СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАСТИФИЦИРОВАННОЙ И ПИГМЕНТИРОВАННОЙ НИТРОЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЛИ КОЛЛОКСИЛИНА Российский патент 2001 года по МПК C08L1/18 C09D101/18 

Изобретение относится к технологии получения нитратов целлюлозы (НЦ), в частности к способам получения пластифицированной и пигментированной нитроцеллюлозы или коллоксилина, и может быть широко использовано при изготовлении красок, лаков, пленок и других видов товаров народного потребления.

Известен способ получения нитроцеллюлозы, включающий диспергирование водной суспензии нитроцеллюлозы, пластификацию, перемешивание, обезвоживание и гранулирование (патент Великобритании N 1201010, C 08 В 5/04, 1969) - аналог.

Известен также способ получения пластифицированной и пигментированной нитроцеллюлозы или коллоксилина, включающий приготовление водной суспензии нитроцеллюлозы или коллоксилина и водной эмульсии пластификатора с добавлением технологических добавок, смешение суспензии смеси пластификатора с технологическими добавками, смешение полученной суспензии нитроцеллюлозы или коллоксилина с эмульсией пластификатора и технологических добавок, отделение жидкой фазы от ее твердой фазы (патент N 481951 A1, C 08 В 5/04, Швеция, 1970) - прототип.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, состоит в расширении арсенала технических средств.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении способа получения пластифицированной и пигментированной нитроцеллюлозы или коллоксилина, заключается в реализации указанной выше задачи - расширение арсенала технических средств для способов получения пластифицированной и пигментированной нитроцеллюлозы или коллоксилина.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что в способе получения пластифицированной и пигментированной нитроцеллюлозы или коллоксилина, включающем приготовление водной суспензии нитроцеллюлозы или кoллоксилина с концентрацией 2-12 мас.% и водной эмульсии пластификатора с технологическими добавками, смешение полученной суспензии нитроцеллюлозы или коллоксилина с эмульсией пластификатора и технологических добавок, отделение жидкой фазы от ее твердой фазы, согласно изобретению готовят дополнительно водную суспензию одного или нескольких пигментов с концентрацией 10-40 мас. %, диспергируют ее при критерии перемешивания Рейнольдса (Re_м) 10000-600000, пропуская суспензию через гидродинамический аппарат, затем смешивают полученные суспензии между собой и получают однородную смесь, после этого готовят эмульсию смеси пластификатора с технологическими добавками, в качестве которых используют соли непредельных одноосновных жирных кислот, например соли олеиновой кислоты. Эмульсию смеси готовят с содержанием пластификатора от 5 до 50 мас.% от количества нитроцеллюлозы или коллоксилина, при этом технологические добавки используют в количестве 0,05 - 1,0% от массы плacтификатора. Вводят полученную эмульсию в однородную смесь суспензий и перемешивают их в течение 1-10 часов при температуре 10-60 градусов по Цельсию. Отделение жидкой фазы суспензии от ее твердой фазы осуществляют путем предварительного транспортирования суспензии вдоль фильтровальной поверхности и последующей ее компрессии, затем гранулируют твердую фазу путем предварительной ее экструзии через отверстия и последующей ее резки вращающимися режущими элементами. Отделение жидкой фазы суспензии от ее твердой фазы проводят при давлении 0,5-7 МПа, температуре 60-90 градусов по Цельсию и влажности гранул до 4%. Технологические операции - транспортирование суспензии вдоль фильтровальной поверхности, компрессию, экструзию и гранулирование твердой фазы осуществляют на червячном фильтр-прессе.

Сопоставительный анализ заявляемого способа получения пластифицированной и пигментированной нитроцеллюлозы или коллоксилина с прототипом показывает, что заявляемый способ имеет общие признаки с прототипом:
готовят водную суспензию нитроцеллюлозы или коллоксилина с концентрацией 2-12 мас.%;
готовят водную эмульсию смеси пластификатора с технологическими добавками;
смешивают суспензию нитроцеллюлозы или коллоксилина с эмульсией пластификатора и технологических добавок;
отделяют жидкую фазу суспензии от ее твердой фазы.

Заявляемый способ получения пластифицированной и пигментированной нитроцеллюлозы или коллоксилина отличается от прототипа новыми признаками:
готовят дополнительно водную суспензию одного или нескольких пигментов с концентрацией 10-40 мас.%;
диспергируют дополнительную водную суспензию при критерии перемешивания Рейнольдса (Re_м) 10000-600000, пропуская ее через гидродинамический аппарат;
смешивают полученные суспензии между собой и получают однородную смесь;
готовят эмульсию смеси пластификатора с технологическими добавками, в качестве которых используют соли непредельных одноосновных жирных кислот, например соли олеиновой кислоты;
эмульсию смеси готовят с содержанием пластификатора от 5 до 50 мас.% от количества нитроцеллюлозы или коллоксилина;
технологические добавки используют в количестве 0,05 - 1,0% от массы пластификатора;
вводят полученную эмульсию в однородную смесь суспензий и перемешивают их в течение 1-10 часов при температуре 10-60 градусов по Цельсию;
отделение жидкой фазы суспензии от ее твердой фазы осуществляют путем предварительного транспортирования суспензии вдоль фильтровальной поверхности и последующей ее компрессии;
гранулируют твердую фазу путем предварительной ее экструзии через отверстия и последующей ее резки вращающимися режущими элементами;
отделение жидкой фазы суспензии от ее твердой фазы проводят при давлении 0,5-7 МПа, температуре 60-90 градусов по Цельсию и влажности гранул до 4%;
технологические операции - транспортирование суспензии вдоль фильтровальной поверхности, компрессию, экструзию и гранулирование твердой фазы осуществляют на червячном фильтр-прессе.

Из приведенного перечня признаков заявляемого способа получения пластифицированной и пигментированной нитроцеллюлозы или коллоксилина и достижения поставленной задачи наглядно видно, что заявляемое техническое решение представляет собой новую совокупность признаков, как сочетание известных и новых признаков, обеспечивающих получение нового технического результата, неизвестного на дату подачи заявки. Новый технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в расширении арсенала технических средств для способа получения пластифицированной и пигментированной нитроцеллюлозы или коллоксилина.

Предлагаемый способ получения пластифицированной и пигментированной нитроцеллюлозы или коллоксилина промышленно применим, т.к. он может быть широко использован при изготовлении красок, лаков, пленок и других видов товаров народного потребления.

Техническое решение заявляемого объекта соответствует критерию "новизна", т. к. он не известен из уровня техники на дату подачи заявки. Не известна из уровня техники совокупность существенных признаков заявляемого технического решения и их влияние на получение требуемого технического результата.

Техническое решение заявляемого объекта соответствует критерию " изобретательский уровень", т.к. не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками, и не обнаружена известность влияния отличительных признаков на получаемый технический результат.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствуют всем критериям, предъявляемым к изобретению, и обеспечивает получение нового технического результата.

Пример осуществления способа.

Учитывая то обстоятельство, что концентрация водной суспензии нитроцеллюлозы или коллоксилина оказывает существенное значение, с одной стороны, на производительность процесса переработки, а с другой стороны, на работу технологического оборудования, т. е. существует оптимальная концентрация суспензии, при которой обеспечивается наивысшая производительность переработки и оптимальная, эффективная работа технологического оборудования. Изготовили водные суспензии со следующей концентрацией нитроцеллюлозы или коллоксилина, мас. %: 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 9,0; 10,0; 11,0; 12,0; 13,0; 14,0; 15,0. В результате проведенных экспериментов было выявлено, что оптимальной концентрацией суспензии является концентрация 2-12 мас.%. При концентрации суспензии менее 2 мас.% имеет место неоправданно низкая производительность процесса переработки суспензии по ее твердой фазе. При концентрации 2 мас.% имеет место скачкообразное увеличение производительности процесса переработки суспензии. Налипания твердой фазы суспензии на стенках трубопроводов и технологического оборудования практически не происходит. При увеличении концентрации твердой фазы суспензии происходит увеличение производительности процесса ее переработки, а также происходит увеличение количества налипаемой твердой фазы суспензии на внутренних поверхностях трубопроводов и технологического оборудования. Верхний предел концентрации 12 мас.% является оптимальным, т. к. именно при данной концентрации твердой фазы суспензии обеспечивается наиболее удачное сочетание двух указанных выше факторов - производительность и оптимальность, эффективность работы технологического оборудования. При концентрации твердой фазы суспензии выше 12 мас.% происходит значительное налипание твердой фазы на поверхности трубопроводов и стенки технологического оборудования, что снижает эффективную работу всего технологического оборудования и снижает производительность всего процесса переработки в целом.

Изготовили ряд дополнительных водных суспензий диспергированных пигментов. Использовали следующие пигменты: крон свинцовый лимонный, крон свинцовый желтый, пигмент желтый железоокисный, пигмент зеленый фталоцианиновый, пигмент зеленый фталоцианиновый, пигмент голубой фталоцианиновый, лазурь железная, углерод технический пигментный, белила цинковые, двуокись титана, сурик железный, пигмент красный железоокисный. Учитывая то обстоятельство, что концентрация пигмента оказывает существенное значение, с одной стороны, на "жесткость" перерабатываемой нитроцеллюлозы или коллоксилина (далее материал), а следовательно, на энергозатраты процесса переработки, а с другой стороны, на показатели качества получаемого материала, то можно утверждать, что существует оптимальная концентрация пигмента, при которой энергозатраты и качество получаемого материала являются оптимальными. Изготовили вторую суспензию с концентрациями пигмента: от 5 до 50 мас.% с шагом концентрации 1%. Подобрали оптимальную концентрацию пигмента в суспензии 10-40 мас.%. При концентрации пигмента менее 10% не обеспечиваются требуемые показатели качества получаемого материала, но имеют место минимальные энергозатраты. При концентрации пигмента в суспензии 10% обеспечиваются требуемые показатели качества материала и приемлемые энергозатраты. При концентрации пигмента - 40 мас.% обеспечиваются требуемые показатели качества материала и приемлемые энергозатраты при его переработке на червячном фильтр-прессе до 40 кВт/час на тонну перерабатываемого материала. При превышении концентрации суспензии свыше 40 мас.% потребляемые энергозатраты на червячном фильтр-прессе превышают допустимые пределы. Не допускается проводить переработку материала данного класса при энергозатратах более 40 кВт/час на тонну из соображений техники безопасности. Водную суспензию пигмента или пигментов перед смешением ее с суспензией нитроцеллюлозы или коллоксилина диспергировали, пропуская ее через гидродинамический аппарат. Условия диспергирования суспензии пигмента или пигментов характеризуются критерием Рейнольдса (Re_м) для перемешивания. Классический критерий Рейнольдса (Re_м) для перемешивания имеет вид
Re_м=nd²y/m,
где n - число оборотов перемешивающего органа, об/с;
d - диаметр перемешивающего органа, м;
y - плотность жидкости, кг/м³;
m - вязкость жидкости, Па•с.

(См. например, книгу, Ф.Стренк "Перемешивание и аппараты с мешалками", Л.: Химия, 1975, стр. 22-23).

Естественно, что для указанной концентрации суспензии существует оптимальный критерий Рейнольдса (Re_м) для перемешивания. С одной стороны критерий Рейнольдса (Re_м) для перемешивания должен быть таким, чтобы обеспечить диспергирование всей твердой фазы суспензии, а с другой стороны, должны быть оптимальные энергозатраты на процесс диспергирования. Диспергирование проводили при критерии Рейнольдса (Re_м) для перемешивания от 5000 до 800000. При критерии Рейнольдса (Re_м) для перемешивания менее 10000 не происходит диспергирование основной массы пигмента, часть пигмента в суспензии существует в не диспергированном или агрегатном состоянии. При критерии Рейнольдса (Re_м) для перемешивания 10000 происходит диспергирование приемлемого количества пигмента (до 92%) и минимальных энергозатратах. При критерии Рейнольдса (Re_м) для перемешивания 600000 происходит диспергирование всего пигмента при приемлемых энергозатратах. При критерии Рейнольдса (Re_м) для перемешивания более 600000 осуществляются неоправданно высокие энергозатраты.

После этого смешали две полученные суспензии между собой в смесителе и получили однородную смесь, состоящую из пигмента или пигментов и нитроцеллюлозы или коллоксилина.

Изготовили эмульсию смеси пластификатора с технологическими добавками (ТД). В качестве пластификаторов использовали, например, диоктилфталат или дибутилфталат и т.д. ТД использовали в количестве 0,01-3,0% от массы пластификатора. В качестве ТД, в частности смазок, использовали соли непредельных жирных одноосновных кислот, например соли олеиновой кислоты. ТД оказывают влияние на процесс последующей обработки, в частности на процесс отделения жидкой фазы суспензии от ее твердой фазы или смеси суспензии и на энергозатраты процесса переработки в целом. Оптимальное количество ТД, которое было подобрано в результате эксперимента - 0,05-1,0% от массы пластификатора. При количестве ТД менее 0,05% от массы нитроцеллюлозы или коллоксилина наблюдаются повышенные энергозатраты при переработке материала. При количестве ТД 0,05% - наблюдается удовлетворительное сочетание энергозатраты - качество. При количестве ТД 1,0% также наблюдается приемлемое сочетание энергозатраты - качество. При количестве ТД более 1,0% падает качество процесса отделения жидкой фазы суспензии от ее твердой фазы и получается материал повышенной влажности, которая не соответствует требуемой влажности. Использовали количество эмульсии от 2 до 60% от количества нитроцеллюлозы или коллоксилина. Подобрали оптимальное количество эмульсии - от 5 до 50% от количества нитроцеллюлозы или коллоксилина. При количестве эмульсии до 5% перерабатываемый материал имеет повышенную вязкость или жесткость, что приводит к неоправданно высоким энергозатратам более 40 кВт-ч на тонну перерабатываемой массы. При количестве эмульсии 5% имеет место удовлетворительная перерабатываемость материала и удовлетворительное ее качество по показателю влажности. При количестве эмульсии 50% имеет место отличная перерабатываемость материала и удовлетворительное ее качество по показателю влажности. При количестве эмульсии более 50% имеет место снижение вязкости материала и в связи с этим затруднен процесс отделения жидкой фазы суспензии от ее твердой фазы, т. е. материал получается повышенной влажности и не соответствует предъявляемым показателям качества.

После этого ввели полученную эмульсию в однородную смесь суспензий и произвели их смешение. Подобрали оптимальное время смешения эмульсии с однородной смесью суспензий. Время смешения смеси от 1 до 10 часов является оптимальным. Время смешения смеси определяется скоростью пластификации нитроцеллюлозы или коллоксилина пластификатором. При времени перемешивания свыше 10 часов неоправданно повышается время технологического цикла. При времени перемешивания менее 1 часа пластификация материала осуществляется не полностью, что в свою очередь отрицательно сказывается на качестве конечного продукта. При отжиме на червячном фильтр-прессе не полностью пластифицированного материала пластификатор удаляется вместе с водой. В не полностью пластифицированном материале плохо осуществляется процесс отделения жидкой фазы суспензии от ее твердой фазы и получается материал с повышенной влажностью, которая имеет низкое качество.

Процесс смешения эмульсии со смесью суспензий ведут при оптимальной температуре 10-60 градусов по Цельсию. При перемешивании смеси при температуре меньше 10 градусов по Цельсию снижается скорость процесса пластификации, не весь пластификатор взаимодействует с перерабатываемым материалом. Пластификатор выводится из технологического процесса вместе с водой, что в свою очередь отрицательно влияет на качество конечного материала. Чем выше температура смешения, тем быстрее проходит процесс пластификации. Однако при температуре свыше 60 градусов по Цельсию происходит столь быстрая пластификация нитроцеллюлозы или коллоксилина, что отверстия в капиллярах "заплывают" и внутри волокон нитроцеллюлозы или коллоксилина, которые имеют капиллярную структуру, остается "закапсулированная" влага, которая практически не удаляется. Снижается общая эффективность процесса отделения жидкой фазы суспензии от ее твердой фазы, что в свою очередь отрицательно влияет на качество конечного материала.

Затем провели отделение жидкой фазы суспензии от ее твердой фазы путем предварительного транспортирования суспензии вдоль фильтровальной поверхности и последующей ее компрессии. Транспортировку суспензии и ее компрессию осуществляли вращающимся червяком или шнеком червячного фильтр-пресса. Вращающимся червяком или шнеком транспортировали твердую фазу суспензии в зону фильеры червячного фильтр-пресса с отверстиями и произвели экструзию твердой фазы через отверстия фильеры. Затем гранулировали твердую фазу путем предварительной ее экструзии через отверстия и последующей ее резки вращающими режущими элементами.

Температура, при которой осуществляют процесс отделения жидкой фазы суспензии от ее твердой фазы, оказывает существенное влияние на процесс переработки на червячном фильтр-прессе. Оптимальная температура переработки материала на червячном фильтр-прессе 60-90 градусов по Цельсию. При температуре меньше 60 градусов по Цельсию вязкость перерабатываемого материала слишком велика и энергозатраты на единицу перерабатываемого материала превышают 40 кВт-ч/т, что запрещено по технике безопасности (может произойти самовозгорание смеси). При температуре, большей чем верхний предел - 90 градусов по Цельсию, вязкость материала слишком мала и давление в червячном фильтр-прессе не может достичь требуемой величины, готовый переработанный материал не будет соответствовать требованиям качества по показателю влажности.

Давление, при котором идет процесс отделения жидкой фазы суспензии от ее твердой фазы на червячном фильтр-прессе, является существенным фактором. Оптимальное давление, которое подобрано в результате проведенных исследований, - 0,5-0,7 МПа. При давлении меньше 0,5 МПа не происходит эффективного удаления влаги из перерабатываемого материала и получается конечный продукт низкого качества с повышенной влажностью. При давлении, большем 0,7 МПа, происходит неоправданно резкое увеличение энергозатрат, что отрицательно влияет на безопасность ведения процесса переработки материала на червячном фильтр-прессе.

Гранулировали твердую фазу путем предварительной ее экструзии через отверстия и последующей резки вращающимися режущими элементами экструзируемого материала. Получается крошка или гранулы с влажностью до 4%. Указанная влажность обусловлена следующими обстоятельствами. При влажности, большей 4%, происходит снижение качества тех материалов, где используется нитроцеллюлоза или коллоксилин. Избыток влаги приводит к некачественному внешнему виду получаемых покрытий, пленок и т.д.

Таким образом, заявляемое техническое решение "Способ получения пластифицированной и пигментированной нитроцеллюлозы или коллоксилина" обеспечивает достижение поставленной задачи и получение нового технического результата.

Изобретение относится к технологии получения нитратов целлюлозы (НЦ) в частности к способам получения пластифицированной и пигментированной нитроцеллюлозы или коллоксилина, и может быть широко использовано при изготовлении красок, лаков, пленок и других видов товаров народного потребления. Способ включает изготовление водной суспензии нитроцеллюлозы или коллоксилина, пластификацию нитроцеллюлозы или коллоксилина в присутствии технологических добавок, отделение жидкой фазы суспензии от ее твердой фазы и гранулирование твердой фазы, при этом изготавливают водную суспензию нитроцеллюлозы или коллоксилина концентрацией 2-12 мас.%, затем изготавливают вторую водную суспензию одного или нескольких диспергированных пигментов с концентрацией 10-40 мас.%, затем смешивают изготовленные суспензии между собой и получают однородную смесь, после этого получают смесь пластификатора с технологическими добавками, причем технологические добавки используют в количестве 0,05-1,0% от массы пластификатора, изготавливают эмульсию полученной смеси с содержанием пластификатора от 5 до 50 мас.% от массы нитроцеллюлозы или коллоксилина, после этого вводят полученную эмульсию в смесь суспензий и перемешивают полученную смесь в течение 1-10 ч при температуре 10-60°С до ее однородности, отделение жидкой фазы суспензии от твердой фазы осуществляют путем предварительного транспортирования суспензии вдоль фильтровальной поверхности и последующей ее компрессии, а гранулирование твердой фазы осуществляют путем предварительной ее экструзии через отверстия на червячном фильтр-прессе и последующей ее резки, при этом отделение жидкой фазы суспензии от ее твердой фазы и гранулирование ведут при давлении 0,5-7 МПа, температуре 60-90°С и влажности получаемых гранул до 4%. Суспензию пигментов перед смешением ее с суспензией нитроцеллюлозы или коллоксилина диспергируют при критерии перемешивания Re_м = 10000-600000, пропуская суспензию через гидродинамический аппарат. В качестве технологических добавок используют соли непредельных жирных одноосновных кислот, например соли олеиновой кислоты. Способ позволяет расширить арсенал технических средств для способов получения пластифицированной и пигментированной нитроцеллюлозы или коллоксилина. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ получения пластифицированной и пигментированной нитроцеллюлозы или коллоксилина, включающий приготовление водной суспензии нитроцеллюлозы или коллоксилина и водной эмульсии пластификатора с технологическими добавками, их смешение и отделение жидкой фазы от ее твердой фазы, отличающийся тем, что готовят водную суспензию нитроцеллюлозы или коллоксилина с концентрацией 2-12 мас. % и дополнительно водную суспензию одного или нескольких пигментов с концентрацией 10-40 мас.% с последующим ее диспергированием при критерии перемешивания Рейнольдса 10000-600000, пропуская суспензию через гидродинамический аппарат, а затем смешением полученных суспензий до однородной смеси, при этом эмульсию смеси пластификатора с технологическими добавками готовят с содержанием пластификатора 5-50 мас.% от массы нитроцеллюлозы или коллоксилина и технологических добавок в количестве 0,05-1,0 мас.% от массы пластификатора, причем в качестве технологических добавок используют соли непредельных одноосновных жирных кислот, смешение проводят в течение 1-10 ч при температуре 10-60°С, а отделение жидкой фазы от твердой осуществляют на червячном фильтр-прессе при давлении 0,5-7 МПа и температуре 60-90°С путем предварительного транспортирования суспензии вдоль фильтровальной поверхности с последующей ее компрессией и гранулирования твердой фазы путем предварительной экструзии через отверстия с последующей резкой вращающимися режущими элементами, при этом влажность полученных гранул до 4%. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве технологических добавок используют соли олеиновой кислоты, а в качестве пластификатора - дибутилфталат или диоктилфталат.