CC BY
21
УДК533.1
И. М. Гильмутдинов, И. В. Кузнецова, И. И. Гильмутдинов, А. А. Мухамадиев, А. Н. Сабирзянов
СУБМИКРОННОЕ И НАНОРАЗМЕРНОЕ СТРУКТУРИРОВАНИЕ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПРОЦЕССАХ ИМПРЕГНАЦИИ И РАСШИРЕНИЯ
СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ФЛЮИДНЫХ И ГАЗОНАСЫЩЕННЫХ РАСТВОРОВ
Ключевые слова:сорбция, парообразование, сверхкритический диоксид углерода, экспериментальная установка, диаметр пор,
пористость полимерных материалов.
Создана экспериментальная установка для изучения процессов сорбции и парообразования в системе «полимер-сверхкритический флюид». Сравнение собственных экспериментальных данных с экспериментальными данными других исследователей показало их удовлетворительное согласование.
Keywords: sorption, evaporation, supercritical carbon dioxide, the experimental setup, the pore diameter, porosity, polymer materials.
An experimental setup for the study of sorption and vaporization in the "polymer-supercritical fluid." Comparison of our experimental data with the experimental data of other researchers showed their satisfactory agreement.
В последние годы ведутся интенсивные исследования процессов сорбции и порообразования в системе «полимер-сверхкритический флюид». Наиболее широко в этих системах используется сверхкритический диоксид углерод (СК СО2). Это объясняется тем, что СК СО2 не токсичен, экологически чистый растворитель, следовательно, способен заменить токсичные органические соединения в ряде химических процессов. Так же СК СО2 способен растворять в себе остатки ряда органических растворителей, тем самым обеспечивать чистоту получаемой продукции. К тому же, применение СК диоксида углерода позволяет подстраивать его физические свойства (плотность, коэффициент диффузии, растворяющую способность и т.д.) незначительно изменяя давление и температуру. Широкий спектр физико-химических процессов, таких как поликонденсация, полимеризация, вспенивание, получение полимерных композитов, импрегнация и модификация полимеров, связан с сорбцией СК СО2 [1].
Для проведения исследований создана экспериментальная установка (рис.1) и разработана методика проведения процесса сорбции полимеров сверхкритическим диоксидом углерода.
Данная установка позволяет проводить исследования в диапазоне давлений 6-60 МПа и температуры 20-350 0С.
Перед началом эксперимента производится загрузка исследуемого вещества в ячейку (10). Далее включается термостат (6), который требуется для охлаждения головок насоса (5) и теплообменника (3). Процесс термостатирования продолжается до тех пор, пока температура охлаждающей жидкости не достигнет значения -50С.
Температура ячейки задаётся и поддерживается с помощью блока управления (11). Далее открывается вентиль баллона (1) откуда диоксид углерода с первоначальным давлением 5-6 МПа попадает в охлаждающий теплообменник (3) через фильтр осушитель (2). После перехода в жидкую фазу С02 через расходомер (4) поступает в насос (5), где сжимается до заданного давления, после чего диоксид углерода поступает в ячейку (10). Вследствие нагре-
ва С02 переходит в сверхкритическое состояние и начинает взаимодействовать с исследуемым веществом. После выдержки в среде сверхкритического диоксида углерода температуру в ячейке снижают до комнатной и медленно сбрасывают давление в системе. Вентиль (8) находится в открытом положении, а дроссель - вентиль (14) позволяет контролировать расход С02, тем самым и скорость сброса давления.
13
& % -■■—
------- 12
Рис. 1 - Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 - баллон с СО2, 2 - фильтр осушитель, 3 - теплообменник охлаждения, 4 - расходомер, 5 - насос высокого давления, 6 - термостат, 7 - электронагреватель, 8 - вентиль, 9 - ленточный нагреватель, 10 -экспериментальная ячейка, 11 - блок управления температуройи давлением, 12 -нагреватель, 13 - манометр, 14 - дроссельный вентиль
В качестве исследуемых объектов используются:
- гранулы полистирола со среднемассовой молекулярной массой М=230000 г/моль.
- гранулы полипропилена марки РР 1362 ИРЛЯТТЛ 13-81106, ТУ 2211-136-05766801-2006, ОАО «НКНХ».
На первом этапе данной работы проведено сравнение экспериментальных результатов с лите-
ратурными данными. Проведено сравнение диаметров образующихся пор при помощи оптического микроскопа ЬеуепИикТ640. Апробация произведена с результатами представленной в работе [2].
Исследование влияния СК СО2 на пористость проводилось в диапазоне давлений 15,5 -25 МПа и температуры 38-65 0С. Время выдержки образцов в среде СК диоксида углерода составляло 2,5 часа. Результаты сравнения экспериментальных данных представлены на (рис.2 а - влияние давления на диаметр пор, б - влияние температуры на диаметр пор).
Таблица 1 - Условия и результаты проведения исследований
Рис. 2а - Влияние давления системы на диаметр пор
Рис. 2б - Влияние температуры системы на диаметр пор
Как видно из полученных графиков, результаты полученные на установке, созданной в данной работе сопоставимы с литературными данными в пределах погрешности.
Так же было проведено исследование влияния давления и температуры на общую пористость и объем пор полипропилена в процессе обработки сверхкритическим диоксидом углерода. Исследования проводились в диапазоне давлений 10-35 МПа и диапазоне температур 40-90 0С. Время выдержки образцов под давлением составляло 180 минут, время сброса давления 30 минут, температура выдержки после сброса давления 70 0С, время выдержки после сброса давления 120 минут.
В таблице 1. представлены условия и результаты проведения исследований.
№ Температура насыщения, 0С Давление системы, МПа Общая пористость, см3/г
1 60 10 0,00637
2 15 0,00835
3 20 0,01598
4 25 0,0517
5 30 0,02240
6 35 0,02201
7 40 25 0,04454
8 50 0,04846
9 70 0,02079
10 80 0,01204
11 90 0,00721
Исследование общей пористости полимерных материалов проводилосьметодом заполнения пор жидкостью под давлением. Дистиллированная вода при температуре 200С и давлении 30 МПа подается в емкость заполненной гранулами полимера (с известной массой). Продолжительность эксперимента составляет 30 минут. После проведения эксперимента взвешивается масса образцов. Далее по формуле (1) рассчитывается общая пористость полимерных материалов после обработки с СК СО2 [3].
№ =
,
(1)
где М - масса образцов после заполнения водой, т -масса образцов до заполнения, ^ гг - плотность воды при давлении 30 Мпа
На рис. 3 а) и б) изображены зависимости общей пористости полипропилена от давления и температуры обработки СК диоксидом углерода.
Рис. 3а - Зависимость общей пористости полипропилена от давлении на изотерме 1=60 0С
Рис. 3б - Зависимость общей пористости полипропилена от температуры на изобаре Р=25 МПа
Как видно из рис. 3 а) общая пористость увеличивается с увеличением давления до 25 МПа, после дальнейшего повышения давления наблюдается резкий спад общей пористости. На рис. 3 б)
наблюдается аналогичное изменение общей пористости. Такое явление объясняется тем, что при более высоких давлениях и температурах наблюдается взаимная растворимость полипропилена и СК диоксида углерода.
Работа выполнена в рамках Гранта Президента РФ МК-4440.2014.8
Литература
1. Ф.М. Гумеров, А.Н. Сабирзянов, Г.И. Гумерова.Суб- и сверхкритические флюиды в процессах переработки, Казань, 2007.
2. Л.Н. Никитин и др., СКФ ТП,1, 1 (2006).
3. Патент РФ №2263894.
4. И.Ш. Абдуллин др. Вестник Казанского технологического университета,16, 4, 152-154 (2013)
© И. М. Гильмутдинов - к.т.н., доц. кафедры теоретических основ теплотехники КНИТУ, gilmutdinov@kstu.ru, И. В. Кузнецова - канд. техн .наук, доц. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ; И.И. Гильмутдинов- канд. техн. наук, асс. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ, А. А. Мухамадиев - к.т.н, доц. кафедры теоретических основ теплотехники КНИТУ; А. Н. Сабирзянов - д-ртехн. наук. проф. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ.
© I. M. Gilmutdinov - candidate of techniques, associate professor of the department Theoretical Foundations of Thermal Engineering of KNRTU, gilmutdinov@kstu.ru; I. V. Kuznetsova - candidate of techniques, associate professor of the department Theoretical Foundations of Thermal Engineering of KNRTU; I. I. Gilmutdinov - candidate of techniques, the assistant of the department Theoretical Foundations of Thermal Engineering of KNRTU; A. A. Muhamadiev - candidate of techniques,associate professor of the department Theoretical Foundations of Thermal Engineering of KNRTU; A. N. Sabirzyanov - Doctor of Techniques, professor of the departmentTheoretical Foundations of Thermal Engineering of KNRTU, gilmutdinov@kstu.ru.
