Гибкие адсорбирующие изделия - RU2380153C2

Чертежи

Описание

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к гибким адсорбирующим материалам, обладающим повышенной водопоглощающей способностью и содержащим, по меньшей мере, один пористый функциональный твердый материал, заключенный в полимерную матрицу. Настоящее изобретение, кроме того, относится к изделию заданной формы, содержащему указанный адсорбирующий материал, способу его получения и его использованию.

Известными примерами пористых функциональных твердых материалов являются цеолиты, а также другие алюмосиликаты, обладающие функциональными свойствами, силикагели и силикагели с дополнительным компонентом. Под функциональными свойствами понимаются избирательная и неизбирательная адсорбция и десорбция молекул, нашедшие применение для сушки любых газов и жидкостей, обогащения или очистки в целом ряде отраслей промышленности, таких как химическая, нефтехимическая, газо- и нефтеперерабатывающая, пищевая. Кроме того, такие материалы используют в качестве адсорбентов и средств разделения для осуществления анализа, подготовки и сушки при проведении диагностики, в фармацевтической, косметической и пищевой промышленности. Кроме того, пористые функциональные твердые материалы используют в качестве катализаторов.

Если такие материалы имеют форму порошков или таблеток, которые характеризуются ограниченной износостойкостью и используются в промышленном масштабе в виде насыпного неподвижного слоя, то тогда образующиеся в результате истирания в ходе эксплуатации пылевидные частицы нарушают работу технологического оборудования.

В патенте US 5432214 описан состав обезвоживающих пластиков, содержащих, кроме прочего, от 50 до 80 вес.% одного или более термореактивного полимера и от 20 до 50 вес.% одного или более обезвоживающего средства, которое предпочтительно выбирают из силикагелей или молекулярных сит. Если полимерный компонент этих смесей состоит из одного или более термореактивных полимеров, их преобразование в твердые тела различной формы, например, полые цилиндры или пластины, осуществляют, предпочтительно, путем экструзии. Одним из недостатков такого обезвоживающего термореактивного материала с наполнителем является отсутствие у полимера гибкости, что определяет чрезвычайно высокую жесткость полимерной пленки или изделия.

В международной патентной заявке № 9633108 описан контейнер, обладающий свойством сушки. Этот контейнер содержит, кроме прочего, вставку, изготовленную из связанного с адсорбентом полимера. Концентрация адсорбента, содержащегося в этой вставке, может превышать 75%, однако обычно ее величина лежит в диапазоне от 40 до 75 вес.% адсорбента относительно веса полимера. Хотя такие концентрации для полимерных адсорбентов считаются высокими, свойства изделия ограничены из-за того, что полимерная матрица, в которую заключены частицы адсорбента, чрезвычайно жесткая.

В ряде патентов, выданных Hekal и др., например US 6174952 В1, US 6194079 В1 и US 6214255 В1, описаны монолитные составы, содержащие нерастворимый в воде полимер, гидрофильное средство и абсорбирующий материал. В одном из вариантов осуществления получают связанный с абсорбирующим материалом полимер, используемый при производстве контейнеров и упаковки для изделий, нуждающихся в регулируемой среде. Когда указанный продукт отверждается, гидрофильное средство образует соединительные каналы, по которым нужный состав передается к водопоглощающему материалу. Недостаток этих материалов заключается в том, что, в силу природы полимера, он сообщает водопоглощающему материалу жесткость.

Специалистам в данной области хорошо известно, что величина таких параметров, как долговечность и сопротивление излому, для смесей, изготовленных на основе органических полимеров, содержащих компоненты, представляющие собой функциональные твердые материалы, имеет тенденцию к снижению при очень большой концентрации функциональных твердых материалов.

Другой подход к этой проблеме, описываемый в WO 9949964, состоит в изготовлении изделий заданной формы из реакционной смеси, включающей цеолит, пластификатор и неорганические связующие, т.е. силоксаны. Такие материалы характеризуются относительно высоким содержанием цеолита, от 40 до 90% вес. (по отношению к весу реакционной смеси, используемой для изготовления изделий заданной формы), и благоприятными параметрами кинетики водопоглощения. Однако при сшивании силиконовой матрицы необходимо точное регулирование температуры реакционной смеси. Кальцинирование как при слишком высокой, так и при слишком низкой температуре может стать причиной недостаточной прочности изделий при сжатии. В ходе сушки неорганические связанные экструдаты имеют тенденцию к усадке на величину до 15%, что отрицательно влияет на точность воспроизведения формы. Во многих случаях такая усадка вызывает образование трещин и, следовательно, неприемлемый процент брака. Более того, неорганические связанные экструдаты чрезвычайно негибкие.

В патентной литературе, например, в документах US 5384047 (C.A.Sheckler), JP 62201642 A (Keinoke Isono), US 5149435 (H.J.Laube), WO 9949964 A (Grace GmbH), US 5114584 A (C.A.Sheckler), US 4433063 (Bernstein P. et al.), EP 0119913 A (Commisariat Energie Atomique), описываются адсорбенты, введенные в полимеры. Во всех этих случаях полимер нужен только как замена неорганического связующего, что повышает механическую стабильность и/или упрощает процесс производства. Ни в одном из этих патентов не упоминается гибкое адсорбирующее изделие. В документе US 4013566 (Taylor R Daniel) описываются изделия полимерных адсорбентов для систем с жидкими хладагентами, состоящие из цеолита и двух- или многокомпонентной полимерной системы. Соответствующий процесс производства состоит из нескольких этапов смешивания и нагревания, предшествующих приданию изделию формы. После придания формы продукт должен быть отвержден. В документе US 6458187 B1 (Grace GmbH & Co. KG) описано производство и использование изделия цеолита заданной формы, включая форму стержня, полученного путем экструзии и пригодного, кроме прочего, для сушки охлаждающих жидкостей. В отличие от настоящего изобретения, изделия адсорбентов по US 6458187 B1 являются жесткими, обладают некоторой упругостью, но определенно не являются гибкими. В документе US 6318115 (Kirchner et al.) описано использование осушителя, соответствующего US 6458187 B1, в конденсаторе холодильной установки. Изделие осушителя может быть размещено непосредственно в конденсаторе холодильной установки, т.е. отдельный картридж с осушителем становится ненужным. Отметим, что при стандартной компоновке картриджи с осушителем изготавливают отдельно и присоединяют к конденсатору путем сварки. В патенте US 4013566 описано адсорбирующее изделие, включающее молекулярное сито, распределенное в алифатической эпоксидной полимерной матрице. Эта смола не является термопластом, напротив, это реактопласт, поэтому адсорбирующее изделие по своей природе не может быть по-настоящему гибким.

Ни в одной из указанных выше публикаций не описывается изделие заданной формы, образованное полимером, наполненным большим количеством пористого функционального твердого материала, которое бы обладало заданными параметрами кинетики водопоглощения и упругостью, приемлемыми с точки зрения их использования там, где нужны очень гибкие адсорбирующие изделия.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится к гибкому адсорбирующему изделию, которое состоит из термопластичной полимерной матрицы и пористого твердого функционального материала, и в котором материал матрицы адсорбирующего изделия при 23°С обладает модулем упругости при изгибе, превышающим примерно 10 МПа. Обычно материал матрицы гибкого адсорбирующего изделия при 23°С обладает модулем упругости при изгибе от примерно 10 до примерно 1000 МПа, предпочтительно модуль упругости при изгибе при 23°С равен от примерно 10 до примерно 500 МПа, более предпочтительно модуль упругости при изгибе при 23°С равен от примерно 10 до примерно 100 МПа, еще более предпочтительно модуль упругости при изгибе при 23°С равен от примерно 10 до примерно 70 МПа.

Обычно гибкое адсорбирующее изделие при 25°С и относительной влажности 10% обладает водопоглощающей способностью, по меньшей мере, 5 вес.% воды относительного общего веса изделия; указанное изделие содержит, по меньшей мере, 30 вес.% адсорбента относительного общего веса изделия. Предпочтительно, гибкое адсорбирующее изделие при 25°С и относительной влажности 10% обладает водопоглощающей способностью, по меньшей мере, 10 вес.% воды относительного общего веса изделия; указанное изделие содержит, по меньшей мере, 70 вес.% адсорбента относительного общего веса изделия. Обычно материал полимерной матрицы гибкого адсорбирующего изделия обладает температурой стеклования менее чем примерно 10°С, предпочтительно температура стеклования этого полимера лежит в диапазоне примерно от 0 до -60°С. Обычно материал полимерной матрицы гибкого адсорбирующего изделия, имеющий форму пленки толщиной 100 мкм, при 23°С обладает коэффициентом проницаемости, превышающим примерно 1 г/м²д, предпочтительно материал полимерной матрицы гибкого изделия адсорбента, имеющий форму пленки толщиной 100 мкм, при 23°С обладает коэффициентом проницаемости, превышающим примерно 5 г/м²д, более предпочтительно этот полимер, имеющий форму пленки толщиной 100 мкм, при 23°С обладает коэффициентом проницаемости, превышающим примерно 10 г/м²д. Обычно полимер гибкого адсорбирующего изделия включает термопластичный полимер или термореактивный полимер в термопластичном или сшитом состоянии либо состоит из других термопластичных полимеров, характеризующихся описанным в настоящем документе профилем свойств, таких как, кроме прочего, эфиры простых полиэфиров, сополимеры этилена и винилацетата, стирола и бутадиена, этилена и октена. Обычно адсорбирующий материал гибкого изделия может быть образован пористым функциональным твердым адсорбирующим материалом. Предпочтительными функциональными твердыми материалами являются адсорбенты, например вещества, обладающие адсорбционными свойствами или способностью к сушке, которые могут быть использованы для кондиционирования, разделения или очистки газов или жидкостей, такие как активированный уголь, активированная глина, силикагель, силикагель с дополнительным компонентом или алюмосиликат. Предпочтительно функциональные твердые материалы могут представлять собой цеолит, более предпочтительно функциональные твердые материалы могут представлять собой цеолит 3А. Обычно адсорбент присутствует в количестве от примерно 30 до приблизительно 85% веса твердого изделия, а полимер присутствует в количестве от 70 до примерно 15% веса изделия. Поперечное сечение гибкого адсорбирующего изделия может иметь форму овала, квадрата, прямоугольника, трилистника, колеса повозки, пчелиных сот или пленки, которая может быть скручена, либо иметь любую другую форму, образованную при прессовании, экструдировании и т.д., что хорошо известно специалистам в области пластического формования. Предпочтительными способами формования являются экструзия, совместная экструзия, каландрование, литье под давлением, прямое прессование, выдувное формование. Гибкое адсорбирующее изделие, являющееся объектом настоящего изобретения, может быть использовано в различных устройствах для кондиционирования, разделения или очистки газов или жидкостей.

В другом варианте осуществления настоящее изобретение включает способ изготовления гибкого адсорбирующего изделия путем подготовки смеси термопластичной полимерной матрицы и пористого адсорбента, экструдирования данной смеси с образованием адсорбирующего изделия; резки изделия на куски нужного размера или его скручивания. Любой из этих этапов или все этапы могут быть осуществлены в не содержащей влагу атмосфере. Смесь может быть изготовлена с использованием концентрированной маточной смеси адсорбент-полимер, которую разбавляют путем добавления чистого полимера. Смесь полимера и адсорбента подготавливают при помощи одношнекового или двушнекового экструдера с вращающимися в одном направлении шнеками, оборудованного экструзионной головкой, пригодной для формования гибких экструдатов.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения относится к устройству для кондиционирования, разделения или очистки газов и жидкостей, образованному гибким адсорбирующим изделием и корпусом, в котором имеются изогнутые части, включающие гибкое адсорбирующее изделие. В данное устройство могут входить холодильные, охлаждающие или климатические системы. В корпусе может находиться контур охлаждающей системы, а именно конденсаторные или испарительные трубки. Гибкое адсорбирующее изделие может быть размещено в корпусе до или после формирования изогнутых частей.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает способ изготовления устройства для кондиционирования, разделения или очистки газов и жидкостей путем обеспечения гибким адсорбирующим изделием; обеспечения корпуса, в котором размещено гибкое адсорбирующее изделие; изменения формы корпуса с целью создания изогнутых частей. Гибкое адсорбирующее изделие может быть размещено в корпусе до или после формирования изогнутых частей. В данное устройство могут входить холодильные, охлаждающие или климатические системы. В корпусе может находиться контур охлаждающей системы, а именно конденсаторные или испарительные трубки.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой графическое отображение зависимости вязкости от скорости сдвига материала полимерной матрицы гибкого адсорбирующего изделия, являющегося объектом настоящего изобретения, при трех различных величинах температуры.

Фиг. 2 представляет собой графическое отображение кинетики водопоглощения бруска осушителя, соответствующего настоящему изобретению.

Фиг. 3 представляет собой графическое отображение кинетики водопоглощения монолита, соответствующего настоящему изобретению.

Фиг. 4 представляет собой графическое отображение кинетики водопоглощения пленки, соответствующей настоящему изобретению.

Фиг. 5 представляет собой графическое отображение кинетики водопоглощения пленки, соответствующей настоящему изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Настоящее изобретение относится к составлению и изготовлению гибкого адсорбирующего изделия, включающего адсорбирующий материал, введенный в гибкую полимерную матрицу. Такой гибкий адсорбент может быть использован для сушки газов и жидкостей в различных промышленных процессах разделения и очистки, включая нерегенеративные процессы (то есть без регенерации адсорбента во время использования), таких как сушка жидких хладагентов холодильных и климатических систем.

Кроме того, гибкое адсорбирующее изделие, являющееся объектом настоящего изобретения, в сочетании с надлежащей упаковкой может быть использовано для защиты от влаги чувствительных элементов постоянно и непостоянно упакованных изделий. Например, такая упаковка может заключать в себе продукты питания, фармацевтические и диагностические средства, косметические, электронные, оптические, оптоэлектронные изделия, а также микро- и наномеханические элементы, и где в качестве осушителей и поглотителей влаги в контейнерах и пузырьках с медикаментами, коробках и картриджах для хранения диагностических средств и использованных диагностических средств, и для хранения использованных диагностических средств до утилизации, гибкое адсорбирующее изделие размещено внутри или прикреплено к пузырькам, контейнерам, коробкам, картриджам или является их неотъемлемой частью. Гибкое адсорбирующее изделие может быть особенно полезно в качестве замены картриджей с осушителем и жестких изделий осушителя, поскольку может быть размещено непосредственно в конденсаторной трубке охлаждающего устройства. В отличие от используемых в современных устройствах картриджей с осушителем и жестких изделий осушителя, гибкие адсорбирующие изделия, являющиеся объектом настоящего изобретения, после экструзии могут быть скручены, храниться в рулонах, навиты и введены непосредственно в линию конденсатора. Гибкое адсорбирующее изделие может быть нарезано на куски нужной длины и введено в виде одного куска в конденсаторную трубку перед или после ее формирования, придания формы или изгибания.

В одном из вариантов своего осуществления настоящее изобретение относится к гибкому адсорбирующему изделию, которое включает термопластичную полимерную матрицу и пористый твердый адсорбирующий материал, каковой при 23°С обладает модулем упругости при изгибе, превышающим примерно 10 МПа. Обычно гибкое адсорбирующее изделие при 23°С обладает модулем упругости при изгибе от примерно 10 до примерно 1000 МПа, предпочтительно модуль упругости при изгибе при 23°С равен от примерно 10 до примерно 500 МПа, более предпочтительно модуль упругости при изгибе при 23°С равен от примерно 10 до примерно 100 МПа, еще более предпочтительно модуль упругости при изгибе при 23°С равен от примерно 10 до примерно 70 МПа. Обычно гибкое адсорбирующее изделие при 25°С и относительной влажности 10% обладает водопоглощающей способностью, по меньшей мере, 5 вес.% воды относительного общего веса изделия; указанное изделие содержит, по меньшей мере, 30 вес.% адсорбента относительного общего веса изделия. Предпочтительно, гибкое адсорбирующее изделие при 25°С и относительной влажности 10% обладает водопоглощающей способностью, по меньшей мере, 10 вес.% воды относительного общего веса изделия; указанное изделие содержит, по меньшей мере, 70 вес.% адсорбента относительного общего веса изделия. Гибкое адсорбирующее изделие обладает скоростью водопоглощения от примерно 0,001 вес.%/час при относительной влажности 10% до примерно 40,0 вес.%/час при относительной влажности 80%. Обычно полимер, входящий в состав гибкого адсорбирующего изделия, обладает температурой стеклования менее чем примерно 10°С, предпочтительно температура стеклования этого полимера лежит в диапазоне примерно от 0 до -60°С. Обычно полимер, входящий в состав гибкого адсорбирующего изделия, имеющий форму пленки толщиной 100 мкм, при 23°С обладает коэффициентом проницаемости, превышающим примерно 1 г/м²д, предпочтительно этот полимер, имеющий форму пленки толщиной 100 мкм, при 23°С обладает коэффициентом проницаемости, превышающим, примерно, 5 г/м²д, более предпочтительно этот полимер, имеющий форму пленки толщиной 100 мкм, при 23°С обладает коэффициентом проницаемости, превышающим примерно 10 г/м²д. Обычно полимер, входящий в состав гибкого адсорбирующего изделия, включает термопластичный полимер, эластомер или термореактивный полимер в термопластичном или сшитом состоянии либо состоит из других термопластичных полимеров, характеризующихся описанным в настоящем документе профилем свойств, таких как, кроме прочего, эфиры простых полиэфиров, сополимеры этилена и винилацетата, стирола и бутадиена, этилена и октена. Обычно адсорбирующий материал гибкого адсорбирующего изделия может быть образован пористым функциональным твердым адсорбирующим материалом. Предпочтительными функциональными твердыми материалами являются адсорбенты, например вещества, обладающие адсорбционными свойствами или способностью к сушке, которые могут быть использованы для кондиционирования, разделения или очистки газов или жидкостей и включают аморфные или кристаллические неорганические оксиды, алюмосиликаты, содержащие атомы щелочных (Ме⁺) и щелочноземельных (Ме²⁺) металлов, их твердые растворы, алюмосиликаты, содержащие Ме⁺ и Ме²⁺, где Ме⁺ и Ме²⁺ частично замещены любым подходящим ионом металла, относящегося к переходным элементам, элементам групп IIIA, IVA, VA и VIA Периодической системы элементов в любых сочетаниях, их твердые растворы, фосфаты алюминия, фосфаты алюминия и Ме⁺ и Ме²⁺, их твердые растворы, фосфаты алюминия и Ме⁺ и Ме²⁺, где Ме⁺ и Ме²⁺ частично замещены любым подходящим ионом металла, относящегося к переходным элементам, элементам групп IIIA, IVA, VA и VIA Периодической системы элементов в любых сочетаниях, их твердые растворы, активированный уголь и любые сочетания указанных выше типов адсорбентов. Также является предпочтительным, чтобы эти адсорбенты включали в себя силикаты каркасной структуры (как описано в Deel; Howie & Zussman, The Rock Forming Minerals, 2^nd Edition, Longman Scientific & Technical, Harlow, Essex, England, 1993), составы с изо-структурой, изоморфные, соответственно, по отношению к указанным силикатам каркасной структуры, зольную пыль, столбовидные слоистые глины, аморфные и кристаллические фосфаты алюминия, силикагели, силикагели с дополнительным компонентом, аморфный оксид алюминия, аморфный оксид титана, аморфный оксид циркония, активированный уголь, любые их сочетания, однако цеолиты групп 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7 (по Donald W. Breck, Zeolite Molecular Sieves, Robert E. Kriegel; Publishing CoMPany; Malabal; Florida, 1984), составы с изо-структурой, изоморфные, соответственно, по отношению к указанным типам цеолитов, силикагелей, силикагелей с дополнительным компонентом, и любые их сочетания являются особенно предпочтительными. Термин «изо-структура» и, соответственно, «изоморфный» определяется в R.C.Evans, An Introduction to Crystal Chemistry, 2^nd Edition, Cambridge University Press, London, 1966. Среди кристаллических неорганических оксидов предпочтительными являются цеолиты групп 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7, составы с изо-структурой, изоморфные, соответственно, по отношению к указанным типам цеолитов, или любые их смеси. Еще более предпочтительными примерами указанных типов цеолитов являются принадлежащие к семейству цеолитов А (например, 3А, 4А, 5А), семейству цеолитов Х, семейству цеолитов Y (например, USY - сверхстабильный Y, DAY - деалюминированный Y), цеолит ZSM-5, включая чистый или легированный Silicalite, Chabazite, ZSM-11, MCM-22, MCM-41, семейству фосфатов алюминия, составы с изо-структурой, изоморфные, соответственно, по отношению к указанным типам цеолитов, или любые их смеси. Наиболее предпочтительными являются цеолиты, принадлежащие к семействам А, Х и Y. Обычно адсорбент присутствует в гибком изделии адсорбента в количестве от примерно 30 до примерно 85% веса твердого изделия, а полимер присутствует в количестве от 70 до примерно 15% веса изделия. Поперечное сечение гибкого адсорбирующего изделия может иметь форму овала, квадрата, прямоугольника, трилистника, колеса повозки, пчелиных сот или пленки, которая может быть скручена, либо иметь любую другую форму, образованную при помощи формовочных устройств, хорошо известных специалистам в области пластического формования. Предпочтительными способами формования являются экструзия, совместная экструзия, каландрование, литье под давлением, прямое прессование и выдувное формование. Гибкое адсорбирующее изделие, являющееся объектом настоящего изобретения, может быть использовано в различных устройствах для кондиционирования, разделения или очистки газов или жидкостей.

Полимеры, пригодные для использования в соответствии с настоящим изобретением, обладают следующими физическими параметрами:

Температура продолжительной эксплуатации Т_LST: 40°С≤Т_LST≤120°С; предпочтительно 60°С≤Т_LST≤100°С.

Модуль упругости при изгибе при 23°С: 10-1000 МПа; предпочтительно 10-70 МПа.

Температура стеклования: <10°С; предпочтительно <-30°С.

Коэффициент проницаемости для воды полимера, имеющего форму пленки (100 мкм, 23°С): 1-500 г/м²д, предпочтительно >20 г/м²д.

Примерами полимеров, обладающих указанными свойствами, являются: Hytrel G3548L (эфиры простых полиэфиров), EVETANE 28-40 (сополимеры этилена и винилацетата, только в сшитом состоянии) - (КАК ВЫ ЭТО ДЕЛАЕТЕ?), Styroflex (сополимер стирола и бутадиена), Engage EG 8200 (сополимер этилена и октена, только в сшитом состоянии).

В другом варианте осуществления настоящее изобретение включает способ получения гибкого адсорбирующего изделия путем подготовки смеси термопластичной или термореактивной полимерной матрицы и пористого твердого адсорбента, экструдирования указанной смеси с образованием адсорбирующего изделия, нарезки этого изделия на куски нужного размера или его скручивания. Любой из этих этапов или все этапы могут быть осуществлены в сухой или не содержащей влагу атмосфере (то есть в атмосфере с температурой точки росы, равной -40°С). Смесь может быть изготовлена с использованием концентрированной маточной смеси адсорбент-полимер, которую разбавляют путем добавления чистого полимера. Поперечное сечение гибкого адсорбирующего изделия может иметь форму овала, квадрата, прямоугольника, трилистника, колеса повозки, пчелиных сот или пленки, которая может быть скручена, либо иметь любую другую форму, образованную при прессовании, экструдировании и т.д., что хорошо известно специалистам в области пластического формования. Предпочтительными способами формования являются экструзия, совместная экструзия, каландрование, литье под давлением, прямое прессование и выдувное формование. Полимерная матрица гибкого адсорбирующего изделия при 23°С может обладать модулем упругости при изгибе от примерно 10 до примерно 1000 МПа. Гибкое адсорбирующее изделие при 25°С и относительной влажности 10% может обладать водопоглощающей способностью, по меньшей мере, 5 вес.% воды относительного общего веса изделия; указанное изделие может содержать, по меньшей мере, 30 вес.% адсорбента относительного общего веса изделия. Полимер, входящий в состав гибкого адсорбирующего изделия, имеющий форму пленки толщиной 100 мкм, при 23°С может обладать коэффициентом проницаемости, превышающим примерно 1 г/м²д. Полимер, входящий в состав гибкого адсорбирующего изделия, может состоять из Hytrel G3548L (эфиры простых полиэфиров), EVETANE 28-40 (сополимеры этилена и винилацетата, только в сшитом состоянии), Styroflex (сополимер стирола и бутадиена), Engage EG 8200 (сополимер этилена и октена) в термопластичном или сшитом состоянии или из других термопластичных полимеров, обладающих описанными выше свойствами. Осушитель, входящий в твердый адсорбент гибкого адсорбирующего изделия, может включать активированный уголь, активированную глину, силикагель, силикагель с дополнительным компонентом, цеолиты групп 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7, включая составы с изо-структурой, такие как изоморфные формы указанных выше типов цеолитов, силикагелей, силикагелей с дополнительным компонентом, и любые их сочетания. Осушитель, входящий в гибкое адсорбирующее изделие, может присутствовать в количестве от примерно 30 до примерно 85% веса твердого изделия, а полимер может присутствовать в количестве от примерно 70 до примерно 15% веса изделия.

Вышеупомянутое изделие может быть изготовлено одностадийным или двухстадийным способом. Одностадийный способ может представлять собой сочетание смешивания и формования в одном устройстве. В двухстадийном способе, напротив, смешивание и формование выполняют последовательно и независимо на разобщенном оборудовании.

В варианте осуществления настоящего изобретения, относящемся к одностадийному способу, смешивание может быть осуществлено при помощи двушнекового экструдера с вращающимися в одном или в разных направлениях шнеками. Адсорбирующий материал может быть активирован до смешивания с полимером путем нагревания адсорбирующего материала до некоторой температуры (например, 600°С или выше) в течение времени, достаточного для получения материала, обладающего остаточным влагосодержанием около 2 вес.% или менее. Предпочтительно, составление смеси из компонентов осуществляют в сухой атмосфере (то есть в атмосфере с температурой точки росы, равной -40°С). Это особенно предпочтительно в случае адсорбирующего материала. Гранулы полимера могут быть загружены в экструдер-смеситель и расплавлены. Осушитель или адсорбирующий материал может быть добавлен к раствору полимера в следующей секции экструдера при помощи устройства подачи бокового потока. Подготовка смеси заканчивается, когда оба материала в зоне смешивания перемешаны до гомогенного состояния; этому двухфазному материалу можно придать нужную форму изделия при помощи экструзионной головки с одним или несколькими отверстиями. В этом одностадийном способе составление смеси, перемешивание и придание формы изделию может быть выполнено в экструдере со специализированными секциями для осуществления каждой стадии.

В варианте осуществления настоящего изобретения, относящемся к двухстадийному способу, составление смеси и перемешивание могут быть осуществлены в экструдере-смесителе с получением гранул в качестве промежуточного продукта, который затем может быть подвергнут обработке во втором экструдере (одношнековом или двушнековом экструдере), оборудованном соответствующей экструзионной головкой.

Изготовление и упаковка изделия в соответствии с настоящим изобретением могут быть осуществлены в сухой атмосфере (то есть в атмосфере с температурой точки росы, равной -40°С). Упаковка данного изделия может быть водонепроницаемой для сохранения изделия в активированном состоянии в процессе хранения и перевозки перед дальнейшей обработкой. В зависимости от геометрических размеров изделия и соответствующих свойств при изгибе, готовое гибкое изделие может быть скручено.

В зависимости от того, какая экструзионная головка была использована при экструзии, поперечное сечение изделия может иметь форму круга, квадрата, прямоугольника, трилистника, колеса повозки или любую другую. Кроме того, изделие может иметь форму трубки. В этом случае любые отклонения формы поперечного сечения от круглой могут привести к снижению равновесной водопоглощающей способности и, однако, увеличению параметров кинетики водопоглощения.

В другом варианте осуществления указанное изделие может обладать ячеистой структурой. Гибкое изделие осушителя с ячеистой структурой также может быть изготовлено одностадийным или двухстадийным способом. Соответствующее оборудование при этом может быть то же, что и используемое для производства твердого изделия, за исключением формы и конфигурации экструзионной головки. Пригодные для изготовления гибких изделий осушителя, обладающих ячеистой структурой, экструзионные головки позволяют получать путем экструдирования упорядоченные группы каналов, разделенных системой перегородок. В указанных двух вариантах осуществления изобретения, при одностадийном и двухстадийном способе изготовления, систему распределения расплава можно легко отрегулировать в соответствии с реологическими свойствами смесей полимера с большим количеством цеолитового адсорбента. Производство и упаковка гибких адсорбирующих изделий, обладающих ячеистой структурой, могут быть осуществлены в сухой атмосфере (то есть в атмосфере с температурой точки росы, равной -40°С). Кроме того, упаковка изделия с ячеистой структурой, предпочтительно, может быть водонепроницаемой для сохранения изделия в активированном состоянии в процессе хранения и перевозки перед дальнейшей обработкой.

Кроме того, путем экструзии и совместной экструзии плоских пленок могут быть изготовлены гибкие адсорбирующие изделия, имеющие форму тонких плоских пленок. Когда два или более экструдеров работают с одной экструзионной головкой для изготовления многослойных изделий, возможно получить двух- или многослойные пленки, где каждая отдельная пленка может обладать различными характеристиками, такими как водопоглощение (адсорбционный эффект) и образование водного барьера (гидроизолирующий эффект), и может быть нанесена на любую подложку, например алюминиевую фольгу или картон. Это можно реализовать как при помощи одностадийного, так и двухстадийного способа, с использованием одношнекового и/или двушнекового экструдеров. В первом случае перемешивание и придание формы связаны в единый одностадийный процесс. Совместная экструзия может быть осуществлена при помощи экструзионной головки для совместной экструзии плоских изделий или экструзионной головки для совместной экструзии пленок. Каждый слой может быть образован при помощи отдельного экструдера. Гибкие пленки, полученные совместной экструзией и являющиеся объектом настоящего изобретения, используемые для защиты чувствительных продуктов, могут иметь форму пакетов, гибких коробок или форму других типов гибких контейнеров, в которые помещают такие продукты и герметизируют.

Другим альтернативным вариантом изготовления однослойных и многослойных пленок является выдувание, тогда в последнем случае, по меньшей мере, один слой пленки имеет свойства адсорбента и, по меньшей мере, один другой слой пленки имеет отличные от него свойства, такие как гидроизолирование или влагонепроницаемость.

Другим альтернативным вариантом изготовления гибких адсорбирующих изделий, имеющих, практически, произвольную форму, является литье под давлением. Этот вариант осуществляют двухстадийным способом, при котором смешивание и литье под давлением выполняют последовательно на экструдере-смесителе (двушнековый экструдер) и устройстве для литья под давлением. Существует также и одностадийный способ, при котором смешивание и литье под давлением осуществляют при помощи устройства для составления смесей и литья под давлением.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения относится к устройству для кондиционирования, разделения и очистки газов и жидкостей, включающему гибкое адсорбирующее изделие и корпус, в котором имеются изогнутые части с гибким изделием адсорбента. Поперечное сечение гибкого адсорбирующего изделия может иметь форму овала, квадрата, прямоугольника, трилистника, колеса повозки, пчелиных сот или пленки, которая может быть скручена в спираль, либо иметь любую другую форму, образованную при помощи устройств, хорошо известных специалистам в области пластического формования. Предпочтительными способами формования являются экструзия, совместная экструзия, каландрование, литье под давлением, прямое прессование, выдувное формование. Изделие при 23°С может обладать модулем упругости при изгибе от примерно 10 до примерно 1000 МПа. Водопоглощающая способность изделия при 25°С и относительной влажности 10% может составлять, по меньшей мере, 5 вес.% воды относительного общего веса изделия; указанное изделие может содержать, по меньшей мере, 30% вес. адсорбента относительного общего веса изделия. Полимер, если он имеет форму пленки толщиной 100 мкм, при 23°С может обладать коэффициентом проницаемости, превышающим примерно 1 г/м²д, и может состоять из, кроме прочего, Hytrel G3548L (эфир простых полиэфиров), EVАTANE 28-40 (сополимер этилена и винилацетата), Styroflex (сополимер стирола и бутадиена), сшитого Engage EG 8200 (сополимер этилена и октена) в термопластичном или сшитом состоянии или из других термопластичных полимеров, обладающих описанными выше свойствами. Твердый адсорбент может включать активированный уголь, активированную глину, силикагель, силикагель с дополнительным компонентом, цеолиты и цеолиты групп 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7, включая составы с изо-структурой, такие как изоморфные формы указанных выше типов цеолитов, силикагелей, силикагелей с дополнительным компонентом, и любые их сочетания. Твердый адсорбент может присутствовать в количестве от примерно 30 до примерно 75% веса твердого изделия, а полимер может присутствовать в количестве от примерно 70 до примерно 25% веса изделия. Указанное устройство может включать холодильные, охладительные или климатические системы. В корпусе может находиться контур охлаждающей системы, а именно конденсаторные или испарительные трубки. Гибкое адсорбирующее изделие может быть размещено в корпусе до или после формирования изогнутых частей.

Другим вариантом осуществления настоящего изобретения предусматривается способ изготовления устройства для кондиционирования, разделения и очистки газов и жидкостей путем обеспечения гибкого адсорбирующего изделия и корпуса, в котором размещено гибкое адсорбирующее изделие, и изменения формы корпуса с целью образования изогнутых частей. Гибкое адсорбирующее изделие может быть размещено в корпусе до или после формирования изогнутых частей. Указанное устройство может представлять собой холодильную установку, охладительную или климатическую систему, а корпус может представлять собой контур охлаждающей системы, а именно конденсаторные или испарительные трубки. Поперечное сечение гибкого адсорбирующего изделия может иметь форму овала, квадрата, прямоугольника, трилистника, колеса повозки, пчелиных сот или пленки (многослойной пленки), которая может быть скручена, либо иметь любую другую форму, образованную при помощи устройств, хорошо известных специалистам в области пластического формования. Предпочтительными способами формования являются экструзия, литье под давлением и выдувное формование. При 23°С модуль упругости при изгибе может составлять от примерно 10 до примерно 1000 МПа. Водопоглощающая способность изделия при 25°С и относительной влажности 10% может составлять, по меньшей мере, 5 вес.% воды относительного общего веса изделия; указанное изделие может содержать, по меньшей мере, 30 вес.% адсорбента относительного общего веса изделия. Полимер, если он имеет форму пленки толщиной 100 мкм, при 23°С может обладать коэффициентом проницаемости, превышающим примерно 1 г/м²д, и может состоять из, кроме прочего, Hytrel G3548L (эфир простых полиэфиров), EVАTANE 28-40 (сополимер этилена и винилацетата), Styroflex (сополимер стирола и бутадиена), Engage EG 8200 (сополимер этилена и октена) в термопластичном или сшитом состоянии или из других термопластичных полимеров, обладающих описанными выше свойствами. Твердый адсорбент может представлять собой активированный уголь, активированную глину, силикагель, силикагель с дополнительным компонентом, цеолиты групп 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7, включая составы с изо-структурой, такие как изоморфные формы указанных выше типов цеолитов, силикагелей, силикагелей с дополнительным компонентом, и любые их сочетания. Твердый адсорбент может присутствовать в количестве от примерно 30 до примерно 75% веса твердого изделия, а полимер может присутствовать в количестве от примерно 70 до примерно 25% веса изделия.

Другим вариантом осуществления настоящего изобретения предусматривается способ оснащения устройств, вмещающих в себя чувствительные к влаге продукты, такие как электронное, опто-электронное, опто-механическое оборудование, а также микро- и наномеханические приборы, гибким адсорбирующим изделием. Гибкое адсорбирующее изделие может быть помещено в корпус или представлять собой неотъемлемую часть этого корпуса. Гибкое адсорбирующее изделие может быть использовано для защиты фармацевтических, пищевых, биологических проб, живых организмов, пищевых продуктов и других скоропортящихся или чувствительных к влаге продуктов. Гибкое адсорбирующее изделие может представлять собой часть упаковки или может быть размещено внутри упаковки. Поперечное сечение изделия может иметь форму овала, квадрата, прямоугольника, трилистника, колеса повозки, пчелиных сот или пленки, которая может быть скручена в спираль, либо иметь любую другую форму, образованную при помощи устройств, хорошо известных специалистам в области пластического формования. Предпочтительными способами формования являются экструзия, совместная экструзия, каландрование, литье под давлением, прямое прессование, выдувное формование. При 23°С модуль упругости при изгибе может составлять от примерно 10 до примерно 1000 МПа. Водопоглощающая способность изделия при 25°С и относительной влажности 10% может составлять, по меньшей мере, 5 вес.% воды относительного общего веса изделия; указанное изделие может содержать, по меньшей мере, 30 вес.% адсорбента относительного общего веса изделия. Полимер, если он имеет форму пленки толщиной 100 мкм, при 23°С может обладать коэффициентом проницаемости, превышающим примерно 1 г/м²д, и может представлять собой Hytrel G3548L (эфир простых полиэфиров), EVАTANE 28-40 (сополимер этилена и винилацетата), Styroflex (сополимер стирола и бутадиена), Engage EG 8200 (сополимер этилена и октена) в термопластичном или сшитом состоянии или другие термопластичные полимеры, обладающие описанными выше свойствами. Твердый адсорбент может представлять собой активированный уголь, активированную глину, силикагель, силикагель с дополнительным компонентом, цеолиты групп 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7, включая составы с изо-структурой, такие как изоморфные формы указанных выше типов цеолитов, силикагелей, силикагелей с дополнительным компонентом, и любые их сочетания. Твердый адсорбент может присутствовать в количестве от примерно 30 до примерно 75% веса твердого изделия, а полимер может присутствовать в количестве от примерно 70 до примерно 25% веса изделия.

Сущность всех патентов и публикаций, перечисленных в настоящей заявке, полностью включается в описание путем ссылки. Нижеследующие примеры являются конкретной иллюстрацией заявленного изобретения. Однако следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными подробностями, изложенными при описании примеров. В примерах, а также в остальной части описания, все величины, выраженные в долях и процентах, взяты по весу, если не указано иное.

Кроме того, любой указанный в описании или формуле изобретения диапазон величин, например, характеризующий отдельный набор свойств, условий, физических состояний или процентный состав, означает, что любая величина, соответствующая этому диапазону, в том числе любое подмножество величин, точно и определенно включаются в указанный таким образом диапазон. Из предшествующего описания и сопроводительных чертежей специалистам в данной области станут очевидны и другие, помимо указанных, изменения настоящего изобретения. Такие изменения считаются входящими в объем прилагаемой формулы изобретения.

Пример 1

Данный пример относится к изготовлению гибкого адсорбирующего изделия диаметром 3 мм. В качестве полимера матрицы использован Hytrel G3548L, относящийся к типу эфиров простых полиэфиров, полученный от E.I. DuPont De Nemours & Co. В качестве адсорбирующего материала использован цеолит 3А, полученный от W. R. Grace & Co.-Conn. Смесь составлена из 35% вес. Hytrel G3548L и 65 вес.% активированного цеолита 3А. Изготовление изделия осуществлено двухстадийным способом с разделенными стадиями смешивания и формования. Смешивание осуществлено при помощи двушнекового экструдера с вращающимися в одном направлении шнеками типа ZSK25 производства Coperion Werner & Pfleiderer при температуре 200°С. Формование осуществлено непосредственно после смешивания при помощи одношнекового экструдера производства Coperion Werner & Pfleiderer с круглой экструзионной головкой диаметром 3 мм. Величина температуры формования лежала в диапазоне от 150 до 155°С. Экструдированное изделие отводили при помощи тянущих валиков и наматывали на катушки, которые затем были упакованы в водонепроницаемые контейнеры. Соответствующие реологические характеристики представлены на фиг. 1, а адсорбционные свойства приведены на фиг. 2.

Пример 2

Данный пример относится к изготовлению круглого изделия цеолитового адсорбента с ячеистой структурой диаметром 27,5 мм и длиной 25 мм. Геометрические размеры каналов составляют 1,2×1,2 мм², толщина стенки равна 1,6 мм. В качестве полимера матрицы использован Hytrel G5544, относящийся к типу эфиров простых полиэфиров, полученный от DuPont. В качестве адсорбирующего материала использован цеолит 3А, полученный от W. R. Grace & Co.-Conn. Смесь составлена из 30 вес.% Hytrel G5544 и 70 вес.% активированного цеолита 3А по отношению к общему весу адсорбирующего изделия. Составление смеси осуществляли при сухом состоянии компонентов. Изготовление элементов с ячеистой структурой выполнено одностадийным способом. Смешивание и формование осуществляли при помощи двушнекового экструдера с вращающимися в одном направлении шнеками типа ZSK25 производства Coperion Werner & Pfleiderer. Температура перемешивания составила 230-240°С. Формование осуществлено непосредственно после смешивания при помощи экструзионной головки, позволяющей получать ячеистую структуру. Температуру экструзионной головки поддерживали равной 218-223°С. Экструдированные элементы с ячеистой структурой охлаждали и разрезали на куски нужного размера. После формования и нарезки элементы с ячеистой структурой упаковывали в водонепроницаемые контейнеры. Все стадии процесса осуществляли в сухой атмосфере (то есть при температуре точки росы, равной -40°С).

Пример 3

Данный пример относится к изготовлению круглого изделия цеолитового адсорбента с ячеистой структурой диаметром 27,5 мм и длиной 25 мм. Геометрические размеры каналов составляют 1,2×1,2 мм², толщина стенки равна 1,0 мм. В качестве полимера матрицы использован Hytrel G5544, относящийся к типу эфиров простых полиэфиров, полученный от DuPont. В качестве адсорбирующего материала использован цеолит 3А, полученный от Grace. Смесь составлена из 30 вес.% Hytrel G5544 и 70 вес.% активированного цеолита 3А. Составление смеси осуществляли при сухом состоянии компонентов. Изготовление элементов с ячеистой структурой выполнено двухстадийным способом. Первая стадия: смешивание выполнили при помощи двушнекового экструдера, указанного в Примере 1, при температуре в диапазоне 230-240°С, затем ее охладили и придали форму гранул. Вторая стадия: формование, сырьем для которого послужили полученные гранулы, было осуществлено при помощи присоединенной к экструдеру, указанному в Примере 1, экструзионной головки, позволяющей получать элементы с ячеистой структурой. Температуру экструзионной головки поддерживали равной 218-223°С. Экструдированные элементы с ячеистой структурой охладили и разрезали на куски нужного размера. После формования и нарезки элементы с ячеистой структурой упаковывали в водонепроницаемые контейнеры. Все стадии процесса осуществляли в сухой атмосфере (то есть при температуре точки росы, равной -40°С). Адсорбционные характеристики приведены на фиг. 3.

Пример 4

Данный пример относится к изготовлению гибкой цеолитовой пленки толщиной 0,25 мм. В качестве полимера матрицы использован Hytrel G3548L, относящийся к типу эфиров простых полиэфиров, полученный от DuPont. В качестве адсорбирующего материала использован цеолит 3А, полученный от Grace. Смесь составлена из 50% вес. Hytrel G3548L и 50% вес. активированного цеолита 3А. Изготовление пленки осуществлено двухстадийным способом с разделенными стадиями смешивания и формования. Смешивание осуществлено при помощи двушнекового экструдера типа ZSK25 с вращающимися в одном направлении шнеками с отношением длины к диаметру, равным 40, производства Coperion Werner & Pfleiderer при температуре 200°С. Формование осуществлено непосредственно после смешивания при помощи одношнекового экструдера производства Coperion Werner & Pfleiderer, снабженного экструзионной головкой размером 100 мм для получения плоских пленок (ширина зазора 0,5 мм). Величина температуры формования лежала в диапазоне от 150 до 155°С. Экструдированную пленку отводили при помощи тянущих валиков и разрезали на куски нужного размера. Толщину и ширину пленки регулировали путем изменения скорости протягивания валиками. После формования и нарезки пленку упаковывали в водонепроницаемые контейнеры. Адсорбционные характеристики приведены на фиг. 4.

Пример 5

Данный пример относится к изготовлению гибкой цеолитовой пленки толщиной 0,25 мм. В качестве полимера матрицы использован сополимер этилена и винилацетата типа EVATAN 28-40, полученный от Atofina. В качестве адсорбирующего материала использован цеолит 3А, полученный от Grace. Смесь составлена из 50% вес. EVATAN 28-40 и 50 вес.% активированного цеолита 3А. Изготовление пленки осуществлено двухстадийным способом с разделенными стадиями смешивания и формования. Смешивание осуществлено при помощи двушнекового экструдера типа ZSK25 с вращающимися в одном направлении шнеками с отношением длины к диаметру, равным 40, производства Coperion Werner & Pfleiderer при температуре 150°С. Формование осуществлено непосредственно после стадии смешивания при помощи одношнекового экструдера производства Coperion Werner & Pfleiderer, снабженного экструзионной головкой размером 100 мм для получения плоских пленок (ширина зазора 0,5 мм). Величина температуры формования лежала в диапазоне от 130 до 140°С. Экструдированную пленку отводили при помощи тянущих валиков и разрезали на куски нужного размера. Толщину и ширину пленки регулировали путем изменения скорости протягивания валиками. После формования и нарезки пленку упаковывали в водонепроницаемые контейнеры. Адсорбционные характеристики приведены на фиг. 5.

Реферат

Изобретение относится к водопоглощающим адсорбирующим материалам. Предложено гибкое адсорбирующее изделие, содержащее термопластичную полимерную матрицу и пористый адсорбирующий материал, причем изделие обладает при 23°С модулем упругости при изгибе более чем примерно 10 МПа. Упомянутое изделие используется в устройствах для кондиционирования или очистки газов и жидкостей. Предложены также способы изготовления материала и устройства, содержащего этот материал. Изобретение обеспечивает получение изделия заданной формы, наполненного большим количеством пористого твердого функционального материала. 5 н. и 48 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула