Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОПОГЛОЩАЮЩЕГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к относится к аккумулированию тепловой энергии для оптимизации температуры поверхности тела человека в экстремальных условиях, снижению температуры на вдохе в средствах индивидуальной защиты органов дыхания, работающих на химически связанном кислороде, а также в средствах радиоэлектроники для защиты от перегрева, а более конкретно - к способу для нанесения покрытий на полотно пористого материала.

Известен способ получения теплопоглощающего материала в виде пористой металлической пластины из вспененного металла, например, из пеноникеля либо пеномеди, которые используются в изолирующих дыхательных аппаратах для охлаждения дыхательной газовой смеси (ДГС). При начальной температуре ДГС 75°С и начальной температуре фильтра-теплообменника 37°С при полном взаимном теплообмене по известному способу смесь охлаждается на 20-22°С (Патент РФ №2291727, МПК А62В 7/08. А62В 19/00, 2007 г.). Недостатками известного способа является высокое сопротивление дыханию и недостаточная эффективность охлаждения, особенно при тяжелых режимах дыхания, когда нагрев ДГС может достигнуть 60-65°С.

Известен способ получения теплопоглощающего материала, заключающийся в том, что в закрытую металлическую емкость (холодильник) помещают хладагент - кристаллический двухзамещенный фосфорнокислый натрий с температурой плавления 34-36°С и вокруг этой емкости пропускают ДГС, нагретую в результате реакции регенерации (Изолирующий кислородный респиратор Р-12. Инструкция по эксплуатации. - Донецк, ЦНИЛ ГД, 1969. - С. 34-37). Сущность известного способа заключается в том, что в холодильник заливают нагретый до +60°С однородный расплав хладагента в объеме 800-830 г и охлаждают холодильник, причем при температуре выше +34°С происходит плавление хладагента и в результате теплообмена через стенки ДГС в течение 1 ч охлаждается на 1-3°С. После перехода в расплав температура хладагента начинает расти и при +60°С он теряет охлаждающие свойства.

Недостатками известного способа являются короткий срок действия (40-60 мин) и невысокая охлаждающая способность (1-3°С).

Известен также способ получения теплопоглощающего материала для средств индивидуальной защиты органов дыхания, работающих на химически связанном кислороде, включающий использование хладагента (Патент РФ №2330697, МПК А62В 7/08, 2008 г.) Согласно способу дыхательную смесь пропускают при вдохе и выдохе непосредственно через хладагент, в качестве хладагента используют неорганические соли, способные образовывать при выдохе кристаллогидраты в результате взаимодействия с парами воды с последующим термическим разложением их при вдохе. Неорганические соли наносят на неорганический волокнистый материал и после нанесения на волокнистый материал хладагент обезвоживают.

Таким образом, известный способ предусматривает в процессе дыхания периодическое образование и термическое разложение кристаллогидратов неорганических солей.

Недостатками известного способа являются сложность поддержания равных скоростей потока через все живое сечение волокнистой подложки с кристаллогидратами. К тому же, известный способ обеспечивает подачу на регенеративный продукт обезвоженного воздуха, что вызовет естественное снижение температуры ДГС на вдохе из-за худшей работы регенеративного продукта, так как для поглощения диоксида углерода и выделения кислорода требуется вода. А худшая работа регенеративного патрона потребует увеличения его массы.

Вызывает сомнение утверждение авторов известного способа, что нанесение указанных солей на волокна из неорганического материала позволяет значительно снизить аэродинамическое сопротивление путей прохождения дыхательной смеси сквозь поглотитель по сравнению с другими способами охлаждения ДГС:

Известен способ изготовления волокнистых композитов вакуумной инфузией (заявка США №2008/0136060, МПК8 В29С 70/44, 2008 г.). В указанном способе образуют рабочую полость, в которой размещают волокнистую преформу с расположенной на ее поверхности распределительной тканью, вакуумируют рабочую полость, что обеспечивает поступление смолы к волокнистой преформе за счет всасывания смолы под действием разрежения из расходной емкости с последующей инжекцией смолы в преформу и пропиткой преформы смолой, и отверждают пропитанную смолой преформу с образованием волокнистого композита. При этом осуществляют непрерывную откачку воздуха и газообразных включений из рабочей полости с противоположных поверхностей преформы. Устройство для осуществления указанного способа включает рабочую полость, которая связана с расходной емкостью, содержащей смолу, и с вакуумным насосом. Рабочая полость сообщается посредством полупроницаемых мембран, прилегающих к преформе, с расположенными с противоположных сторон от преформы первой и второй полостями, каждая из которых связана с вакуумным насосом. На поверхности преформы находится распределительная ткань, на которую подается смола. Во второй полости, обращенной к поверхности волокнистой преформы, на которую подается смола, размещена вентиляционная ткань для транспортирования газообразных компонентов, поступающих во вторую полость из рабочей полости, к вакуумному насосу. Недостатками способа и устройства, реализующего указанный способ, являются недостаточное качество волокнистого композита, получаемого в процессе вакуумной инфузии, и трудность изготовления волокнистых композитов сложной формы с интегрированными элементами усиления.

Как установлено заявителем, использование в указанном способе, как основного механизма, способствующего непрерывному удалению газообразных компонентов из объема рабочей полости с обеих сторон волокнистой преформы, полупроницаемых мембран, непосредственно прилегающих к поверхности преформы, повышает степень дегазации волокнистой преформы, но, в то же время приводит к разделению модифицированных растворов. При использовании в качестве модификатора наноструктурированных материалов происходит их задержание на границе мембран вследствие концентрационной поляризации.

В качестве прототипа выбран способ охлаждения дыхательной газовой смеси в средствах индивидуальной защиты органов дыхания, работающих на химически связанном кислороде (Пат. РФ №2614028, МПК А62В 7/08, 22.03.2017). Способ включает использование хладагента, нанесенного на волокнистую подложку, на которую предварительно наносят с одной либо обеих сторон хладагент, представляющий смесь твердых высокомолекулярных углеводородов предельного характера, модифицированную наноматериалом. При этом в качестве хладагента используют смесь модифицированных парафинов с различной температурой фазового перехода, а в качестве наноматериала используют углеродный наноструктурный материал «Таунит» - смесь углеродных нанотрубок типа «Таунит» либо «Таунит-М» в количестве мас. % от 0,5 до 10, либо нанографит (полиграфен) в количестве мас. % от 0,2 до 6.

Недостатками известного способа являются:

- сложность получения листов или полос поглотителя с заданной толщиной при нанесении на подложку пасты хладагента,

- неравномерность распределения в пасте модифицирующего вещества, обусловленная капиллярным отводом расплавленного парафина материалом волокнистой подложки в процессе нанесения разогретой пасты;

- низкая газопроницаемость теплопоглощающего состава;

- возможность пыления теплопоглощающего состава.

Эти недостатки обусловлены способом нанесения разогретой пасты на волокнистую подложку.

Задачей изобретения является повышение эффективности охлаждения дыхательной газовой смеси.

Техническим результатом изобретения является снижение массогабаритных характеристик и уменьшение сопротивления дыханию.

Технический результат достигается способом получения теплопоглощающего материала путем нанесения теплопоглощающей пасты на подложку из волокнистого материала посредством приготовления дисперсной системы, в которой дисперсной фазой являются углеродные нанотрубки (УНТ), а дисперсной средой - расплавленная смесь парафинов, охлаждения дисперсной системы до получения пасты повышенной вязкости, при этом нанесение теплопоглощающей пасты осуществляют втиранием пасты в углубления подложки из нетканого полимерного материала до проявления пасты на обратной стороне подложки и получения сплошного покрытия на лицевой стороне.

Втирание пасты осуществляют при удельном давлении пасты на подложку равном 0,2±0,05 МПа и скорости перемещения пасты относительно подложки, равной 3±1 м/мин.

В качестве дисперсной фазы используют углеродный наноструктурный материал «Таунит» - смесь углеродных нанотрубок типа «Таунит» либо «Таунит-М» в количестве мас. % от 0,5 до 10, либо нанографит (полиграфен) в количестве мас. % от 0,2 до 6.

В дисперсной среде используют парафины с температурой плавления более 40°С, при этом соотношение компонентов парафинов из ряда С₁₆Н₃₆ С₂₀Н₄₂ и высокоплавкого парафина составляет 80/20 - 95/5 мас. ч.

После втирания полученный материал помещают под ИК-нагреватель с темным спектром излучения и нагревают до достижения гладкой сплошной поверхности подложки.

В качестве волокнистого материала используют полипропиленовое нетканое полотно «Спанбонд» с плотностью от 17 до 25 г/м².

^{После нанесения пасты на подложку полученный материал подвергают выдержке при температуре 58-60°С в течение 40 мин.}

Осуществление нанесения теплопоглощающей пасты втиранием пасты в углубления подложки из нетканого полимерного материала до проявления пасты на обратной стороне подложки и получения сплошного покрытия на лицевой стороне обеспечивает:

- постоянство толщины теплопоглощающего материала, а именно равной толщине подложки из волокнистого материала до пропитки. Применительно к устройствам для охлаждения газовых потоков устройства характеризуются минимальными габаритами и минимальным сопротивлением дыханию за счет выбора оптимального зазора между подложками,

- пористость теплопоглощающего материала, так как при втирании заполняются только крупные поры в волокнистом материале, а в мелкие поры, суммарный объем которых превосходит объем крупных пор, паста с повышенной вязкостью попасть не может, так как не действуют капиллярные силы. Это обеспечивает теплообмен всего объема теплопоглощающего материала за счет большей температурной разности потоков на вдохе и выдохе,

- равномерное распределение в теплопоглощающем материале модифицирующей добавки, что исключает выделение из подложки теплопоглощающего материала в процессе работы даже при нагреве выше температуры плавления парафинов, что является решающим преимуществом заявляемого способа по сравнению с прототипом.

Использование в качестве теплопоглощающего материала смеси модифицированных парафинов с различной температурой фазового перехода обеспечивает увеличение электро- и теплопроводности хладагента. При этом материал становится формоустойчивым и не течет при температуре фазового перехода. Экспериментально установлено, что за счет изменения соотношения модифицированных парафинов можно обеспечить температурную разность до 40°С.

Осуществление втирания пасты при удельном давлении пасты на подложку равном 0,2±0,05 МПа и скорости перемещения пасты относительно подложки равной 3±1 м/мин обеспечивает заполнение в подложке только крупных пор и недостаточно для заполнения мелких пор, что делает материал газопроницаемым. Максимальная скорость перемещения пасты относительно подложки ограничена механической прочностью подложки, а минимальная - производительностью процесса получения материала, т.к. при уменьшении скорости перемещения ниже нижнего предела качество материала не возрастает.

Использование в качестве дисперсной фазы углеродного наноструктурного материала «Таунит» - смеси углеродных нанотрубок типа «Таунит» либо «Таунит-М» в количестве мас. % от 0,5 до 10 обеспечивает увеличение теплопроводности парафина с 0,238 Вт/м°С до модификации до 0,37 Вт/м°С после модификации, а нанографита (полиграфена) в количестве мас. % от 0,2 до 6 увеличивает теплопроводность парафина с 0,238 Вт/м°С до 0,52 Вт/м°С.

Использование в дисперсной среде парафинов с температурой плавления более 40°С, при этом соотношение компонентов парафинов из ряда С₁₆Н₃₆ С₂₀Н₄₂ и высокоплавкого парафина составляет 80/20-95/5 мас. ч обеспечивает длительное хранение изделий из теплопоглощающего материала при стандартных условиях складского хранения.

Помещали после втирания полученный материал под ИК-нагреватель с темным спектром излучения и нагревали до достижения гладкой сплошной поверхности подложки.

В качестве волокнистого материала используют полипропиленовое нетканое полотно «Спанбонд» с плотностью от 17 до 80 г/м².

Сущность предлагаемого способа поясняется примерами и чертежом, где показана принципиальная схема осуществления испытания получаемого материала.

Для осуществления изобретения применялись следующие исходные вещества:

Парафин - это смесь твердых высокомолекулярных углеводородов предельного характера, нормального изостроения, с незначительной примесью циклических углеводородов, получаемая главным образом из нефти, озокерита, а также синтетически - восстановлением СО водородом. Углеводороды, входящие в состав парафина, делят на парафины и церезины.

Очищенный парафин - бесцветный продукт, без запаха и вкуса, жирный на ощупь, нерастворим в воде и спирте, хорошо растворим в большинстве органических растворителей и минеральных маслах; при нагревании растворим во многих растительных маслах. Плотность твердого парафина при 15° в зависимости от его чистоты колеблется от 0,881-0,905 г/см³ (неочищенный парафин) до 0,907-0,915 г/см³ (очищенный парафин). Вследствие неоднородности состава парафина температуры начала и конца его плавления могут различаться на 10-12°. Плохо очищенный парафин имеет желтый или бурый цвет и темнеет на свету.

Ниже приведены характеристики наиболее применяемой марки парафина.

Качественные показатели Парафина П-2 нефтяного твердого

Теплопроводность парафина - 0,238 Вт/м°С; Модифицированного Таунитом - 0,37 Вт/м°С, Модифицированного графеном - 0,52 Вт/м°С. При этом материал становится формоустойчивым и не течет при температуре фазового перехода. Измерение проводилось на приборе ИТ - λ - 400 в режиме монотонного разогрева со средней скоростью 0,1°С /с при адиабатических условиях. Применение смеси модифицированных парафинов с различной температурой фазового перехода может обеспечить температурную разность до 40 С.

Углеродный наноструктурный материал "Таунит". Смесь углеродных нанотрубок (УНТ) и углеродных нановолокон с коаксиальной структурой (УНВКС) с наружным диаметром 2-70 нм и длиной более 2 мкм. Содержание неуглеродных примесей не более 1% мас. Удельная геометрическая поверхность (многоточечный метод БЭТ) 90-130 м²/г.

Многослойные углеродные нанотрубки "Таунит-М". Коаксиальные многослойные углеродные нанотрубки с наружным диаметром 8-15 нм и длиной более 2 мкм. Число слоев одной трубки 6-10. Содержание неуглеродных примесей не более 1% масс. Удельная геометрическая поверхность (многоточечный метод БЭТ) 300-320 м²/г.

Нанографит (полиграфен). Представляет собой чешуйки кристаллического графита диаметром от 10 до 100 мкм и средней толщиной 3-5 нм. Выпускается в виде пасты в воде или органических растворителях с массовым содержанием нанографита 6-10%. Может применяться в качестве электропроводящего наполнителя и для создания электропроводящих покрытий

Нетканый материал из полипропилена «Спанбонд с плотностью (г/м²) 15; 17; 21, 25 представляет собой волокнистый материал с крупными и мелкими порами и обладает высокой механической прочностью и гидрофобностью.

Полиэтиленовый воск, представляет собой беловатые или желтоватые мелкодисперсные хлопья с постоянными свойствами. Получается методом полимеризации этилена. Этот процесс придает воску кристаллическую структуру. Размягчается при температуре в 140°С. Окисленный тип полиэтиленового воска почти нерастворим в большинстве растворителей.

На фиг. 1 графических материалов показана схема проведения испытаний, на которой показаны 1 - корпус в виде трубы; 2 - дистацирующий элемент в виде объемной сетки; 3 - подложка с хладагентом.

Пример 1

В емкость из диэлектрического материала (силикон или полиэтилен) объемом 0,01 м³ поместили 0,002 кг окисленных УНТ Таунит и добавили разогретый до 70°С парафин марки П2 в количестве 0,2 кг. Смесь обработали ультразвуком с частотой 22,5 кГц в течение 1 часа при перемешивании механической мешалкой (100 об/мин). После остывания материала до температуры 50°С производили повторный нагрев до 70°С с последующей обработкой ультразвуком при частоте 40 кГц и перемешиванием механической мешалкой (100 об/мин) в течение 20 мин. Далее давали повторное охлаждение до температуры 50°С и производили повторный нагрев до 70°С с последующей обработкой ультразвуком при частоте 60 кГц и перемешиванием механической мешалкой (100 об/мин) в течение 20 мин. Получили черный, непрозрачный материал. Далее полученный материал наносили на поверхность спанбонда, в виде ленты, путем растирания. Втирание пасты осуществляли при удельном давлении пасты на подложку равном 0,25 МПа и скорости перемещения пасты относительно подложки, равной 4 м/мин. После растирания полученную таким способом ленту помещали под ИК-нагреватель с темным спектром излучения и нагревали до достижения гладкой сплошной поверхности подложки.

Пример 2

В емкость из диэлектрического материала (силикон или полиэтилен) объемом 0,01 м³ поместили 0,002 кг окисленных УНТ Таунит-М и добавили разогретый до 70°С парафин в количестве 0,2 кг и полиэтиленовый воск а количестве 0,01 кг. Смесь обработали ультразвуком с частотой 22,5 кГц в течение 1 часа при перемешивании механической мешалкой (100 об/мин). После остывания материала до температуры 50°С производили повторный нагрев до 70°С с последующей обработкой ультразвуком при частоте 40 кГц и перемешиванием механической мешалкой (100 об/мин) в течение 20 мин. После повторного остывания до температуры 50°С производили повторный нагрев до 70°С с последующей обработкой ультразвуком при частоте 60 кГц и перемешиванием механической мешалкой (100 об/мин) в течение 20 мин. Получили черный, непрозрачный материал. Далее полученный материал втирали в поверхность подложки из спанбонда с плотностью 17 г/м², в виде ленты, путем втирания в углубления подложки. Втирание пасты осуществляли при удельном давлении пасты на подложку равном 0,15 МПа и скорости перемещения пасты относительно подложки, равной 2 м/мин. После втирания полученную ленту помещали под ИК-нагреватель с темным спектром излучения и нагревали до достижения гладкой сплошной поверхности подложки.

Пример 3

1. Этот пример выполнили аналогично примеру 1, но в качестве исходных УНТ взяли графен (нанографит, полиграфен)). Смесь обработали ультразвуком с частотой 22,5 кГц в течение 1 часа при перемешивании механической мешалкой (100 об/мин). После остывания материала до температуры 50°С производится повторный нагрев до 70°С с последующей обработкой ультразвуком при частоте 40 кГц и перемешиванием механической мешалкой (100 об/мин) в течение 20 мин. После повторного остывания до температуры 50°С и производили повторный нагрев до 70°С с последующей обработкой ультразвуком при частоте 60 кГц и перемешиванием механической мешалкой (100 об/мин) в течение 20 мин. Получили темно-серый, непрозрачный материал. Далее полученный материал наносили на поверхность спанбонда, в виде ленты, путем втирания. Втирание пасты осуществляли при удельном давлении пасты на подложку равном 0,2 МПа и скорости перемещения пасты относительно подложки, равной 3 м/мин. После втирания полученную таким способом ленту подвергали ИК-нагреву с темным спектром излучения для расплавления верхнего слоя и нагревали до достижения гладкой сплошной поверхности подложки.

Пример 4

Этот пример выполнили аналогично примеру 1, но в качестве исходных УНТ взяли не окисленные УНТ Таунит-М. В результате оказалось, что преобладающая часть нанотрубок после ультразвуковой обработки перешла в осадок. Таким образом, при применении не окисленных УНТ в данных условиях только 2% УНТ переходят в коллоидный раствор, остальные выпадают в осадок. Эти данные свидетельствуют о том, что кислородсодержащие группы на поверхности УНТ (гидроксильные, карбоксильные, карбонильные, лактонные) играют важную роль во взаимодействии с молекулами парафина. Проведенные исследования дают основание полагать, что происходит химическое взаимодействие молекул парафина с группами на поверхности частиц углеродного наноматериала. Без наличия кислородсодержащих групп эффективность модифицирования парафина резко снижается. Таким образом, углеродная поверхность графеновых слоев УНТ без кислородсодержащих групп обладает малым сродством к парафину.

Пример 5

Этот пример также выполнили аналогично примеру 1, но вместо наноматериала использовали различные виды технической сажи (марок: ДГ-100, ДМГ-80, ПМ-75, ПМ-50, ПМ-15 и ТГ-10). После нагрева и ультразвуковой обработки сажа осела на дне емкости.

Результаты получения теплопоглощающего материала были получены при испытании регенеративных теплообменников для самоспасателей. При дыхании человека выдыхаемая дыхательная газовая смесь имеет температуру около 37°С и насыщена парами воды. При температуре 37°С парциальное давление водяного пара равно 47,12 мм рт.ст., что соответствует концентрации 0,0453 г/л. За один выдох в трубку поступает 1,75 л ДГС, содержащей 0,0793 г водяного пара или 0,0044 моля.

Измерение проводилось на приборе ИТ - λ - 400 в режиме монотонного разогрева со средней скоростью 0,1°С /с при адиабатических условиях. Применение смеси модифицированных парафинов с различной температурой фазового перехода может обеспечить температурную разность до 40°С.

Использование предлагаемого способа позволяет повысить эффективность охлаждения ДГС на 25-40°С до создания комфортных условий для дыхания. Способ упрощает обслуживание средств защиты дыхательных путей и обеспечивает возможность длительного хранения их в снаряженном состоянии.