Способ увеличения смачиваемости пористых тел и устройство для его реализации

 

Использование: увеличение смачиваемости пористых тел жидкостью. Сущность: способ увеличения смачиваемости пористого тела однородным образом жидкостью, при котором указанное пористое тело, находящееся в корпусе для обработки, подвергают воздействию послеразрядной неионной удаленной плазмой азота. Устройство включает в себя средство подачи газообразного азота в полость разряда, средство подачи электромагнитной волны в указанную полость разряда и получения азотной плазмы; средство формирования корпуса, содержащего обрабатываемые пористые тела и азотную плазму. Технический результат: обеспечение однородного и полного смачивания тел по всему их объему. 2 с. и 12 з.п ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу увеличения смачиваемости пористых тел жидкостью и к устройству для реализации данного способа.

Во многих областях промышленности существует потребность разработки способов значительного увеличения смачиваемости пористых тел, т.е. их гидрофильных свойств по отношению к жидкостям или газам.

В настоящее время уже применяются различные такие способы. Например, один из способов состоит в погружении пористого тела для последующей обработки в ванну, содержащую поверхностноактивные средства, и последующем нагревании пористого тела для выпаривания воды, содержащейся в этом теле.

Этот процесс трудоемок и, кроме того, требует нагревания пористых тел, что может привести к нежелательным изменениям формы или структуры этого тела, если составляющие его материалы имеют низкую температуру плавления.

В соответствии с известными способами при изготовлении пористых тел из прессованного порошка, в частности, путем спекания, в порошок добавляют поверхностноактивные вещества или используют порошки, уже прошедшие гидрофильную обработку.

Однако при получении пористых тел с использованием таких порошков необходимо нагревать их для достижения когезии пористого тела.

Таким образом, при прессовании спеканием часто необходимо достижение температур от 200 до 250^oС.

Указанное нагревание приводит к нарушению гидрофильных свойств порошков и свойств поверхностноактивных веществ.

Известен способ повышения смачиваемости веществ жидкостями, описанный в патенте США 5447756. Согласно указанному документу, поверхность обрабатывают ионизированным газом, в том числе ионной плазмой, полученной при электрическом разряде в азоте. Такая ионная плазма газа способна модифицировать поверхностные свойства вещества (изменять угол смачивания поверхности жидкостью) вследствие протекания химической реакции связывания этих ионов с обрабатываемой поверхностью с формированием тонкого химически связанного с указанной поверхностью слоя вещества. В указанном патенте США 5447756 в камеру загружают обрабатываемый аппликатор, закачивают газ и генерируют ионную плазму этого газа непосредственно в реакционной камере. В результате резко повышается температура, газ ионизируется, а полученные ионы вступают в химическое взаимодействие с поверхностью обрабатываемого материала. Разрядная камера имеет небольшие габариты, не позволяющие обрабатывать большое количество материала, благодаря полученному покрытию поверхность материала видоизменяется, и пористость его меняется.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных выше недостатков и создание такого способа обработки, который можно было бы применять непосредственно к уже сформированным пористым телам и который не требовал бы при этом их нагревания.

В соответствии с изобретением способ состоит в том, что пористое тело, помещенное в кожух, подвергают действию азотной плазмы, полученной разрядом электромагнитной волны в газообразном азоте. Отличие способа заключается в том, что азотная плазма в кожухе является послеразрядной неионной удаленной плазмой азота.

Полученная таким образом азотная плазма используется для увеличения однородной смачиваемости жидкостями пористых тел.

Известно использование подаваемой с задержкой азотной плазмы для увеличения клейкости полимерных материалов, в частности полипропилена. Подобное использование азотной плазмы, состоящей по существу из атомов и возбужденных молекул азота и не содержащей ионов и свободных электронов, описано в ЕР 0296002.

Оказалось, что азотная плазма проникает внутрь пористого тела, причем свободные атомы азота тем не менее активированы, что позволяет обрабатывать пористое тело целиком и сделать его однородно гидрофильным.

Этот способ позволяет избежать повышения температуры пористого тела.

В противоположность сведениям, указанным в литературе ["Cold Plasma in Materials Fabrication" A.F.Grill, I.E.E.E.Press, Inc. New York. p.156, 1993] , внутри пористого тела не образуется никаких посторонних отложений, поры тела, обработанного таким образом, не закупориваются и не изменяют своих размеров. В упомянутой выше работе обработку пористого тела холодной плазмой гелия или кислорода проводят для уменьшения размеров пор на поверхности тела или даже их закупорки. Однако оказалось, что мелкопористые тела с пористостью порядка 1 мкм могут быть обработаны способом, предлагаемым в соответствии с изобретением, без какого-либо воздействия на их пористость.

Предпочтительно газообразный азот содержит кислород в количестве от 1 до 5% от общего количества газа.

Введение в газообразный азот в качестве примеси кислорода позволяет улучшить действие азотной плазмы на пористое тело.

Азотная плазма в корпусе, в котором происходит обработка, является послеразрядной неионной удаленной плазмой азота.

Выполняя обработку в корпусе, относительно удаленном от зоны разряда, в которой генерируется плазма, можно использовать корпус больших размеров, позволяющий производить обработку одновременно нескольких пористых тел.

Предпочтительно температура внутри корпуса, в котором происходит обработка, должна быть близка к температуре окружающей среды.

В наиболее предпочтительным варианте применения изобретения пористое тело изготовлено из фриттированых порошков.

В соответствии со способом, предложенным в изобретении, плазма проникает в пористые тела на глубину порядка 10 см.

Способ согласно изобретению позволяет обрабатывать конечный продукт, имеющий законченную структуру и форму. Гидрофильные свойства пористого тела не нарушаются на дальнейших этапах производства.

В изобретении предложено также устройство для осуществления на практике способа обработки, содержащее: - средства нагнетания газообразного азота в полость разряда, - средства создания электромагнитной волны в полости разряда для получения азотной плазмы, - средства формирования корпуса, в котором находятся пористые тела для обработки и азотная плазма.

Другие особенности и преимущества изобретения будут указаны ниже на чертежах, иллюстрирующих пример осуществления способа в соответствии с изобретением, которым, однако, не ограничиваются возможные формы осуществления данного изобретения.

На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации предложенного способа.

На фиг.2 представлен разрез по линии II-II на фиг.1.

На фиг.3А представлен разрез, иллюстрирующий смачиваемость пористого тела, обработанного известным способом.

На фиг.3В представлен разрез, аналогичный фиг.3А, пористого тела, обработанного предлагаемым способом.

Вначале будет описано изображенное на фиг.1 устройство, выполненное в соответствии с изобретением и позволяющее реализовать способ для увеличения смачиваемости жидкостью пористого тела 20.

Устройство содержит блоки 10, 11 подачи газообразного азота в полость 12 разряда.

Предпочтительно газообразный азот содержит кислород в количестве около 1-5% от общего количества.

Источник 10 газообразного азота и источник 11 кислорода соединены с полостью 12 разряда.

Блоки 13, 14 для создания в полости 12 разряда электромагнитной волны содержат волновой генератор 14, который посредством магнетрона позволяет создавать электромагнитную волну в полости 12 разряда.

Диапазон частот, которые могут быть использованы, очень широк; чаще всего используются миллиметровые и сантиметровые волны, т.е. частоты порядка 880-915 МГц или 2450 МГц. Также могут быть использованы меньшие частоты порядка 13,56 МГц, 27,12 МГц или 433 МГц.

Между выходом генератора 14 и полостью 12 разряда установлен волновод. Для охлаждения волновода вокруг него установлено устройство 13 для циркуляции воды.

Корпус 15 предназначен для задержки подачи плазмы из зоны разряда в корпус 16 обработки, в котором находится пористое тело, подлежащее обработке. Корпус 15 соединяет полость разряда 12 и корпус 16 для обработки.

Как показано на фиг. 2, в корпусе 16 обработки расположен реактор 17, установленный с возможностью вращения, в котором проводят перемешивание обрабатываемых пористых тел 20. Одновременно может обрабатываться большое количество пористых тел.

Реактор 17 приводится в движение известным способом посредством мотора 18, при этом выступы 17а, находящиеся внутри реактора, способствуют перемешиванию пористых тел 20.

Отверстие 16а на поверхности корпуса обработки позволяет помещать и вынимать из него обрабатываемые изделия.

Как показано стрелками на фиг.1, подаваемая с задержкой азотная плазма проходит через корпус 16 обработки и реактор 17 и затем обновляется с помощью блока 19 откачки. Этот блок откачки позволяет создать в корпусе обработки пониженное давление так, что азотная плазма всасывается в корпус обработки.

При реализации способа обработки в соответствии с изобретением с помощью описанного выше устройства пористые тела 20 подвергают в корпусе 16 воздействию подаваемой с задержкой холодной плазмы азота, т.е. послеразрядной неионной удаленной плазмы азота.

Пористые тела 20 могут быть изготовлены из фриттированных порошков, таких как порошки полиэтилена или полипропилена. Они могут состоять из одного или нескольких полимерных или композиционных материалов. Такие пористые тела получают путем обжига при температуре порядка 220^oС. Используемые порошки имеют гранулометрический состав от 1 до 1000 мкм, при этом пористое тело имеет пористость в интервале от 1 до 50 мкм.

Предлагаемым способом могут быть эффективно обработаны также другие пористые тела, в частности, например текстильное, натуральное или синтетическое волокно акрилового или полиэфирного типа, различные пластмассы, керамика.

При применении данного способа в качестве пористого тела 20, например такого, как показано в разрезе на фиг.3В, можно использовать пишущий наконечник маркера, который соединен с резервуаром, заполненным чернилами.

Такие фетровые наконечники или наконечники маркеров обычно изготавливают путем фриттирования полиэтиленового или полипропиленового порошка, как это описано выше.

На фиг.3А и 3В чернила показаны жирными линиями внутри пор пористого тела 20.

Можно видеть, что благодаря способу обработки в соответствии с изобретением наконечник 20 на фиг.3B смочен однородно и полностью Напротив, наконечник 20 на фиг.3А, обработанный обычным способом, не обладает однородными гидрофильными свойствами во всех точках.

Как видно из фиг.3А, чернила проникают в поры наконечника 20 лишь на поверхности, тогда как на фиг.3В видно, что в наконечнике 20, обработанном предложенным способом, чернила проникают во внутренние поры вплоть до центра наконечника.

Другое применение предлагаемого способа состоит в обработке фильтрационных мембран, в частности для последующего проведения селективной фильтрации.

Предлагаемый способ может также быть применен для обработки в качестве пористых тел мембран для электролиза или ультрафореза.

Очевидно, что в пределах объема изобретения в описанный выше пример могут быть внесены различные изменения.

Формула изобретения

1. Способ увеличения смачиваемости пористого тела (20) жидкостью, при котором указанное пористое тело (20), находящееся в корпусе для обработки (12, 15, 16), подвергают воздействию азотной плазмы, полученной разрядом электромагнитной волны в газообразный азот, отличающийся тем, что азотная плазма в корпусе (16) для обработки является послеразрядной неионной удаленной плазмой азота, что позволяет обрабатывать пористое тело целиком и обеспечивает его однородное и полное смачивание.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газообразный азот содержит кислород в количестве от 1 до 5% от общего количества газа.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что температура внутри корпуса для обработки равна температуре окружающей среды.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что пористое тело состоит из одного или нескольких полимерных или композиционных материалов.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что пористое тело изготовлено из фриттированных порошков.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что пористое тело содержит полиэтилен.

7. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что пористое тело содержит полипропилен.

8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что плазма проникает в пористое тело на глубину порядка 10 см.

9. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что пористое тело (20) изготовлено из текстильного волокна.

10. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что пористое тело (20) имеет пористость в пределах от 1 до 50 мкм.

11. Устройство для реализации способа по любому из пп. 1-10, содержащее средства (10, 11) подачи газообразного азота в полость (12) разряда; средства (13, 14) подачи электромагнитной волны в указанную полость (12) разряда и получения азотной плазмы; средства формирования корпуса (12, 15, 16), содержащего обрабатываемые пористые тела и азотную плазму, причем корпус (15), проходящий между полостью разряда (12) и корпусом (16) для обработки, предназначен для введения азотной плазмы в корпус (16) обработки, а этот корпус (16) для обработки содержит вращающийся реактор (17), в котором происходит перемешивание многочисленных обрабатываемых пористых тел.

12. Способ по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что пористое тело представляет собой пишущий наконечник маркера, причем этот наконечник пригоден для прямого контакта с резервуаром с чернилами.

13. Способ по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что пористое тело представляет собой фильтрационную мембрану.

14. Способ по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что пористое тело представляет собой мембрану для электролиза или электрофореза.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3