Способ разрушения полиоктена
Владельцы патента RU 2314912:
Федеральное государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт высоких напряжений" (RU)
Изобретение относится к технологии разрушения полимерных материалов, такого как полиоктен. Способ позволяет получить порошки, которые могут быть использованы в производстве противотурбулентных присадок для снижения гидродинамического сопротивления потока сырой нефти при ее перекачке, а также для создания клеевых композиций, кровельных материалов, дорожных покрытий и полимерных красок. Куски полиоктена погружают в криогенную жидкость и подвергают воздействию высоковольтными разрядами между электродами, размещенными в криогенной жидкости, в которую дополнительно введен стеарат кальция в количестве не менее 6 мас.% от массы разрушаемого полиоктена. Для образования высоковольтных разрядов используют электрические импульсы со скоростью нарастания напряжения не менее 400 кВ/мкс, формирующие в криогенной среде парогазовые полости диаметром не менее 0,04 м. Способ позволяет снизить энергозатраты при получении качественного порошка полиоктена. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.
Изобретение относится к технологии разрушения полимерных материалов, в частности полиоктена, с получением порошка, который может быть использован в производстве противотурбулентных присадок для снижения гидродинамического сопротивления потоку сырой нефти при перекачке ее по трубопроводам, а также для создания клеевых композиций, кровельных материалов, дорожных покрытий и полимерных красок.
Известен способ измельчения изношенных автомобильных шин (А.с. СССР №1685722, МПК 5 В29В 17/00, опубл. 12.09.1989 г.), в котором разрушение вращающейся шины производят абразивным кругом при их взаимном сближении и воздействии хладоагентом. Хладоагент воздействует вне зоны контакта шины и абразивного круга.
Недостатком указанного способа являются высокие энергозатраты, загрязнение готового продукта материалом, армирующим шину. Кроме того, разрушение абразивом сопровождается большим количеством пыли, ухудшая санитарные и экологические условия.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранный нами за прототип способ разрушения эластичных материалов (патент РФ №2050276, МПК 6 В29В 17/02, опубл. 2012.1995 г.), при котором разрушающее воздействие создают посредством электрических разрядов, возбуждаемых между электродами, размещенными в криогенной жидкости, при этом градиент энергии выбирают в пределах 2-15 Дж/мм.
Недостатком указанного являются высокие энергозатраты на разрушение, а также невозможность обеспечения стабильных свойств порошка из-за склонности к слипанию частиц порошка друг с другом, приводящее к их укрупнению.
Основной технической задачей предлагаемого изобретения является получение качественного порошка полиоктена при уменьшенных энергозатратах - по сравнению с прототипом на 16%.
Указанная техническая задача достигается тем, что в способе разрушения полиоктена куски полиоктена погружают в криогенную жидкость и подвергают разрушающему воздействию высоковольтными разрядами между электродами, размещенными в криогенной жидкости, согласно предложенному решению дополнительно в криогенную жидкость вводят стеарат кальция в количестве не менее 6% от массы разрушаемого полиоктена, причем для образования высоковольтных разрядов используют электрические импульсы со скоростью нарастания напряжения не менее 400 кВ/мкс, формирующие в криогенной среде парогазовые полости диаметром не менее 0,04 м. Целесообразно для разрушения использовать куски полиоктена с размерами не более чем расстояние между соседними разнополярными электродами.
Пример конкретного исполнения. На фиг.1 представлена схема установки для реализации заявляемого способа. Она включает в себя повышающе-выпрямительное устройство (ВТМ - 20/50) - 1, генератор импульсных напряжений 2, рабочую камеру 3 в криогенном исполнении, высоковольтный положительной полярности электрод 4, низковольтный отрицательной полярности электрод 5 сферической формы с отверстиями диаметром 1 мм, контейнер 6 для сбора порошка полиоктена, загрузочный бункер 7 с дозирующим устройством 8, расстояние между электродами 4 и 5 составляло 30 мм. Установка имеет измерительную систему 9 для регистрации параметров импульса.
Экспериментальная проверка предложенного способа осуществлялась в три этапа. На первом этапе экспериментальным путем обосновывалась необходимость разрушения полиоктена в присутствии стеарата кальция и определялась минимальная концентрация стеарата кальция, при которой получаемый порошок полиоктена будет состоять из частиц менее 1 мм на 100%. Для этого было приготовлено 5 проб полиоктена массой 1 кг, состоящих из кусков не более 30 мм. В качестве криогенной среды использовался жидкий азот (-195°С). Затем первая проба загружалась в рабочую камеру 3 с жидким азотом и подвергалась разрушению высоковольтными разрядами. Также были подвергнуты разрушению вторая, третья, четвертая пробы, но уже при наличии в жидком азоте стеарата кальция в количестве 1, 3, 4, 6% от массы полиоктена соответственно. После разрушения кусков порошок полиоктена извлекался из контейнера 6 рабочей камеры 3 и анализировался на содержание в нем частиц 1 мм и менее. В табл.1 представлены результаты разрушения полиоктена высоковольтными разрядами в жидком азоте без стеарата кальция и совместно с ним.
| Таблица 1 | ||
| № п/п | Концентрация стеарата кальция в % от массы полиоктена | Содержание частиц размером 1 мм и менее в порошке полиоктена, % |
| 1 | 0 | 8 |
| 2 | 1 | 24 |
| 3 | 3 | 37 |
| 4 | 4 | 72 |
| 5 | 6 | 100 |
Из табл.1 видно, что для полного исключения самоукрупнения частиц полиоктена за счет их слипания достаточно перед разрушением полиоктена в жидком азоте внести в него не менее 6% стеарата кальция от массы полиоктена. При меньшем содержании стеарата кальция и его отсутствии происходит частичное либо практически полное укрупнение всех частиц полиоктена до размера, превышающего 1 мм, что делает его совершенно непригодным для производства противотурбулентных присадок.
На втором этапе определялась оптимальная скорость нарастания напряжения импульса. Для этого были проведены следующие эксперименты. В рабочей камере 3 между электродами 4 и 5 установили расстояние 10 мм и заполнили ее жидким азотом. Затем от генератора импульсных напряжений подали один импульс высокого напряжения с заданной крутизной, под действием которого происходил пробой жидкого азота между электродами 4 и 5. Амплитуду напряжения пробоя и время до пробоя определяли по осциллограмме с экрана осциллографа С8-17, входящего в измерительную систему 9. Также определяли амплитуду напряжения пробоя жидкого азота и время до его пробоя при других значениях крутизны импульса, которую варьировали в пределах от 0,16 мкс до 1 мкс. Затем установили между электродами 4 и 5 расстояние 30 мм и также записали осциллограммы пробоя жидкого азота при разной крутизне импульса. Аналогичным образом оценили электрическую прочность отдельных кусков полиоктена толщиной 10 и 30 мм, которые размещали между электродами 4 и 5 в рабочей камере 3, заполненной жидким азотом. По полученным данным построили (фиг.2) вольт-секундные характеристики жидкого азота (А, Б) для промежутков 10 и 30 мм и полиоктена (С, Е), также для промежутков 10 и 30 мм. Из сравнения зависимостей на фиг.2 видно, что пробивное напряжение кусков полиоктена в зоне I ниже, чем пробивное напряжение жидкого азота. Это означает, что при подаче на находящиеся в жидком азоте разнополярные электроды 4 и 5 с куском полиоктена между ними импульса напряжения с крутизной нарастания более чем ограниченные секущей линией из начала системы координат (зона I), канал разряда будет сформирован в куске полиоктена. В этом случае процесс разрушения кусков полиоктена происходит наиболее эффективно, т.к. при этом разрушаемый материал испытывает растягивающие и сдвиговые механические напряжения. Таким образом, для формирования канала разряда в кусках полиоктена скорость нарастания напряжения должна быть не менее 400 кВ/мкс (для точки m крутизна импульса определяется отношением вида ). При скорости нарастания менее 400 кВ/мкс (зона II) происходит пробой жидкого азота, а разрушение кусков полиоктена осуществляется только за счет усилий сжатия, т.е. менее эффективно, и поэтому для достижения аналогичных результатов потребуется существенное увеличение энергии импульса.
На третьем этапе проверки осуществимости предлагаемого способа оценили энергозатраты на разрушение кусков полиоктена в зависимости от диаметра парогазовой полости, возникающей и пульсирующей в жидком азоте при каждом пробое куска полиоктена. В жидкий азот предварительно был загружен стеарат кальция в количестве не менее 6% от массы полиоктена, высоковольтными импульсами со скоростью нарастания напряжения не менее 400 мкс. Для этого куски полиоктена толщиной (0,01÷0,03) м и длиной 0,03 м массой 1 кг загружали в рабочую камеру 3 с системой разнополярных электродов 4 и 5, содержащую жидкий азот и стеарат кальция в количестве 60 г. В течение 
минут полиоктен охлаждался и затем посредством электрических разрядов, возбуждаемых между электродами 4 и 5 рабочей камеры 3, разрушали куски полиоктена до порошкообразного состояния с размером частиц менее 1 мм, причем энергия импульса выбиралась из условия формирования парогазовой полости в жидком азоте диаметром не менее 0,04 м. Результаты этих исследований представлены в табл.2.
| Таблица 2 | |||
| № п/п | Диаметр парогазовой полости, м | Энергия импульса, Дж | Удельные энергозатраты, кВт·час/кг |
| 1 | 0,030 | 200 | 0,185 |
| 2 | 0,038 | 350 | 0,180 |
| 3 | 0,040 | 500 | 0,148 |
| 4 | 0,042 | 580 | 0,150 |
| 5 | 0,045 | 720 | 0,147 |
Из табл.2 следует, что применение для разрушения полиоктена импульсов, формирующих в жидком азоте парогазовые полости диаметром не менее 0,04 м, обеспечивает эффективное разрушение полиоктена до порошкообразного состояния с размером частиц менее 1 мм. В случае если применяются импульсы, формирующие в жидком азоте парогазовые полости диаметром не менее 0,04 м, удельные энергозатраты возрастают на ˜21%.
В табл.3 представлены результаты разрушения высоковольтными разрядами в жидком азоте кусков полиоктена разной крупности.
| Таблица 3 | ||
| № п/п | Размер кусков полиоктена в разрушаемой пробе, м | Удельные энергозатраты, кВт·час/кг |
| 1 | 0,05 | 0,26 |
| 2 | 0,04 | 0,22 |
| 3 | 0,035 | 0,187 |
| 4 | 0,03 | 0,15 |
| 5 | 0,02 | 0,152 |
Из табл.3 видно, что при разрушении кусков полиоктена с размерами более чем расстояние между соседними разнополярными электродами (0,03 м), то удельные энергозатраты значительно выше, чем при разрушении кусков полиоктена, соизмеримых с величиной межэлектродного промежутка, например при разрушении кусков 0,050 мм удельные энергозатраты равны 0,26 кВт·ч/кг, т.е. в 1,6 раза больше, чем при разрушении кусков размером 0,030 мм.
При разрушении полиоктена по прототипу энергоемкость составляет 0,174 кВт·ч/кг, т.е. на 16% выше, чем по заявляемому способу.
1. Способ разрушения полиоктена, при котором куски полиоктена погружают в криогенную жидкость и подвергают разрушающему воздействию высоковольтными разрядами между электродами, размещенными в криогенной жидкости, отличающийся тем, что дополнительно в криогенную жидкость вводят стеарат кальция в количестве не менее 6% от массы разрушаемого полиоктена, причем для образования высоковольтных разрядов используют электрические импульсы со скоростью нарастания напряжения не менее 400 кВ/мкс, формирующие в криогенной среде парогазовые полости диаметром не менее 0,04 м.
2. Способ разрушения полиоктена по п.1, отличающийся тем, что используют куски полиоктена с размерами, не более чем расстояние между соседними разнополярными электродами.
