Способ обработки фторопласта

Изобретение относится к способу обработки фторопласта, который может быть использован для изготовления защитных покрытий металлических и/или любых окрашенных поверхностей, для консервации металлических поверхностей деталей без дальнейшей их расконсервации, в качестве составной части антифрикционных добавок, в том числе, для моторных масел автомобилей. Способ заключается в том, что реактор псевдокипящего слоя, в который помещен фторопласт, нагревают до 480-540°С. Одновременно через слой фторопласта подают поток инертного газа, нагретого до температуры 400-500°С. В качестве инертного газа используют инертный газ, имеющий плотность больше, чем у воздуха. В результате фторопласт переводят в мелкодисперсную фазу за счет его испарения. Затем осуществляют постепенное охлаждение частиц фторопласта до температуры от 150 до 20°С. Далее частицы фторопласта собирают и получают целевой продукт. Изобретение позволяет улучшить антифрикционные свойства и повысить выход продукта. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области фторорганической химии и может быть использовано в различных областях науки и техники, например, для изготовления защитных покрытий металлических и (или) любых окрашенных поверхностей, для консервации металлических поверхностей деталей без дальнейшей их расконсервации, являться составной частью антифрикционных добавок, в том числе для моторных масел автомобилей, а также в частности в области утилизации отходов термопластичных полимеров.

Известные способы получения порошка фторопласта из суспензии фторопласта, заключающиеся в получении готового продукта (порошка) в процессе получения фторопласта при полимеризации [Чегодаев Д.Д., Наумова З.К. и Дунаевская Ц.С. Фторопласты, Л.: Госхимиздат, 1960]. Полученную суспензию центрифугируют, раствор над полученным осадком сливают, а осадок сушат при температуре 110-120°С. Полученный порошок смешивают в нужной пропорции с растворителями. Степень дисперсности получаемого порошка составляет выше 10 мкм. Коэффициент трения при нагрузке 80 кгс составляет 0,05. Известны способы получения порошков полимеров с использованием твердофазного сдвигового экструзионного измельчения термопластов с помощью шнековых измельчающих установок [SU 1213612, 1993]. Способ включает в себя нагрев термопласта и измельчение его путем воздействия давления и сдвиговых деформаций при одновременном охлаждении. Другой подобный способ предполагает дополнительное псевдоожижение получаемого порошка в потоке газа более низкой температуры, чем порошок [заявка RU 97120723, 1999]. Способы могут быть использованы для измельчения широкой гаммы термопластов, в том числе и их отходов, например полиэтилена, полипропилена, политетрафторэтилена (ПТФЭ) и т.п. Недостаток способов заключается в больших энергетических затратах и невысокой степени дисперсности получаемого порошка (размер частиц менее 150 мкм).

Для получения тонкодисперсного порошка ПТФЭ. Широко используемого в качестве антифрикционного материала, известно несколько способов, основанных на термодеструкции фторопласта при 480-540°С в потоке циркулирующих газообразных продуктов термодеструкции, содержащих инертные газы и/или газы, обладающие восстановительными свойствами. Получаемый порошок состоит из монофракционных частиц размером около 0,1-1,0 мкм, имеющих сферическую форму и обладающих свойствами ПТФЭ.

Согласно одному из способов после нагрева фторопласта последующее его испарение происходит в токе инертного газа (гелий, аргон) при времени пребывания продуктов испарения в зоне нагрева 0,2...3 с с дальнейшей конденсацией мелкодисперсного порошка ПТФЭ на стенках реактора, охлаждаемых до 100°С [SU 1818328, 1993].

Согласно другим способам утилизации отходов фторопласта и получения преимущественно тонкодисперсного порошка осуществляют продувку установки сухим азотом, подачу измельченных отходов фторопласта в реактор, их нагрев, перемещение и охлаждение продуктов деструкции фторопластов, сбор тонкодисперсного порошка [патент RU 2035308, 1995]; причем нагрев может осуществляться через тело расплава до 520-530°С, а горячие продукты деструкции фторопластов перемещают охлажденным газом-носителем в охлажденную трубу, в которой они осаждаются на стенке в холодильнике и собираются в сборниках-ресиверах в виде порошковой массы, которая разгружается в тару [патент RU 2133196, 1999]. Непрореагировавшая часть газообразных продуктов термодеструкции фторопластов может подаваться насосом через систему холодильников к зеркалу расплава в качестве газа-носителя.

Также известны способы термодеструкции фторопласта (или его отходов) при 480-510°С в потоке, включающем фтористый водород с последующим охлаждением продуктов обработки [SU 1662100, 1999], при этом может осуществляться циркуляция газового потока, содержащего газообразные продукты термодеструкции, охлажденные перед возвращением в зону реакции до комнатной температуры [SU 1808194, 2000]. Использование целевых продуктов - инертных газов и/или газов, обладающих восстановительными свойствами - увеличивает стоимость готового продукта и предъявляет специальные требования к используемому оборудованию.

Известен способ получения тонкодисперсного ПТФЭ путем термодеструкции фторопласта-4 при 480-540°С в потоке циркулирующих газообразных продуктов термодеструкции, содержащих 0,05-1 об.% ненасыщенного водой кислорода или 0,1-5 об.% насыщенного водой воздуха [патент RU 2100376, 1997]. Фторопласт-4 предварительно измельчают, а газовый поток с образовавшимися продуктами термодеструкции направляют в холодильник, где газовая смесь охлаждается до комнатной температуры, а затем в ловушку, где и происходит осаждение сконденсировавшегося тонкодисперсного ПТФЭ. Использование чистого кислорода, а также насыщение его или воздуха влагой, усложняет технологический процесс, оборудование, что приводит к увеличению стоимости готового продукта.

Из RU 2210577, 20.08.2003 известен способ получения тонкодисперсных полимерных порошков путем переработки отходов карбоцепных термопластов, таких как политетрафторэтилен, полиэтилен, полиизобутилен. Способ осуществляют путем термодеструкции нагретых отходов карбоцепного термопласта в потоке газообразных продуктов термодеструкции, содержащем 0,1-5 об.% воздуха, с последующим охлаждением сконденсировавшегося тонкодисперсного порошка, причем используют воздух с содержанием влаги не более 0,1 об.%, а термодеструкции подвергают отходы политетрафторэтилена при 400-480°С, или отходы полиэтилена при 380-405°С, или отходы полипропилена при 375-395°С, или отходы полиизобутилена при 330-350°С; термодеструкцию лучше вести в циркулирующем потоке газообразных продуктов термодеструкции. Для ускорения технологического процесса можно, в частности, использовать псевдокипящий слой нагретого карбоцепного термопласта, например, с помощью пропускания сквозь него воздуха или с помощью вибрации. Использование воздуха с определенным содержанием влаги усложняет процесс, кроме того, для осуществления способа требуется сложное оборудование.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является известный способ обработки фторопласта путем его нагрева 480-540°С, перевода его в мелкодисперсную фазу в потоке инертного газа за счет его испарения, охлаждения до температуры менее 110°С, сбора частиц фторопласта и получения целевого продукта, охлаждение осуществляют инертным газом, взятым в количестве, равном 1:3 по отношению к объему исходного инертного газа, в течение времени, равном не более 0,1 с, а сбор частиц фторопласта осуществляют абсорбцией растворителем до получения суспензии, из которой, в случае необходимости, выделяют порошок фторопласта.

В известном случае в качестве инертного газа используется азот.

Процесс проводят в проточном кварцевом реакторе. Выход продукта составляет 50-75 г/ч; размер полученных частиц составляет 0,1-0,2 мкм; 0,4-0,6 мкм; 0,6-1,0 мкм; коэффициент трения составляет 0,005 (при нагрузке 80 кгс) [патент RU 2124525, 1999].

Технической задачей заявленного изобретения является дальнейшее усовершенствование способа, улучшение антифрикционных свойств готового продукта и повышение выхода при осуществлении процесса в проближенных условиях.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе обработки фторопласта путем нагрева его до 480-540°С, перевода его в мелкодисперсную фазу в потоке инертного газа за счет его испарения, охлаждения, сбора частиц фторопласта и получение целевого продукта, нагрев и испарение фторопласта осуществляют в реакторе с псевдокипящим слоем фторопласта, создаваемого путем пропускания инертного газа, нагретого до температуры 400-500°С через слой фторопласта, в качестве инертного газа используют инертный газ, имеющий плотность больше, чем у воздуха, охлаждение частиц фторопласта осуществляют, постепенно охлаждая до температуры от 150 до 20°С. В качестве инертного газа используют, например аргон или ксенон. В качестве исходного фторопластового материала используют, в частности, отходы фторопласта, например отходы политетрафторэтилена (ПТФЭ) марок Ф-4, Ф-4Д, и другие отходы фторопластов, предварительно измельченные. Сами отходы фторопласта представляют собой, например стружку фторопласта, являющуюся отходом производства и отработки фторопластовых изделий. Ниже представлены примеры осуществления способа по изобретению, иллюстрирующие его, но не ограничивающие объем притязаний.

Пример 1. 100 г порошка исходного фторопластового материала предварительно измельченного, например отходов фторопласта-4Д, помещают в реактор, изготовленный из нержавеющей стали. Производят нагрев реактора до 540±5°С с одновременной подачей через слой фторопласта (кипящий слой) нагретого аргона до температуры 400±5°С со скоростью 300 мл/мин. Улавливаем образовавшийся микропорошок фторопласта при помощи рукавного фильтра, постепенно охлаждая до температуры от 150 до 20°С. Выход продукта составил 55%. Размер частиц фторопласта, определенный с помощью микроскопа, составляет менее 0,2 мкм (в среднем 0,1 мкм).

Коэффициент трения по стали при нагрузке 80 кгс, определенный на четырехшариковой машине, составляет 0,003.

Производительность установки составила 60 г/ч, что на 10-12% выше, чем у прототипа. В прототипе процесс осуществляют в проточном реакторе.

Пример 2. Аналогично примеру 1, но температура нагрева реактора 500±5°С, постепенно охлаждая до температуры от 150 до 20°С; инертный газ - ксенон. Выход продукта 62%; размер частиц (порошка) 0,2-0,5 мкм, производительность процесса 65 г/ч. Коэффициент трения 0,003.

Пример 3. Аналогично примера 1, но температура нагрева реактора 480±5°C, постепенно охлаждая до температуры от 150 до 20°С; инертный газ - аргон. Выход продукта 47%; размер частиц 0,6-1,0 мкм; производительность 40 г/ч. Коэффициент трения 0,003.

При использовании в качестве инертного газа азота, при прочих равных условиях, выход продукта составил 36-40%.

Таким образом, совместное использование в способе определенных условий нагрева, охлаждения, а также в сочетании с выбранным инертным газом и использование псевдокипящего слоя позволяет повысить выход продукта и улучшить его качество, в частности улучшить его антифрикционные свойства.

Пример 4. В результате проведенных сравнительных анализов структуры методом ИК-спектрометрии полученного порошка фторопласта по заявленному способу и порошка, полученному по патенту-прототипу, выявлено, что структура фторопласта по прототипу содержит на концах молекул кислородсодержащие окончания в виде альдегидных и кислотных групп. Порошок, полученный по заявленному способу таких групп, не содержит, что может объяснить различие в заявленных качественных характеристиках сравниваемых продуктов.

1. Способ обработки фторопласта путем нагрева его до 480-540°С, перевода его в мелкодисперсную фазу в потоке инертного газа за счет его испарения, охлаждения, сбора частиц фторопласта и получение целевого продукта, отличающийся тем, что нагрев и испарение фторопласта осуществляют в реакторе с псевдокипящим слоем фторопласта, создаваемого путем пропускания инертного газа, нагретого до температуры 400-500°С через слой фторопласта, в качестве инертного газа используют инертный газ, имеющий плотность больше, чем у воздуха, охлаждение частиц фторопласта осуществляют, постепенно охлаждая до температуры от 150 до 20°С.

2. Способ обработки фторопласта по п.1, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют аргон или ксенон.