Способ проведения физико-химической реакции, в котором кристаллический или аморфный материал дробят или размалывают

 

Изобретение относится к способу осуществления физико-химических реакций, в котором кристаллический или аморфный материал А дробят или размалывают. В способе согласно изобретению, как только образуется новая поверхность излома, она немедленно приводится в контакт с окружающей средой V1, физико-химические свойства которой выбраны так, чтобы образовалась прочная связь или соединение между поверхностью излома и молекулами окружающей среды, по крайней мере одна молекула названной связи или соединения пригодна для дальнейшей обработки: дробления или размалывания материала - в другой окружающей среде V2, причем физико-химические свойства окружающей среды VI, кроме того, выбраны так, чтобы предотвратить появление компонентов, неблагоприятных для последующей стадии обработки: дробления или размалывание материала - при получении поверхности излома. 9 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к способу проведения физико-химической реакции, в котором кристаллический или аморфный материал А дробят или размалывают.

Практически для всех материалов поверхность является очень важной частью материала. Можно даже сказать, что остальная часть материала служит просто как структура, поддерживающая поверхность.

Типичным примером являются порошки и волокна, в которых отношение прочность/масса увеличивается непрерывно с увеличением площади поверхности волокна, то есть с уменьшением его диаметрa.

В керамике и прочих материалах маленький размер зерна представляет величайшую важность, то есть соотношение высокая поверхностная площадь/масса.

В твердых веществах все химические реакции и физические адгезии всегда происходят на поверхности.

Поэтому были разработаны различные техники помола, с целью получения более и более маленьких размеров частиц, то есть большего соотношения площадь поверхности/масса.

Поверхности имеют многочисленные свойства, все они являются не обязательно положительными или желаемыми одновременно, принимая во внимание подразумеваемое использование.

Самое обычное образование поверхностного слоя, происходящее при обработке материала, происходит спонтанно и даже таким образом, что его трудно предотвратить. Это обычно происходит из-за молекул, присутствующих в воздухе, особенно кислорода, осаждающихся на вновь сформированной поверхности слоем из несколько молекул. До некоторой степени поверхность является загрязненной.

В этом случае специальные свойства поверхности почти автоматически изменяются, так как она модифицируется молекулами кислорода, и свойства всех поверхностей приближаются друг к другу. Особенно это происходит во всех операциях размалывания, которые проводятся в атмосфере, соответствующей общепринятой практике.

Загрязнение вызывается молекулами воздуха, "поверхностным слоем", прилипающими к поверхности так прочно, что удаление адсорбированного воздуха с поверхности, образованной при размалывании, требует пролонгированного бомбардирования электронным лучом даже в вакууме.

Известно, что вновь сформированная поверхность более активна в реакциях, чем "старая поверхность", что типично для всех поверхностей. Это явление может быть объяснено многими способами, которые могут быть приспособлены к двум основным категориям.

1) Поверхность разлома содержит свободные незаполненные валентности.

2) Газовый слой из воздуха еще не осажден на поверхность и не образует "изоляции", загрязнение.

Химической терминологии известна концепция in statu nascendi, которая означает "в состоянии зарождения", посредством которой возможно осуществлять реакцию, адсорбцию и т.д. более быстро и эффективно, чем без этого состояния. Это то самое явление, которое представлено двумя ранее упомянутыми категориями.

Представленное изобретение относится в особенности к помолу и обработке материала, связанной с размалыванием на последующей стадии процесса.

При размалывании кристаллического, аморфного, например, стеклоподобного материала, который является хрупким и прочным, то есть размалываемым, помол является только промежуточной стадией последующего использования материала.

На протяжении долгого времени было известно, что размалывание легко воспламеняющихся порошков проводится в защитной атмосфере из-за опасности взрыва, например. Назначение защитной атмосферы только в исключении возможности взрыва, сравни с патентом Соединенных Штатов N 3937405.

Целью изобретения является разработка нового метода, который предупреждает образование неблагоприятной переходной зоны между материалом, который размалывается, и материалом поверхностного слоя или матричным материалом.

Способ изобретения, отличающийся тем, что, как только образуется новая поверхность излома, она попадает в немедленный непосредственный контакт с окружающей средой V1, физико-химические свойства которой выбраны так, чтобы образовалась прочная связь или соединение между поверхностью излома и молекулами окружающей среды, по крайней мере одна молекула названной связи или соединения адаптирована для того, чтобы подходить для дальнейшей обработки: дробления или размалывания материала в другой окружающей среде V2, где физико-химические свойства окружающей среды V1, кроме того, выбраны так, чтобы предотвратить попадание компонентов, неблагоприятных для последующей стадии обработки: дробления или размалывания материала к поверхности разлома.

Предпочтительное воплощение способа изобретения раскрыто в пунктах формулы изобретения с 2 по 9. Изобретение также касается продуктов, произведенных по способу изобретения.

Окружающей средой при размалывании является газ, жидкость или раствор. Это также может быть смесь жидкого и твердого вещества в случае, когда требуется предотвратить загрязнение воздухом во время дробления или размалывания.

Одним из примеров является дробление каменного материала бетона в водоцементной пасте или дробление асфальтовых каменных материалов в битумной смеси; в обоих случаях слабая переходная зона, вызванная загрязнением, исключается, и связь на поверхностях каменного материала улучшается.

По способу этого изобретения предпочтительно размалывать массивное тело с тем, чтобы формировалось большое количество новых поверхностей излома. Соотношение новой поверхности излома обычно от 10 до 1000 раз превышает исходную площадь поверхности и даже более.

Посредством способа изобретения требуемый материал может быть эффективно связан с материалом, который должен быть раздроблен или размолот.

Следует отметить, что, благодаря сущности процесса, раздрабливаемый материал может быть и (предпочтительно) имеет большой размер (при производстве бетона, например, от 10 до 100 мм), и производственный продукт не требует содержания исходного материала в определенных фракциях для получения хорошего конечного продукта, что важно принимать во внимание, например, при производстве бетона.

Как следствие, бетон с хорошими свойствами может быть получен, даже если он содержит каменный материал только одного определенного размера.

При производстве бетона другое преимущество исходного материала большого размера состоит в том, что легко достигнуть заранее определенной влажности, требующейся в производстве бетона.

Крое того, качество каменного материала, раздрабливаемого при производстве бетона, может быть таким, которое обычно называется "низким", то есть поверхность материала содержит достаточное количество веществ, которые не будут адгезированы в водоцементной пасте, что происходит благодаря тому обстоятельству, что даже при раздрабливании каменного материала такого качества получено большое количество новой поверхности излома, на которой в водоцементной пасте адгезия происходит хорошо.

Можно даже предположить, что пыль, наличие которой обычно находят неблагоприятной при дроблении каменных материалов наполнителя, является преимуществом в способе изобретения в виде содержания избытка новой поверхности излома, используемой при образовании сильных требуемых связей.

Пример 1. Волластонит был размолот для того, чтобы использовать его как наполняющий порошок в полистироловом пластике. С этой целью из мельницы был выкачан воздух до давления ниже 1 м ртутного столба перед тем, как размалываемый материал был подан в камеру мельницы, и газ стирен, который был окружающей средой процесса помола, был введен в камеру при нормальном давлении.

После размалывания вновь сформированная поверхность имела стиреновый поверхностный слой, который должен был реагировать с полистиреновой матрицей, с которой размолотый, покрытый оболочкой продукт был затем приведен в контакт. Плотность продукта была на 0,25% большем, чем плотность эталонного продукта, и его прочность при растяжении была на 25% больше, чем общепринятого эталонного продукта.

Пример 2. Тальк был размолот для того, чтобы использовать его как наполнитель в полипропиленовом пластике. С этой целью тальк был введен через пространство питателя, который был откачан до пустоты, в переднюю камеру, из которой он был вытолкнут путем остановки питателя во вторую камеру, в которой преобладала атмосфера газа пропена. Из второй камеры тальк был направлен в помольную камеру, в которую непрерывно подавался газ пропен.

После размалывания тальк выгружали известным способом из помольной камеры в плотно закрытый контейнер, в котором тальк сохраняется в атмосфере газа пропена. Из этого контейнера тальк был подан в экструдер, в котором он был перемешан с полипропиленовым пластиком. Прочность при изгибе продукта была на 22% больше, чем у эталонного продукта, и его плотность была на 0,11% больше, чем плотность эталонного продукта.

Пример 3. Во время размалывания проводилось покрытие веществ, которые не могли быть газифицированы обычным способом, причем размалывание проводилось "влажное", и покрытие выполнено в ионном состоянии.

В этом случае, однако, ионы, которые наносились, конкурировали с растворителем в пространстве на вновь сформированной поверхности излома. Типичным процессом такого вида является размалывание затвердевающего пуццолана, проводящегося в воде, содержащей известь.

Пример 4. Цемент был размолот в углекислом газе. Поверхность цементных частиц была при этом насыщена диоксидом углерода, и когда цемент был совмещен с водой и наполнителем с тем, чтобы получить бетон и раствор или другие продукты такого типа, диоксид углерода реагировал на поверхности цемента с оксидом кальция, выделяющимся из цемента, при этом скорость реакции увеличивается, когда вода имеет возможность реагировать с цементной поверхностью на всем протяжении.

Это воплощение особенно дает преимущество, когда цемент размолот в атмосфере углекислого газа вместе с каменным материалом, поверхность которого была таким образом насыщена диоксидом углерода. Плотность полученных призм из раствора была на 5,22% больше, чем у эталонного продукта, и предел прочности при изгибе был на 45% больше, чем у эталонного продукта.

Соответственно, из тех же соображений представляется преимуществом размалывать просто каменные материалы для бетона в окружающей среде диоксида углерода для улучшения адгезии с тем, чтобы образовалась прочная связь, в которой нет типичной так называемой переходной зоны между твердой поверхностью и новым закристаллизовавшимся цементным камнем.

Пример 5. Пример, как и приведенный выше, в котором 5% поливинилового спирта были дополнительно растворены в воде перед размалыванием, и призмы из раствора были немедленно отлиты после размалывания.

Этот опыт дал продукт, в котором плотность была на 6,2% выше, чем плотность эталонного продукта, и предел прочности при изгибе был на 82% больше, чем у эталонного продукта, в котором ни диоксид углерода, ни поливиниловый спирт не был использован.

В предшествующем примере размалывание было проведено таким образом, чтобы поверхностная площадь продукта увеличилась так, чтобы она была приблизительно в 20 раз больше, чем площадь поверхности, измеренная перед измельчением. В примерах 4 и 5 каменные материалы были также размолоты совместно с размалыванием связующего агента. В этих примерах исходные каменные материалы были одинакового размера около 30 мм в диаметре, и был получен каменный материал максимум от 3 до 4 мм.

При проведении испытаний, однако, немного растворенного диоксида углерода было обнаружено в воде бетонной смеси, что показывает, что диоксид углерода связан с вновь сформированной поверхностью очень прочно.

Пример 6. Бетон был получен дроблением каменных материалов совместно с цементом, водой и другими компонентами.

При этом не было неблагоприятных загрязнений (воздух, если каменные материалы сначала были раздроблены отдельно), имевших время для адсорбции на новой поверхности, полученной при дроблении, которые могли бы впоследствии обнаружить склонность к образованию зоны слабой адгезии, "измененной зоны", но водоцементная паста сделана для адгезии в очень тонком слое на поверхности камня.

Пример 7. Каменный материала был раздроблен в окружающей среде цемента. Масса была сформирована в стержень без допуска воздуха в массу, и стержень был оставлен для затвердения обычным способом.

Был также получен стержень с каменным материалом, раздробленным на воздухе обычным способом. Когда стержни были разломаны, было обнаружено, что упомянутый позднее стержень разламывается, как и ожидалось, вдоль поверхности контакта между каменным материалом и водоцементной пастой. Первый из упомянутых стержней, в котором каменный материал был раздроблен в соответствии с изобретением, разламывается внутри цементной зоны.

Пример 8. Два каменных стержня (сверлильных стержня) были разломаны, первый из них был разломан на воздухе, а второй в водоцементной пасте. После разламывания водоцементная паста была нанесена на поверхность разлома первого стержня, и куски стержня были прижаты друг к другу, тогда как куски второго стержня были помещены в водоцементную пасту и прижаты друг к другу там. После затвердевания стержни были разломаны вновь, при этом было обнаружено, что стержень, который был склеен на воздухе, сломался по зоне между каменным материалом-наполнителем и водоцементной пастой, тогда как стержень, сломанный и склеенный в водоцементной пасте, сломался внутри зоны водоцементной пасты.

Пример 9. Асфальт был получен путем дробления каменного материала и битумного компонента, и новые поверхности формировались в их конечных окружающих средах либо с благоприятствующим компонентом, либо со связывающим химическим реагентом, что связывает в обоих направлениях лучшие, чем без этой благоприятствующей среды. В результате достигается лучшая адгезия между каменным материалом и битумом.

Техника, соответствующая изобретению, может быть использована в различных областях техники и производства.

В добавление к предшествующим примерам типично следующее: Размалывание пигментного наполнителя бумаги в окружающей среде, где существует сопротивление смолы во влажном состоянии.

Производство краски или типографской краски таким образом, что существенное количество мономера полимера или клеящего агента присутствует в газовой или жидкой среде размалывания.

В соответствии с изобретением возможно и преимущественно размалывать или дробить материал в окружающей среде, в которой молекулы специально сродственны материалу, адгезирующемуся на последующей стадии процесса на поверхности материала, в котором материал на последующей стадии процесса химически связан в названном порошке для размалывания.

Лучше всего, если это специальное сродство может быть химической реакцией или физической специальной силой, созданной химическим подбором или подобием поверхности. Основным обстоятельством является то, что новая поверхность не формировалась в окружающей среде, в которой находятся неблагоприятные при последующем использовании загрязнения. Возможно применения способа по изобретению к ослаблению связей или сродства между частицами самого продукта (текучесть) или к другому компоненту, который является важным в некоторых применениях при последующей обработке продукта. Например, когда может требоваться способность вещества отталкивать воду (гидрофобия).

В соответствии с нашими испытаниями затвердевание материала, который должен быть размолот, требуется меньше, принимая во внимание материал поверхностного слоя и поверхность после размалывания.

Конечно, это дает преимущество, если, например, химическая реакция будет связывать часть поверхностного слоя "газа" с сформированной поверхностью даже при размалывании, однако более важно связывание, подобное тому, которое имеет место на последующей "поверхности непосредственной окружающей среды", окружающей размолотый материал.

Формула изобретения

1. Способ проведения физико-химической реакции, в котором кристаллический или аморфный материал А дробят или размалывают с образованием новых поверхностей излома и в котором раздробленный или размолотый материал подвергают последующей стадии процесса, отличающийся тем, что для придания новым поверхностям излома характеристик, подходящих для последующей стадии процесса, размалывание или дробление проводят в окружающей среде, физико-химические свойства которой выбраны так, чтобы образовать прочную связь или соединение между поверхностями излома и молекулами окружающей среды V1 и предотвратить попадание на поверхности излома компонентов, неблагоприятных для последующей стадии обработки раздробленного или размолотого материала.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что названная связь или соединение, образованные между поверхностью излома и молекулами окружающей среды V1, таковы, что по меньшей мере одна молекула названной связи или соединения пригодна для дальнейшей обработки раздробленного или размельченного материала в другой окружающей среде V2.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что названная связь или соединение, которые должны быть образованы, соответствуют материалу В, присутствующему в другой окружающей среде V2 и предназначенному для нанесения на поверхности излома раздробленного или размолотого материала на последующей стадии процесса, названный материал В выступает как матрица для раздробленного или размолотого материала А.

4. Способ по любому из пп. 1 3, отличающийся тем, что окружающая среда V1 содержит по крайней мере две функциональные группы, материал А, который должен быть раздроблен или размолот, реагирует по меньшей мере с одной функциональной группой, присутствующей в окружающей среде V1, и материал В, с которым материал А позже приведен в контакт, реагирует по меньшей мере с одной, другой или одной и той же функциональной группой, присутствующей в окружающей среде V1.

5. Способ по любому из пп. 1 3, отличающийся тем, что материал А и материал В раздроблены или размолоты совместно в окружающей среде V1, которая реагирует или с материалом А, или с материалом В, или с обоими названными материалами.

6. Способ по любому из пп. 1 5, отличающийся тем, что материал А размолот в окружающей среде, содержащей вещество С, которое реагирует с веществом D, образованным из материала А посредством химической реакции, или образуют материал В, который наносят на материал А посредством химической реакции, названное вещество D было образовано с компонентом Е, присутствующим в окружающей среде V1.

7. Способ по любому из пп. 4 6, отличающийся тем, что окружающая среда V1, или ее компоненты, или их функциональные группы выбраны так, чтобы они связывались с материалом А и материалом В посредством физических сил, больших по сравнению со связыванием, происходящим при дроблении или размалывании в окружающей среде.

8. Способ по п. 6 или 7, отличающийся тем, что окружающая среда V1 выбрана так, чтобы один из ее компонентов химически реагировал с материалом А, а вещество С активно связывалось с поверхностью, образованной посредством названной химической реакции.

9. Способ по любому из пп. 1 3, отличающийся тем, что окружающая среда V1 содержит битум, материал А представляет собой камень, а материал В - асфальт.

10. Способ по любому из п. 1 3, отличающийся тем, что окружающая среда V1 является водо-цементной пастой, материал А представляет собой камень, а материал В бетон.