна маса 3,0-7,0 млн, у вигляді порошку з розміром полімерних часток до 200 мкм) 35,0-60,0 наповнювач (порошкоподібний карбонат кальцію з розміром часток до 50 мкм) 1,8-22,0 3 дисперсійне середовище (водно-гліцеринова суміш з щільністю 1,2 г/см решта до 100, який відрізняється тим, що порошки поліетиленоксиду та карбонату кальцію змішують у сухому вигляді до отримання однорідної маси і пресують з неї кульки розміром 1,0-3,0 мм під 2 тиском 80-100 кг/см , які потім вводять в дисперсійне середовище й ретельно перемішують. Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5