СПОСОБ КАПСУЛИРОВАНИЯ СУБМИКРОННЫХ ЧАСТИЦ ПОЛИМЕРОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2022 года по МПК B01J13/04 C08J3/12 C08J3/28 B05D1/04 

Данные изобретения относятся к материаловедению, а именно к способу и устройству капсулирования субмикронных частиц и могут быть использованы, как для получения наполнителей полимерных композитных материалов, так и капсулированных частиц для медицинского назначения, сельского хозяйства, печатной промышленности и пр.

Известные аналоги способа капсулирования субмикронных частиц полимером основаны:

- на способе получения полимерного покрытия (капсулирования) наночастиц [Патент US US 7537803B2, МПК B05D 7/00, C08J 7/16, B01J 19/10, B29B 9/08 Polymer coating/encapsulation of nanoparticles using a supercritical antisolvent process. Заявители: Yulu Wang,Robert Pfeffer, Rajesh Dave. Патентообладатель: New Jersey Instut. of Technol. Заявл.: 7.04.2004. Опубл.: 1.09.2005]. Суть изобретения заключается в том, что для получения наночастиц, капсулированных полимером, используется сверхкритическая жидкость, например сверхкритическая жидкость диоксида углерода (CO₂), которую добавляют к раствору полимера с органическим растворителем, в котором суспендированы нерастворимые наночастицы. Процесс нанесения покрытия состоит в том, что сверхкритическую жидкость и суспензию, содержащую наночастицы, смешивают, чтобы вызвать осаждение взвешенных наночастиц в виде наночастиц с покрытием. Устройство реализующее способ получения полимерного покрытия (капсулирования) наночастиц содержит систему подачи сверхкритической жидкости, систему доставки раствора и, по меньшей мере, один сосуд высокого давления, объемом 1000 мл. Система подачи сверхкритической жидкости CO₂ своими входами соединена соответственно с выходами контейнера для хранения CO₂, также насоса и средства нагрева. Кроме того, система доставки раствора полимера соединена с насосом высокого давления, вход которого соединен с контейнером для хранения раствора. Емкость высокого давления соединена с фильтром и капиллярной трубкой.

- на способе получения композитных наночастиц и нанокапсул [Патент US 6602932 B2, МПК C08K 9/00,523/201, 523/205, 523/210, 523/216, 523/217 Nanoparticle composites and nanocapsules for guest encapsulation and methods for synthesizing same: Daniel L. Felheim, Stella M. Marinakos, David A. Shultz. Патентообладатель: North Carolina State University. Заявл.: 15.12.2000. Опубл.: 22.08.2002]. Суть изобретения заключается в том, что мономер полимеризуют на поверхности наночастиц и создают композитные наночастицы. Устройство, реализующее способ получения композитных наночастиц и нанокапсул содержит пористую мембрану, с одной стороны которой размещена камера для наночастиц, с другой стороны которой размещена емкость с мономером, выход которой подключен к входу камеры полимеризации, второй вход которой подключен к вакуумному насосу.

- на способе получения порошка полимера в плазме высокочастотного разряда [Х. Ясуда Полимеризация в плазме. Пер. с англ. - М. : Мир, 1988 год. - 376 с.]. Суть этого способа заключается в том, что полимеризацию мономера с образованием порошкообразного полимерного материала осуществляют в плазме высокочастотного разряда. Устройство, реализующее способ получения порошка полимера в плазме высокочастотного разряда содержит источник газа-носителя, источник и/или источники мономеров и/или смесей мономеров, реактор, разрядную камеру, источник высокочастотного напряжения;

- на способе получения порошка капсулированного полимерного материала [Патент РФ на изобретение №2470956, C08J 3/12, C08J 3/28, C08J 9/14, C08J 9/00, B05D 1/04, B05C 3/00, B82Y99/00, Способ получения порошка капсулированного полимерного материала (варианты) и устройство для его реализации (варианты). Заявитель и патентообладатель Казан. нац. исслед.. техн. ун-т им. А.Н. Туполева. Опубл. 22.06.2012.]. Суть способа заключается в формирование первого двухфазного потока нано- или микрочастиц и второго двухфазного потока частиц, заряд частиц и заряд и диспергирование нано- или микрочастиц, смешение нано- или микрочастиц со вторым двухфазным потоком заряженных частиц и последующее отделение конечного продукта от продуктов реакции и газа-носителя. Первый вариант способа характеризуется тем, что формируют второй двухфазный поток частиц мономера и/или смеси мономеров, затем одновременно осуществляют заряд частиц мономера и/или смеси мономеров и заряд и диспергирование нано- или микрочастиц, причем все частицы мономера и/или мономеров заряжают в газовом разряде одинаковым, но противоположным по знаку относительно нано- или микрочастиц, зарядом требуемой величины, затем одновременно осуществляют смешение первого двухфазного потока заряженных нано- или микрочастиц со вторым двухфазным потоком заряженных противоположным по знаку зарядом частиц мономера и/или мономеров и осаждение частиц мономера и/или мономеров на заряженных противоположным по знаку зарядом нано- или микрочастицах и формируют слой мономера на поверхности отдельных нано- или микрочастиц, и осуществляют полимеризацию слоя мономера на поверхности нано- или микрочастиц, полученный порошок капсулированного полимерного материала, находящийся в многофазном газовом потоке отделяют от продуктов реакции и газа-носителя. Устройство, реализующее способ получения порошка капсулированного полимерного материала содержит источник газа-носителя, который через регулятор скорости потока подсоединен к первому входу первого газового тракта, ко второму входу первого газового тракта через устройство ввода частиц мономера подсоединен резервуар для мономера и/или смеси мономеров, выход первого газового тракта подсоединен к первому входу первой разрядной камеры, к электродам первой разрядной камеры подсоединен первый регулируемый источник тока разряда, источник газа-носителя для нано- или микрочастиц через регулятор скорости потока второго газа-носителя подсоединен к первому входу второго газового тракта, ко второму входу второго газового тракта через устройство ввода нано или микрочастиц и/или их конгломератов подсоединен резервуар для нано или микрочастиц и/или их конгломератов, выход второго газового тракта подсоединен к первому входу второй разрядной камеры, к электродам второй разрядной камеры подсоединен второй регулируемый источник тока разряда, выходы первой и второй разрядных камер соединены с камерой смешения. Рассмотренный способ и устройство для его реализации выбраны в качестве прототипа способа и устройства получения порошка капсулированного полимерного материала.

Приведенные в качестве прототипов способ и, реализующее этот способ, устройство получения порошка капсулированного полимерного материала (варианты) и устройство для его реализации (варианты) имеют ряд недостатков. Основными недостатками являются:

- низкая эффективность отделения капсулированного полимерного материала от продуктов реакции и газа-носителя. Под эффективностью отделения капсулированного полимерного материала подразумевают, что удается отделить от газового потока лишь незначительную часть капсулированных частиц. Большая часть капсулированных частиц уносится газовым потоком. Причиной этому является низкая скорость витания субмикронных частиц. Например, для субмикронных частиц оксида алюминия (смесь δ и θ, диапазон размеров 40÷190 нм, распределение по размерам - нормальное, производитель «Plasmotherm», Product number: PL1344281) скорость витания составляет ~10^-3 м/с [И. М. Разумов. Пневмо- и гидротранспорт в химической промышленности. - Химия, 1979. - 248 с.]. При этом эффективность существующих систем отделения субмикронных частиц от потока газа оказывается низкой [Алиев, Г.М. Техника пылеулавливания и очистка промышленных газов: Справочник / Г.М. Алиев. - М.: Металургия, 1986. - 544 с; Ужов, В.Н.Очистка промышленных газов электрофильтрами / В.Н. Ужов. - М.: Химия, 1967. - 344 c].

- принципиальная невозможность изменять толщину полимерной оболочки на поверхностях субмикронных частиц. Причиной этого является ограниченное время полимеризации мономера на поверхностях субмикронных, обусловленное высокой скоростью пролета частиц в многофазном газовом потоке камеры полимеризации.

Техническая проблема заключается в повышении эффективности отделения капсулированного полимерного материала от продуктов реакции и газа-носителя и обеспечении возможности изменения толщины полимерной оболочки на поверхностях субмикронных частиц.

Технический результат предлагаемого способа капсулирования субмикронных частиц полимером и устройства его реализующего заключается в повышении эффективности отделения капсулированного полимерного материала от продуктов реакции и газа-носителя за счет осаждения капсулированного полимерного материала в дистиллированную воду и осуществления полимеризации мономера стирола на поверхностях субмикронных частиц путем инициирования радикальной полимеризации за счет нагрева дистиллированной воды до температуры не ниже 85°C и не выше 100°C, а также перемешивания суспензии в течение не менее 4 часов.

Технический результат способа капсулирования субмикронных частиц полимером, в котором осуществляют формирование первого двухфазного потока субмикронных частиц, второго потока частиц мономера, заряд и диспергирование одновременно субмикронных частиц и заряд частиц мономера, причем частицы мономера заряжают противоположным по знаку зарядом относительно знака заряда субмикронных частиц, смешение первого двухфазного потока субмикронных частиц с потоком частиц мономера, осаждение мелкодисперсных частиц мономера на поверхности субмикронных частиц, отделение капсулированных частиц от газа носителя и исходных продуктов, достигается тем, что первый двухфазный поток субмикронных частиц формируют за счет того, что получают устойчивую взвесь субмикронных частиц в газе в замкнутом объеме, на вход которого подают газ носитель, и на выходе которого получают первый двухфазный поток субмикронных частиц, температура которых совпадает с температурой окружающей среды (18÷30)°C, а расход первого двухфазного потока субмикронных частиц устанавливают за счет изменения концентрации субмикронных частиц в их взвеси в газе, одновременно с первым двухфазным потоком субмикронных частиц формируют второй поток частиц мономера, за счет того, что используют жидкий мономер стирола и осуществляют испарение стирола за счет его нагрева до температуры кипения мономера стирола, и формируют второй поток мелкодисперсных частиц мономера стирола, температура которых выше температуры субмикронных частиц, затем после заряда, диспрегирования одновременно субмикронных частиц и частиц мономера, а также осаждения мелкодисперсных частиц мономера на поверхности субмикронных частиц получают слой мономера на поверхностях субмикронных частиц, требуемую толщину которого обеспечивают путем подбора расхода субмикронных частиц, затем осаждают субмикронные частицы со слоем мономера на их поверхностях в дистиллированную воду, температура которой не ниже 85°С и не выше 100°C и отделяют капсулированные субмикронные частицы от продуктов реакции и газа-носителя, затем осуществляют полимеризацию мономера стирола на поверхностях субмикронных частиц путем перемешивания получившегося раствора в течение не менее 4 часов при температуре 90±5°С и получают водный раствор субмикронных частиц, капсулированных полистиролом.

Предложенный способ капсулирования субмикронных частиц полимером, возможно реализовать посредством устройства капсулирования субмикронных частиц полимером.

Технический результат в устройстве капсулирования субмикронных частиц полимером, содержащем источник газа-носителя, выход которого подсоединен к входу газового тракта, выход которого подсоединен к редуктору газа, резервуар для конгломератов субмикронных частиц, выход которого подсоединен к входу первой разрядной камеры, к электродам которой подсоединен выход первого регулируемого источника тока разряда, второй регулируемый источник тока разряда, выход которого подсоединен к электродам второй разрядной камеры, камеру смешения, к первому и второму входам которой подсоединены выходы первой и второй разрядных камер соответственно, достигается тем, что выход газового тракта подсоединен к входу резервуара для конгломератов субмикронных частиц, который дополнительно содержит мембрану, расположенную в основании резервуара на подвижной части электромагнита, к входу которого подключен генератор колебаний с регулировкой частоты и амплитуды колебаний, также дополнительно содержит испаритель для жидкого мономера, к которому подсоединен первый регулируемый источник напряжения, выход испарителя для жидкого мономера соединен с входом второй разрядной камеры, а выход камеры смешения расположен над емкостью для дистиллированной воды, в которой расположен нагревательный элемент, вход которого подсоединен к выходу второго регулируемого источника напряжения, а также перемешивающая лопатка.

Устройство капсулирования субмикронных частиц полимером, блок-схема которого изображена на фиг. 1, содержит источник газа-носителя 1, представляющий собой газовый баллон, к которому подсоединен редуктор газа 2, выход которого соединен с входом резервуара для конгломератов субмикронных частиц 3, представляющий собой цилиндрическую емкость, в основании которой расположена мембрана 4, представляющая собой плоский лист или пленку, которая закреплена на подвижной части электромагнита 5, который подсоединен к генератору колебаний с регулировкой частоты и амплитуды колебаний 6, например, ГЗ-118, выход резервуара для конгломератов субмикронных частиц 3 соединен с первым входом первой разрядной камеры 7, ко второму входу которой подсоединен выход первого регулируемого источника тока разряда 8, представляющий собой высоковольтный источник постоянного тока ПЛАЗОН ИНВР-50/5, выход первой разрядной камеры 7 соединен с первым входом камеры смешения 9, представляющей собой усеченный конус, испаритель для жидкого мономера 10, представляющей собой замкнутую емкость, в которой расположен нагревательный элемент 11, выполненный в виде спирали из нихрома, соединенной с первым регулируемым источником напряжения 12, выход испарителя для жидкого мономера 10 соединен с первым входом второй разрядной камеры 13, представляющей собой систему игольчатого и плоского электродов, к которым подсоединен второй регулируемый источник тока разряда 14, представляющий собой высоковольтный источник постоянного тока ПЛАЗОН ИНВР-50/5, выход второй разрядной камеры 13 соединен со вторым входом камеры смешения 9, выход которой расположен над емкостью для дистиллированной воды 15, в которой расположен нагревательный элемент 16, выполненный в виде спирали, например, из нихромовой проволоки, помещенной в плоский защитный алюминиевый кожух, расположенный на дне емкости для дистиллированной воды 15, спираль подключена к выходу регулируемого источника напряжения 17, например, Mestek DP305, внутри емкости для дистиллированной воды 15 размещена перемешивающая лопатка 18, выполненная в виде магнита, помещенного во фторопластовую оболочку.

Рассмотрим осуществление способа капсулирования субмикронных частиц полимером, схема устройства для реализации которого приведена на фигуре 1.

В устройстве капсулирования субмикронных частиц полимером в резервуар для конгломератов субмикронных частиц 3 через редуктор 2 подают газ-носитель. Химический состав газа-носителя выбирают таким образом, чтобы газ-носитель не вступал в химическую реакцию с атомами или молекулами на поверхностях исходных субмикронных частиц, а также, чтобы обеспечить высокую эффективность заряда и диспергирования конгломератов субмикронных частиц. Например, в качестве газа-носителя может быть использован Аргон (Ar), азот (N₂) [Патент РФ на изобретение №2470956, C08J 3/12, C08J 3/28, C08J 9/14, C08J 9/00, B05D 1/04, B05C 3/00, B82Y99/00, Способ получения порошка капсулированного полимерного материала (варианты) и устройство для его реализации (варианты). Заявитель и патентообладатель Казан. нац. исслед.. техн. ун-т им. А.Н. Туполева. Опубл. 22.06.2012; Энциклопедия нзкотемпературной плазмы. Т. 2. Генерация плазмы и газовые разряды; Диагностика и метрология плазменных процессов. / Под ред. В.Е. Фортова. - М.: Наука/Интерпериодика, 2000. - 634 с.] или воздух [Akhmadeev A.A., Bogoslov E.A., Kuklin V.A., Danilaev M.P., Klabukov M.A. Influence of the thickness of a polymer shell applied to surfaces of submicron filler particles on the properties of polymer compositions // Mechanics of Composite Materials. - 2020. - Vol. 56. - №2. - P.241-248]. Скорость подачи газа-носителя регулируют с помощью редуктора 2. Причем скорость подачи выбирают таким образом, чтобы скорость двухфазного потока конгломератов субмикронных частиц на входе в первую разрядную камеру 7 была достаточной для эффективного заряда и диспергирования этих конгломератов. Резервуар для конгломератов субмикронных частиц 3 выполнен в виде металлического, например, стального, цилиндра. В верхней части этого цилиндра предусмотрена съемная сплошная крышка из этого же материала, необходимая для засыпки конгломератов субмикронных частиц. Дно резервуара для конгломератов субмикронных частиц 3 представляет собой мембрану 4, в виде плоского листа или пленки. Мембрана 4 является диффузором динамика [Патент РФ на изобретение №2692096, H04R 7/12, Универсальный динамик. Заявитель и патентообладатель: Саундфанко ЛТД. Опубл. 21.06.2019. Бюл. №18], в котором мембрана 4 закреплена к подвижной части электромагнита 5, который подсоединен к генератору колебаний с регулировкой частоты и амплитуды колебаний 6, например, ГЗ-118 [https://www.astena.ru/g3-118.html]. Таким образом, изменяя частоту и амплитуду выходных колебаний на генераторе ГЗ-118 обеспечивают изменение плотности взвеси конгломератов субмикронных частиц в резервуаре для конгломератов субмикронных частиц 3 [Данилаев М.П., Дорогов Н.В., Карамов Ф.А., Куклин В.А., Пушкарева А.В. Исследование характеристик устройства, формирующего низкоскоростной двухфазный газовый поток с твердыми частицами субмикронного размера // Научно-технический вестник Поволжья. 2019. №3. С. 74-77]. Это позволяет регулировать расход субмикронных частиц на входе в камеру смешения 9, и, за счет этого, изменять толщину полимерной оболочки на поверхностях субмикронных частиц. Следует отметить, что толщина полимерной оболочки на поверхностях субмикронных частиц влияет на механические свойства полимерных композитов, полученных путем введения капсулированных частиц в полимерную матрицу, например, путем перемешивания [Bogomolova O.Y., Biktagirova I.R., Danilaev M.P., Klabukov M.A., Polsky Y.E., Tsentsevitsky A.A., Pillai S. Effect of adhesion between submicron filler particles and a polymeric matrix on the structure and mechanical properties of epoxy-resin-based compositions// Mechanics of Composite Materials. 2017. Vol. 53. №1. Pp. 117-122]. Так, например, при толщинах полимерной (полистирол) оболочки на поверхностях субмикронных частиц оксида алюминия до 10 нм увеличивается максимальная деформация, уменьшаются твердость по Мартенсу и модуль Юнга композиции АБС (акрилонитрил-бутадиен-стирол) пластика [Akhmadeev A.A., Bogoslov E.A., Kuklin V.A., Danilaev M.P., Klabukov M.A. Influence of the thickness of a polymer shell applied to surfaces of submicron filler particles on the properties of polymer compositions // Mechanics of Composite Materials. - 2020. - Vol. 56. - №2. - P. 241-248]. Таким образом, для повышения вышеприведенных механических свойств АБС пластика требуемая толщина слоя мономера на поверхностях субмикронных частиц оксида алюминия должна составлять не более 10 нм.

Поток газа-носителя, подаваемый в резервуар для конгломератов субмикронных частиц 3 через отверстие в его стенке, завлекает взвешенные конгломераты субмикронных частиц и через сквозное отверстие в стенке резервуара для конгломератов субмикронных частиц, расположенное напротив входного отверстия для ввода газа-носителя, подает конгломераты субмикронных частиц в первую разрядную камеру 7.

Первая разрядная камера 7 представляет собой два электрода (плоский электрод и игольчатый электрод), расположенные друг напротив друга [Верещагин, И.П. Основы электрогазодинамики дисперсных систем / И.П. Верещагин, В.И. Левитов, Г.З. Мирзабекян. - М.Наука, 1974. - 480 с]. На эти электроды от первого регулируемого источника тока разряда 8, представляющий собой высоковольтный источник постоянного тока ПЛАЗОН ИНВР-50/5, подают величину напряжения и тока таким образом, чтобы реализовать коронный газовый разряд [Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Т. 2. Генерация плазмы и газовые разряды; Диагностика и метрология плазменных процессов. / Под ред. В.Е. Фортова. - М.: Наука / Интерпериодика, 2000. - 634 с.]. Максимальная величина заряда конгломератов субмикронных частиц прямопропорциональна напряженности электрического поля в первой разрядной камере 7, а знак заряда частиц совпадает со знаком потенциала на игольчатом электроде [Верещагин И.П. Коронный разряд в аппаратах электроионной технологии. М. Энергоатомиздат. 1985. - 157 c.]. За счет заряда конгломератов субмикронных частиц обеспечивают их диспергирование и формирование двухфазного потока субмикронных частиц, которые подают из выхода первой разрядной камеры 7 в первый вход камеры смешения 9. За счет того, что электростатические силы отталкивания между отдельными субмикронными частицами в заряженном конгломерате превышают вандерваальсовские силы взаимодействия, заряженные конгломераты субмикронных частиц диспергируют на отдельные субмикронные частицы.

1. Испаритель для жидкого мономера 10 выполнен например в виде емкости с одним выходом для паров мономера [Патент РФ на изобретение №2714608 МПК A24F 47/00 Испаритель для системы, генерирующей аэрозоль, и способ испарения. Авторы: Бессан М., Дюк Ф., Эллоит З., Эмметт Р., Остади Х., Филлипс Ш., Ренфрю Б., Сааде Латорре, Али С. Патентообладатель: ФИЛИП МОРРИС ПРОДАКТС С.А.. Опубл.: 18.02.2020. Бюл. №5]. В емкости размещают жидкий мономер стирол, испарение которого приводит к образованию аэрозоля стирола. В качестве нагревательного элемента 11 используют высокоомную спираль, например, из нихромовой проволоки, помещенную в полую металлическую спиралевидную трубку, заполненную порошком оксида магния [Патент РФ на изобретение №163119 МПК H05B3/48 Трубчатый электрический нагревательный элемент. Авторы: Анна Николаиду. Патентообладатель: Волкаст Лимитед. Опубл.: 10.07.2016]. Спираль своими выходами соединена с первым регулируемым источником напряжения 12, выполненным например по схеме, приведенной в [Авторское свидетельство на изобретение SU 1246222 МПК H02M 3/355 Регулируемый источник напряжения. Авторы: И.П. Архиереев, М.М. Глибицкий, М.В. Готлибович, О.И. Данилевич, В.М. Шурапей; Харьковский политехнический институт. Опубл.: 23.07.1986. Бюл. №27]. За счет нагрева жидкого мономера, например, стирол, на выходе испарителя для жидкого мономера 10 формируют поток мелкодисперсных частиц мономера стирола. Причем температура мелкодисперсных частиц мономера выше температуры субмикронных частиц. Это достигается за счет нагрева жидкого мономера, например, стирол, в испарителе для жидкого мономера 10. Следует отметить, что температура кипения жидкого момномера стирола составляет 145°С при нормальных условиях [Энциклопедия полимеров. Т. 3. / Под ред. В.А. Кабанова. - М.: Советская энциклопедия, 1977. - 1150 с.].

Выход испарителя для жидкого мономера 10 подсоединен к первому входу второй разрядной камеры 13, представляющей собой систему игольчатого и плоского электродов, выполненных по коаксиальной схеме [Верещагин И.П. Коронный разряд в аппаратах электроионной технологии. М. Энергоатомиздат. 1985. - 157 c.]. К электродам подключен второй регулируемый источник тока разряда 14, представляющий собой высоковольтный источник постоянного тока ПЛАЗОН ИНВР-50/5 [http://plazon.ru/supplys/]. Напряжение на выходе второго регулируемого источника тока 14 подбирают таким образом, чтобы реализовать коронный разряда во второй разрядной камере 13. В поле коронного разряда мелкодисперсные частицы стирола заряжаются, что приводит к их диспергированию - уменьшению их размеров - и, как следствие, к гомогенизации потока мелкодисперсных частиц мономера. Причем знак заряда частиц совпадает со знаком потенциала на игольчатом электроде. Знак потенциала на игольчатом электроде второй разрядной камеры 13 выбирают, например, положительным. Частицы мономера и конгломераты субмикронных частиц заряжают противоположными по знаку зарядами.

Выход второй разрядной камеры 13 соединен со вторым входом камеры смешения 9. Камера смешения 9 может быть выполнена по любой из схем, приведенных, например, в [Данилаев М.П., Михайлов С.А., Польский Ю.Е., Файзуллин К.В. Сопоставительный анализ камер смешения двух многофазных потоков противоположно заряженных частиц // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2012. №2. С. 69-71]. Камера смешения 9 выполнена из металла, например, сталь, и имеет геометрическую форму усеченного конуса, обращенного к емкости для дистиллированной воды 15 меньшим своим основанием. Первый и второй входы камеры смешения 9 расположены друг напротив друга на одном уровне по высоте.

За счет того, что температура мелкодисперсных частиц мономера выше температуры субмикронных частиц, а также за счет кулоновских сил взаимодействия между заряженными противоположными по знаку зарядами частицами мономера и диспергированными субмикронными частицами осуществляют осаждение частиц мономера на поверхности субмикронных частиц, в результате чего формируют слой мономера на поверхности отдельных субмикронных частиц.

Окончательную полимеризация стирола на поверхностях субмикронных частиц осуществляют в воде, нагретой до температуры выше 85°C [Энциклопедия полимеров // Гл. ред. В.А. Каргин. Т. 1-3 - М., «Советская Энциклопедия», 1972г.]. Для этого субмикронные частицы со слоем стирола на их поверхностях осаждают в емкость для дистиллированной воды 15, заполненной дистиллированной водой. Емкость может быть выполнена, например, из металла алюминия и иметь произвольную геометрическую форму, например, цилиндр. Дно емкости для дистиллированной воды 15 представляет собой нагревательный элемент 16, выполненный в виде высокоомной спирали, например, из нихромовой проволоки, помещенной в плоский защитный алюминиевый кожух, и изолированной от него электрически посредством керамических вставок [Патент РФ на изобретение №2592018 МПК A47J27/00 Устройство для нагрева жидкости. Авторы: Доброхотов Ю.Н., Иванщиков Ю.В., Чубаров Е.Ю. Патентообладатель: ФГБОУ ВО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия». Опубл.: 20.07.2016. Бюл. №20]. Емкость для дистиллированной воды 15 размещается сразу над камерой смешения 9, непосредственно над меньшим основанием конуса усеченной пирамиды. Нагревательный элемент 16 подключен к выходу второго регулируемого источника напряжения 17, например, Mestek DP305 [https://supereyes.ru/catalog/laboratornye_bloki_pitaniya/mestek_dp305/]. Внутри емкости для дистиллированной воды 15 размещена перемешивающая лопатка 18, выполненная в виде магнита, помещенного во фторопластовую оболочку [https://almamed.su/category/magnity-dlya-meshalki/?roistat=google9_g_100496733016_431000291209_%2B%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D1%8B%20%2B%D0%B4%D0%BB%D1%8F%20%2B%D0%BC%D0%B5%D1%88%D0%B0%D0%BB%D0%BE%D0%BA&roistat_referrer=&roistat_pos=&gclid=CjwKCAjwh7H7BRBBEiwAPXjadsIxem9KpjIbVIypMOtBXLQR-85DJ6bX1OH-7dvnRnJJ7YIthI1EABoCLKEQAvD_BwE]. При этом, емкость для дистилированной воды 15 размещается на магнитной мешалке, например MR Hei-Tec [https://heidolph-rus.ru/magnitnye-meshalki/mr-hei-tec] и, таким образом, осуществляется перемешивание раствора субмикронных частиц со слоем стирола на их поверхностях в дистиллированной воде. За счет этого реализуют полимеризацию стирола на поверхностях субмикронных частиц в течение не менее 4 часов. Из опытов, приведенных например, в работе [Вольфсон С.А., Кулезнев В.Н., Малкин А.Я. Физико-химические основы получения и переработки. 1975. М.: Химия. 288 с.], а также, например, в работе [Akhmadeev A.A., Bogoslov E.A., Kuklin V.A., Danilaev M.P., Klabukov M.A. Influence of the thickness of a polymer shell applied to surfaces of submicron filler particles on the properties of polymer compositions // Mechanics of Composite Materials. - 2020. - Vol. 56. - №2. - P. 241-248] известно, что этого времени достаточно для образования полистирольной оболочки требуемой толщины В качестве катализатора реакции радикальной полимеризации, например, стирола возможно использовать катализаторы Циглера-Натта, например, TiCl₄-Al(C₂H₅)₃. Типичными катализаторами реакции катионной полимеризации являются протонные кислоты (H₂SO₄, H₃PO₄, HCl и др.) и координационные комплексы кислот Льюиса [Энциклопедия полимеров// Гл. ред. В.А. Каргин. Т. 1-3 - М., «Советская Энциклопедия», 1972 г.].

Следует отметить, что только при приведенных ниже пределах возможно достижение технического результата заявляемого способа:

- температура дистиллированной воды не ниже 85°C и не выше 100°C. Это обусловлено тем, что радикальная полимеризация стирола, вызванная температурой, интенсивно протекает, начиная с 85±5°C.

Дополнительным преимуществом заявляемого способа капсулирования субмикронных частиц полимером и устройства для его реализации является возможность изменять толщину полимерной оболочки на поверхностях субмикронных частиц.

Предлагаемый способ капсулирования субмикронных частиц полимером и устройства для его реализации по сравнению с прототипом имеет технический результат, который заключается в том, что повышается эффективность отделения капсулированных полимером субмикронных частиц от газа-носителя и продуктов реакции за счет того осаждения капсулированного полимерного материала в дистиллированную воду и осуществления полимеризации мономера стирола на поверхностях субмикронных частиц путем инициирования радикальной полимеризации за счет нагрева дистиллированной воды до температуры не ниже 85°C и не выше 100°C а также перемешивания суспензии в течение не менее 4 часов.

Группа изобретений относится к материаловедению, а именно к способу и устройству капсулирования субмикронных частиц, и может быть использована как для получения наполнителей полимерных композитных материалов, так и капсулированных частиц для медицинского назначения, сельского хозяйства, печатной промышленности. Способ капсулирования субмикронных частиц полимером включает формирование первого двухфазного потока субмикронных частиц за счет того, что получают устойчивую взвесь субмикронных частиц в газе в замкнутом объеме, на вход которого подают газ-носитель, и на выходе которого получают первый двухфазный поток субмикронных частиц, температура которых совпадает с температурой окружающей среды (18÷30)°C, а расход первого двухфазного потока субмикронных частиц устанавливают за счет изменения концентрации субмикронных частиц в их взвеси в газе, одновременно с первым двухфазным потоком субмикронных частиц формируют второй поток частиц мономера, за счет того, что используют жидкий мономер стирола и осуществляют испарение стирола за счет его нагрева до температуры кипения мономера стирола, и формируют второй поток мелкодисперсных частиц мономера стирола, температура которых выше температуры субмикронных частиц, затем после заряда, диспергирования одновременно субмикронных частиц и частиц мономера, а также осаждения мелкодисперсных частиц мономера на поверхности субмикронных частиц получают слой мономера на поверхностях субмикронных частиц в камере смешения, выполненной в виде усеченного конуса, получают слой мономера на поверхностях субмикронных частиц, требуемую толщину которого обеспечивают путем подбора расхода субмикронных частиц, затем осаждают субмикронные частицы со слоем мономера на их поверхностях в дистиллированную воду, температура которой не ниже 85°C и не выше 100°C, и отделяют капсулированные субмикронные частицы от продуктов реакции и газа-носителя, затем осуществляют полимеризацию мономера стирола на поверхностях субмикронных частиц путем перемешивания получившегося раствора в течение не менее 4 часов при температуре 90±5°C и получают водную суспензию субмикронных частиц, капсулированных полистиролом. Устройство капсулирования субмикронных частиц полимером для осуществления способа включает источник газа-носителя, выход которого подсоединен к входу газового тракта, выход которого подсоединен к редуктору газа, резервуар для конгломератов субмикронных частиц, выход которого подсоединен к входу первой разрядной камеры, к электродам которой подсоединен выход первого регулируемого источника тока разряда, второй регулируемый источник тока разряда, выход которого подсоединен к электродам второй разрядной камеры, камеры смешения, к первому и второму входам которой подсоединены выходы первой и второй разрядной камер соответственно. При этом выход газового тракта подсоединен к входу резервуара для конгломератов субмикронных частиц, дно которого представляет собой мембрану, расположенную в основании резервуара на подвижной части электромагнита, к входу которого подключен генератор колебаний с регулировкой частоты и амплитуды колебаний, также дополнительно содержит испаритель для жидкого мономера, к которому подсоединен первый регулируемый источник напряжения, выход испарителя для жидкого мономера соединен с входом второй разрядной камеры, а выход камеры смешения, выполненной в виде усеченного конуса, обращенный к емкости для дистиллированной воды меньшим своим основанием, расположен над емкостью для дистиллированной воды, в которой расположен нагревательный элемент, вход которого подсоединен к выходу второго регулируемого источника напряжения, а также перемешивающая лопатка. Технический результат предлагаемого способа капсулирования субмикронных частиц полимером и устройства, его реализующего, заключается в повышении эффективности отделения капсулированного полимерного материала от продуктов реакции и газа-носителя. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ капсулирования субмикронных частиц полимером, включающий формирование первого двухфазного потока субмикронных частиц, второго потока частиц мономера, заряд и диспергирование одновременно субмикронных частиц и заряд частиц мономера, причем частицы мономера заряжают противоположным по знаку зарядом относительно знака заряда субмикронных частиц, смешение первого двухфазного потока субмикронных частиц с потоком частиц мономера, осаждение мелкодисперсных частиц мономера на поверхности субмикронных частиц, отделение капсулированных частиц от газа-носителя и исходных продуктов, отличающийся тем, что первый двухфазный поток субмикронных частиц формируют за счет того, что получают устойчивую взвесь субмикронных частиц в газе в замкнутом объеме, на вход которого подают газ-носитель и на выходе которого получают первый двухфазный поток субмикронных частиц, температура которых совпадает с температурой окружающей среды (18÷30)°С, а расход первого двухфазного потока субмикронных частиц устанавливают за счет изменения концентрации субмикронных частиц в их взвеси в газе, одновременно с первым двухфазным потоком субмикронных частиц формируют второй поток частиц мономера, за счет того, что используют жидкий мономер стирола и осуществляют испарение стирола за счет его нагрева до температуры кипения мономера стирола, и формируют второй поток мелкодисперсных частиц мономера стирола, температура которых выше температуры субмикронных частиц, затем после заряда, диспергирования одновременно субмикронных частиц и частиц мономера, а также осаждения мелкодисперсных частиц мономера на поверхности субмикронных частиц в камере смешения, выполненной в виде усеченного конуса, получают слой мономера на поверхностях субмикронных частиц, требуемую толщину которого обеспечивают путем подбора расхода субмикронных частиц, затем осаждают субмикронные частицы со слоем мономера на их поверхностях в дистиллированную воду, температура которой не ниже 85°С и не выше 100°С, и отделяют капсулированные субмикронные частицы от продуктов реакции и газа-носителя, затем осуществляют полимеризацию мономера стирола на поверхностях субмикронных частиц путем перемешивания получившейся суспензии в течение не менее 4 часов при температуре 90±5°С и получают суспензию субмикронных частиц, капсулированных полистиролом, в воде.

2. Устройство капсулирования субмикронных частиц полимером для реализации способа по п.1, содержащее источник газа-носителя, выход которого подсоединен к входу газового тракта, выход которого подсоединен к редуктору газа, резервуар для конгломератов субмикронных частиц, выход которого подсоединен к входу первой разрядной камеры, к электродам которой подсоединен выход первого регулируемого источника тока разряда, второй регулируемый источник тока разряда, выход которого подсоединен к электродам второй разрядной камеры, камеру смешения, к первому и второму входам которой подсоединены выходы первой и второй разрядных камер соответственно, отличающееся тем, что выход газового тракта подсоединен к входу резервуара для конгломератов субмикронных частиц, дно которого представляет собой мембрану, расположенную на подвижной части электромагнита, к входу которого подключен генератор колебаний с регулировкой частоты и амплитуды колебаний, также дополнительно содержит испаритель для жидкого мономера, к которому подсоединен первый регулируемый источник напряжения, выход испарителя для жидкого мономера соединен с входом второй разрядной камеры, а выход камеры смешения, выполненной в виде усеченного конуса, обращенного к емкости для дистиллированной воды меньшим своим основанием, расположен над емкостью для дистиллированной воды, а в емкости для дистиллированной воды расположен нагревательный элемент, вход которого подсоединен к выходу второго регулируемого источника напряжения, а также перемешивающая лопатка.