PL245990B1 - Układ do wytwarzania cieczy zagęszczanych ścinaniem oraz sposób wytwarzania cieczy zagęszczonych ścinaniem - Google Patents

Układ do wytwarzania cieczy zagęszczanych ścinaniem oraz sposób wytwarzania cieczy zagęszczonych ścinaniem Download PDF

Info

Publication number
PL245990B1
PL245990B1 PL445847A PL44584723A PL245990B1 PL 245990 B1 PL245990 B1 PL 245990B1 PL 445847 A PL445847 A PL 445847A PL 44584723 A PL44584723 A PL 44584723A PL 245990 B1 PL245990 B1 PL 245990B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
chamber
mixer
shaft
mounting plate
blades
Prior art date
Application number
PL445847A
Other languages
English (en)
Other versions
PL445847A1 (pl
Inventor
Mariusz Tryznowski
Roman SZEWCZYK
Roman Szewczyk
Original Assignee
Politechnika Warszawska
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Politechnika Warszawska filed Critical Politechnika Warszawska
Priority to PL445847A priority Critical patent/PL245990B1/pl
Priority to EP23806379.6A priority patent/EP4622741A1/en
Priority to PCT/IB2023/060476 priority patent/WO2025040945A1/en
Publication of PL445847A1 publication Critical patent/PL445847A1/pl
Publication of PL245990B1 publication Critical patent/PL245990B1/pl

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0053—Details of the reactor
    • B01J19/0066—Stirrers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
    • B01F31/44—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms with stirrers performing an oscillatory, vibratory or shaking movement
    • B01F31/441—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms with stirrers performing an oscillatory, vibratory or shaking movement performing a rectilinear reciprocating movement
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/50—Mixing liquids with solids
    • B01F23/53—Mixing liquids with solids using driven stirrers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/80—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis
    • B01F27/90—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis with paddles or arms 
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
    • B01F31/20—Mixing the contents of independent containers, e.g. test tubes
    • B01F31/24—Mixing the contents of independent containers, e.g. test tubes the containers being submitted to a rectilinear movement
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/20—Measuring; Control or regulation
    • B01F35/22—Control or regulation
    • B01F35/2201—Control or regulation characterised by the type of control technique used
    • B01F35/2209—Controlling the mixing process as a whole, i.e. involving a complete monitoring and controlling of the mixing process during the whole mixing cycle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/90—Heating or cooling systems
    • B01F35/92—Heating or cooling systems for heating the outside of the receptacle, e.g. heated jackets or burners
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/18—Stationary reactors having moving elements inside
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/90—Heating or cooling systems
    • B01F2035/99—Heating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00074—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids
    • B01J2219/00087—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids with heat exchange elements outside the reactor
    • B01J2219/00094—Jackets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00761—Details of the reactor
    • B01J2219/00763—Baffles
    • B01J2219/00779—Baffles attached to the stirring means

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mixers Of The Rotary Stirring Type (AREA)
  • Processing And Handling Of Plastics And Other Materials For Molding In General (AREA)
  • Mixers With Rotating Receptacles And Mixers With Vibration Mechanisms (AREA)

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest układ do wytwarzania cieczy zagęszczanych ścinaniem zawierający komorę posuwisto-zwrotną (A), charakteryzujący się tym że komora (A) ma przekrój poprzeczny okrągły, i jest zespolona z górną płytą mocującą (E) w sposób trwały lub rozłączny, a górna płyta mocująca (E) jest połączona z dolną nieruchomą płytą mocującą (F) za pomocą co najmniej jednego pręta liniowego z łożyskiem liniowym (I), oraz co najmniej jednej śruby kulowej z nakrętką (G), przy czym na zewnątrz komory (A) znajduje się płaszcz grzejny (J), a we wnętrzu komory (A) znajduje się wał (B) mieszadła na jednym końcu którego, znajdują się część dyspergująca zawierająca co najmniej dwie łopaty (D) o kształcie wycinka koła, przy czym kąt (α) nachylenia jednej łopaty (D) w stosunku do wału (B) wynosi od 30° do 80° oraz kąt (β) od 120° do 180°, a szerokość łopat (D) wynosi 70 — 95% średnicy wewnętrznej komory (A) i wysokości łopat (D) do 20% całkowitej wysokości komory (A), a drugi koniec wału (B) mieszadła połączony jest z napędem (M) wprawiającym w ruch obrotowy wał (B), przy czym komora (A) porusza się ruchem posuwisto-zwrotnym w stosunku do wału (B). Zgłoszenie niniejsze obejmuje także sposób wytwarzania cieczy zagęszczonych ścinaniem.

Description

Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest układ do wytwarzania cieczy zagęszczanych ścinaniem zawierający komorę posuwisto-zwrotną, a także sposób wytwarzania cieczy zagęszczanych ścinaniem.
Ciecze zagęszczane ścinaniem (STF - ang. shear thickening fluids, ciecze dylatancyjne) należą do grupy płynów nienewtonowskich. Materiały te charakteryzują się wzrostem lepkości wraz ze wzrostem szybkości ścinania. Oznacza to, że wraz ze wzrostem szybkości mieszania na mieszadle będą odkładać się coraz większe siły utrudniające proces mieszania. Wartość tych siły będzie wzrastać wraz z zwiększeniem powierzchni mieszadła ścinającego STF. W skutek gwałtownego wzbudzenia np. uderzenia STF przekształca się w ciało stałe i ponownie wraca do pierwotnego stanu po zaniku bodźca. Ta unikalna cecha pozwala zastosować STF w aplikacjach wymagających odebrania gwałtownie narastających energii np. elementy ochrony ciała człowieka, płynne tarcze itp [Shear Thickening Fluid and Its Application in Impact Protection: A Review Polymers 2023, 15(10), 2238].
Ciecze zagęszczane ścinaniem otrzymuje się w wyniku dyspersji proszku ceramicznego w ciekłej osnowie polimerowej. Jako proszek ceramiczny stosuje się najczęściej krzemionkę mikro i nanometryczną o kształcie sferycznym lub bezpostaciowym (Selim Gurgen, Melih Cemal Ku§han, Weihua Li, Shear thickening fluids in protective applications: A review - Progress in Polymer Science Volume 75, December 2017, Pages 48-72). Osnową jest najczęściej poli(glikol propylenowy) lub poli(glikol etylenowy) o różnej masie cząsteczkowej. Proces otrzymywania STF jest realizowany w mieszalniku i polega na dozowaniu proszku do osnowy polimerowej. W trakcie dozowania proszku ceramicznego wzrasta w mieszaninie lepkość utrudniająca mieszanie i dalsze prowadzenie procesu. Po osiągnięciu 15-20% wag. proszku ceramicznego w mieszaninie, bez względu na rodzaj geometrii stosowanego mieszadła (śmigłowe, śrubowe, wstęgowe, kotwicowe, ramowe) na powierzchni cieczy pojawia się skorupa nierozmieszanego proszku. Próba zdyspergowania proszku przez zwiększenie prędkości mieszadła kończy się deformacją mieszadła lub uszkodzeniem układu napędowego. Przyczyną tego zjawiska jest efekt zagęszczania ścinaniem, polegający na tym, że wraz ze wzrostem szybkości mieszania lepkość cieczy rośnie w sposób logarytmiczny.
Niekorzystny, w trakcie wytwarzania, efekt zagęszczania ścinaniem można częściowo wyeliminować prowadząc proces w podwyższonej temperaturze, najczęściej 50-150°C. Wraz ze wzrostem temperatury lepkość mieszaniny ulega obniżeniu, co ułatwia dalsze mieszanie. Jednak podwyższona temperatura powoduje nieodwracalne zmiany w osnowie polimerowej i utrudnia osiągnięcie założonej receptury w skutek rozkładu i odparowania lotnego składnika (Unexpected Method of High-Viscosity Shear Thickening Fluids Based on Polypropylene Glycols Development via Thermal Treatment doi.org/10.3390/ma15175818).
Inną metodą ograniczenia wysokiej lepkości podczas wytwarzania STF jest dodatek bezwodnego alkoholu etylowego [patent CN102191680B]. Wprowadzenie alkoholu etylowego, obniża lepkość mieszaniny, co znacząco skraca proces ujednorodnienia dozowanego proszku ceramicznego w osnowie organicznej. Dodatkowo w procesie prócz rozpuszczalnika stosuje się równolegle sonifikację zawiesiny [RSC Adv., 2023, 13, 7385-7391]. Wadą metody rozpuszczalnikowej jest konieczność usunięcia etanolu po dodaniu odpowiedniej ilości proszku ceramicznego. Odparowanie etanolu prowadzi się w podwyższonej temperaturze i pod zmniejszonym ciśnieniem [Procedia Engineering 173 (2017) 655-66]. Powyższa metoda wytwarzania STF ze względu na zastosowanie lotnego i palnego rozpuszczalnika może być trudna do implementacji w skali przemysłowej. Dodatkowo prócz mieszalnika wymagany jest układ wyparny pracujący pod zmniejszonym ciśnieniem.
Znane są w literaturze systemy mieszalników wyposażone zwykle w mieszadło oraz nieruchomą komorę mieszającą zespoloną np. połączeniem śrubowym z konstrukcją mieszalnika. Elementem ruchomym jest mieszadło o odpowiedniej konstrukcji zapewniającej mieszanie w całej objętości (Houari Ameur, Mohamed Bouzit, Abdellah Ghenaim, Hydrodynamics in a vessel stirred by simple and double helical ribbon impellers, Cent. Eur. J. Eng. 3(1) 2013 87-98). Wysokość końcówki mieszającej np. w mieszadle ramowym lub wstęgowym zbliżona jest do wysokości komory mieszalnika lub słupa mieszanej cieczy.
Ze względu na efekt zagęszczania ścinaniem wytworzenie SFT w konwencjonalnych mieszalnikach jest bardzo utrudnione lub wręcz niemożliwe. W konwencjonalnych rozwiązaniach, (gdzie komora mieszalnika i mieszadło nie poruszają się ruchem posuwisto-zwrotnym) dozowanie krzemionki powoduje zaleganie substancji stałej na powierzchni cieczy. Ten zalegający proszek zwilża się niewielką ilością cieczy w ten sposób, ze robią się układy półstałej masy, na zewnątrz której jest warstwa cieczy, a wewnątrz proszek ceramiczny. Takie półstałe masy bardzo utrudniają dalsze prowadzenie procesu, ponieważ w przypadku wzrostu prędkości mieszadła, jego prędkość jest blokowana przez efekt zagęszczania ścinaniem, prowadząc do uszkodzenia układu mieszającego. Taka sytuacja ma miejsce bez względu na rodzaj zastosowanej końcówki dyspergującej, rodzaj krzemionki i osnowy.
Problem otrzymywania jednorodnych cieczy zagęszczanych ścinaniem został rozwiązany dzięki zastosowaniu układu mieszającego w którym wykorzystano ruch posuwisto-zwrotnego komory mieszalnika z jednoczesnym regulowanym ruchem obrotowym mieszadła o odpowiedniej geometrii.
Istotą wynalazku jest układ do wytwarzania cieczy zagęszczanych ścinaniem zawierający komorę posuwisto-zwrotną, charakteryzujący się tym, że komora ma przekrój poprzeczny okrągły, i jest zespolona z górną płytą mocującą w sposób trwały lub rozłączny, a górna płyta mocująca jest połączona z dolną nieruchomą płytą mocującą za pomocą co najmniej jednego pręta liniowego z łożyskiem liniowym, które umożliwiają ruch posuwisto-zwrotny (góra-dół).
Ponadto, układ zawiera co najmniej jedną śruby kulowej z nakrętką. Śruby kulowe usztywniają komorę jednak to pręty liniowe są głównie odpowiedzialne za zachowanie sztywności konstrukcji.
Na zewnątrz komory znajduje się także płaszcz grzejny, a we wnętrzu komory znajduje się wał mieszadła wraz z częścią dyspergującą.
Na jednym końcu wału mieszalnika znajduje się część dyspergująca zawierająca co najmniej dwie łopaty o kształcie wycinka koła, przy czym kąt nachylenia jednej łopaty w stosunku do wału mieszadła wynosi od 30° do 80°. Kąt rozwarcia określający kształt pojedynczej łopaty mieszadła, tj. kąt wycinka koła wynosi od 120° do 180°, a szerokość łopat wynosi 70-95% średnicy wewnętrznej komory. Wysokość łopat wynosi do 20% całkowitej wysokości komory.
Drugi koniec wału mieszadła służy do połączenia z napędem wprawiającym w ruch obrotowy wał. Przy tym, komora porusza się ruchem posuwisto-zwrotnym w stosunku do wału, tj. ruchem góra-dół.
Korzystnie, płaszczem grzejnym jest zewnętrzny płaszcz elektryczny o regulowanej mocy. Przy większych objętościowo konstrukcjach można zastosować komorę z zewnętrznym płaszczem na przegrzaną parę.
Korzystnie, wysokość komory jest większa niż jej szerokość. Najkorzystniej w stosunku 2:1 (wysokość: szerokość).
Kolejną istotę wynalazku stanowi sposób wytwarzania STF charakteryzujący się tym, że w etapie a) wprowadza się osnowę polimerową do komory mieszalnika w ilości nie większej niż 70% objętości komory mieszalnika.
W etapie b) wprowadza się komorę mieszalnika w ruch posuwisto-zwrotny, a następnie w kolejnym etapie c) ogrzewa się komorę mieszalnika i wprowadza w ruch obrotowy wał mieszadła, tak by osnowa polimerowa ogrzewała się równomiernie w całej swej objętości.
W etapie d) wprowadza się proszek ceramiczny w ilości do 30% wag. względem osnowy polimerowej. Szybkość dozowania jest zmienna. Zasada jest taka, że na początku dozuje się szybko, a wraz ze wzrostem fazy stałej w mieszaninie - coraz wolniej.
Maksymalna ilość osnowy jaka może zostać wprowadzono do komory mieszalnika w etapie a) to 70%, w stosunku do objętości komory. Jednak, im większa ma być zawartość fazy stałej w cieczy, tym mniej osnowy dodaje się do mieszalnika. Receptura w postaci 70% zapełnienia komory i 30% krzemionki nie zmieści się w mieszalniku, ze względu na objętość zanurzonego mieszadła.
W kolejnym etapie e),reguluje się częstotliwość ruchu posuwisto-zwrotnego komory mieszalnika i obrotów wału mieszadła, celem uzyskania jednorodnej mieszaniny.
Korzystnie, osnowę polimerową stanowi poli(glikol propylenowy) o masie cząsteczkowej od 400 do 2700 g/mol lub poli(glikol etylenowy) o masie cząsteczkowej od 200 do 400 g/mol.
Korzystnie, w etapie b) komora mieszalnika wprowadzona jest w ruch posuwisto-zwrotny o częstotliwości od 0,01 do 2 Hz.
Korzystnie, w etapie c) ogrzewa się komorę mieszalnika do temp. 95°C.
Korzystnie, wał mieszadła w etapie c) obraca się z częstotliwością 2500-3000 obr./min.
Korzystnie, w etapie e) częstotliwość ruchu komory mieszalnika reguluje się w zakresie od 2 do 0,01 Hz, a obroty wału mieszadła od 300 do 3000 obr./min.
Zaletą wynalazku jest prosty i efektywny wysokowydajny układ do wytwarzania cieczy zagęszczanych ścinaniem. Dzięki ruchom posuwisto-zwrotnym komory, mieszadło efektywnie dysperguje krzemionkę w całej objętości cieczy. Jednocześnie, stosunkowo mała powierzchnia/objętość końcówki dyspergującej napotyka na niewielki opór cieczy przez co można zastosować układy napędowe o mniejszej mocy w stosunku do rozwiązań konwencjonalnych opartych o mieszadła kotwicowe, ramowe lub wstęgowe, co przejawia się mniejszym zużyciem energii, jak również materiału potrzebnego na konstrukcję mieszadła.
Przedmiot wynalazku został zilustrowany na rysunku na którym:
Fig. 1 przedstawia przekrój w rzucie prostokątnym układu mieszającego, w pozycji maksymalnego wynurzenia mieszadła, mieszadła pod powierzchnią lustra cieczy, pozycji maksymalnie zanurzonego mieszadła w cieczy.
Fig. 2A przedstawia widok z boku na mieszalnik z połączeniem trwałym pomiędzy górną płytą mocującą i komorą mieszalnika.
Fig. 2B przedstawia widok z boku na mieszalnik z połączeniem rozłącznym pomiędzy górną płytą mocującą i komorą mieszalnika.
Fig. 3A przedstawia widok od dołu na mieszalnik z połączeniem trwałym pomiędzy górną płytą mocującą i komorą mieszalnika.
Fig. 3B przedstawia widok od dołu na mieszalnik z połączeniem rozłącznym pomiędzy górną płytą mocującą i komorą mieszalnika.
Fig. 4A przedstawia widok od góry na mieszalnik z połączeniem trwałym pomiędzy górną płytą mocującą i komorą mieszalnika.
Fig. 4B przedstawia widok od góry na mieszalnik z połączeniem rozłącznym pomiędzy górną płytą mocującą i komorą mieszalnika.
Fig. 5A przedstawia mieszadła o kształcie kącie rozwarcia 120°.
Fig. 5B przedstawia łopaty mieszadła o kącie rozwarcia 180°.
Fig. 6A przedstawia widok od dołu na część łopaty mieszadła.
Fig. 6B przedstawia kształt pojedynczej łopaty mieszadła z oznaczeniem kąta wycinku koła tj. kąta rozwarcia pojedynczej łopaty mieszadła.
Fig. 7 przedstawia prostopadły widok elementu mieszającego, na którym widoczny jest kąt nachylenia łopaty w stosunku do wału mieszadła.
Przedmiot wynalazku został bliżej przedstawiony w poniższych przykładach wykonania:
Jako proszki ceramiczne stosuję się krzemionki o nieregularnym rozmiarze ziarna, otrzymywane metodą płomieniową, o wielkości od 7 nm do 400 μm oraz krzemionki sferyczne o wielkości ziarna 40-800 gm.
W niniejszym zgłoszeniu pojęcie układu do wytwarzania cieczy zagęszczanych ścinaniem jest tożsame z określeniem mieszalnik i używane jest zamiennie.
Przez część dyspergującą należy rozumieć łopaty mieszadła, a określenia te używane są zamiennie.
Przez ruch posuwisto-zwrotny w niniejszym zgłoszeniu należy rozumieć ruch góra-dół.
Pojęcie „ciecz”, „osnowa” lub „osnowa polimerowa” oznacza substancję, która otacza proszek ceramiczny. W niniejszym wynalazku jest to poli(glikol etylenowy) lub poli(glikol propylenowy).
Przykład 1: Budowa mieszalnika
Mieszalnik zawiera stalową komorę (A) o przekroju poprzecznym okrągłym, na zewnątrz której znajduje się elektryczny płaszcz grzejny (J) o regulowanej mocy 0-100%. Moc płaszcza grzejnego (J) zależy od wielkości komory (A).
Komora (A) mieszalnika jest zespolona z górną płytą mocującą (E) w sposób trwały za pomocą połączenia trwałego (K) tj. w procesie spawania spoiną łącząca komorę (A) z górną płytą mocującą (E). W alternatywnym przykładzie, komora (A) mieszalnika jest zespolona z górną płytą mocującą (E) rozłącznie, tj. mocowana jest za pomocą śrub (N) pomiędzy kołnierzem (L) komory (A), a płytą mocującą (E), w taki sposób, że zapewnia stabilność konstrukcji.
Górna płyta mocująca (E) połączona jest również z dolną, nieruchomą płytą mocującą (F), która stanowi podporę konstrukcji. Płyty mocujące (E) i (F) są połączone ze sobą dwoma śrubami kulowymi (G), na które przypadają dwa pręty liniowe (H) z łożyskami liniowymi (I), umożliwiając zarówno stabilizację komory (A), jak również ruch współosiowy komory (A), względem wału mieszadła (B). Dolna płyta (F) ma w centralnej części otwór o średnicy większej niż płaszcz grzejny (J), tak by komora (A) wraz z otaczającym go płaszczem grzejnym (J) mogła swobodnie się przez ten otwór poruszać.
Kształt górnej płyty mocującej (E) nie ma większego znaczenia, istotne jest by miała otwory do zespolenia z pozostałymi elementami. W niniejszym przykładzie wykonania jako górną płytę mocującą (E) i dolną płytę mocującą (F) wykorzystano płyty kwadratowe. W alternatywnym przykładzie wykonania, wykorzystano płyty okrągłe, inne zaś kształty płyt mocujących (E) i (F) są ekonomicznie nieuzasadnione.
PL 245990 Β1
Niniejszy przykład wykonania dotyczy mieszalnika o objętości komory 0,5 L. Stosunek wysokości do szerokości komory mieszalnika (A) wynosi 2:1. Komory o innych wymiarach są mniej korzystnie ponieważ, wymagają bądź dłuższego ramienia mieszadła lub większego momentu obrotowego.
W mieszalnikach o objętościach komory od 0,5 do 2 L zastosowano 1 śrubę kulową i 1 pręt liniowy. Większa objętość mieszalnika wymaga większej liczby prętów i śrub do ustabilizowania konstrukcji. Dlatego w mieszalnikach o objętości od 2 do 10 L zastosowano 2 śruby kulowe i 2 pręty liniowe. W przypadku większych mieszalników, stosuje się odpowiednio więcej.
Komora (A) jest od góry otwarta, dzięki czemu możliwe jest dozowanie do niej sypkich substancji od góry. Komora (A) zawiera mieszadło, które wprawiane jest w regulowany ruch obrotowy za pomocą napędu mocowanego w punkcie mocowania napędu (M). Mieszadło zawiera wał (B) mieszadła i dwie łopaty (D) mieszające. Do jednego końca wału (B) przyłączone są 2 łopaty (D) mieszające o kształcie półpierścienia przedstawionym na Fig. 6B, których kształt określa kąt (β), który jest kątem wycinka koła. W niniejszym przykładzie wykonania kąt (β) wynosił 120°. W alternatywnym przykładzie wykorzystano mieszadła o kącie (β) wynoszącym do 180°.
Łopaty (D) mieszadła nachylone są pod kątem (a) w stosunku do wału (B) mieszadła, zapewniając optymalne parametry mieszania, co przedstawiono w Tabeli 1.
Drugi koniec wału (B) mieszadła służy do dołączenia napędu wprawiającego w ruch obrotowy wał (B) mieszadła. W niniejszym przykładzie wykonania, do wprowadzania w ruch obrotowy wał (B) mieszadła wykorzystano silnik synchroniczny Beckhoff AM3063-0N40 4,39 kW5000 obr./min. 15,8 Nm.
W niniejszym przykładzie wykonania, komorę mieszalnika, wał mieszadła i łopaty mieszadła wykonano ze stali nierdzewnej. Mieszalnik służy do wytwarzania STF, które mają właściwości cierne, dlatego też w mieszalniku ze stali nierdzewnej obserwuje się niewielkie ścieranie. W związku z tym, w alternatywnych przykładach wykonania, wykorzystano też inne materiały. W jednym z nich, komorę (A) wykonano ze stali, która została poddana dodatkowemu emaliowaniu/szkliwieniu. Komora emaliowana ma tą zaletę, że praktycznie nie ściera się powierzchnia ścianek.
Przykłady mieszalników o innych parametrach objętości komory (A) i rozmiaru łopat (D) mieszadła, przedstawiono w Tabeli 1.
Tabela 1. Zestawienie parametrów przykładowych komór
Średnica zew. Średnica wew. długość komory całkowita objętość komory zapełnienie komory w 70% zapełnienie komory w 35% średnica Si łopaty kat pochylenia łopaty a 30<80°
mm mm mm dm3 dm3 dm3 70% średnicy komory mm 95% średnicy komory mm
114,3 106,3 229 2,0 1,4 0,7 74 101
[ 139,7 131,7 279 3,8 2,7 1,3 92 125
168,3 160,3 337 6,8 4,8 2,4 112 152
219,1 211,1 438 15,3 10,7 5,4 148 201
273 265 546 30,1 21,1 10,5 186 252
323,9 315,9 648 50,7 35,5 17,8 221 300
355,6 347,6 711 67,5 47,2 23,6 243 330
406,4 398,4 813 101,3 70,9 35,4 279 378
Optymalne wyniki uzyskano, gdy kąt (a) pochylenia łopaty wynosił od 35° do 45°. W alternatywnych przykładach wykonania, w których kąt (a) pochylenia łopaty wynosił od 45° do 80° był mniej korzystny, jednak w dalszym ciągu efektywny.
Na Fig. 1 przedstawiono przekrój w rzucie prostokątnym układu mieszającego w trzech pozycjach roboczych, pozycja nr 1 to pozycja maksymalnego wynurzenia mieszadła, pozycja nr 2 to pozycja, w której mieszadło znajduje się pod powierzchnią lustra cieczy, pozycja nr 3 to pozycja maksymalnie zanurzonego mieszadła w cieczy.
Przykład 2. Sposób wytwarzania STF - z wykorzystaniem poli(glikolu propylenowego) o masie cząsteczkowej 400 g/mol
W mieszalniku pojemności 3,2 litra umieszczono 1,6 litra osnowy polimerowej (C), tj. poli(glikolu propylenowego) o masie cząsteczkowej 400 g/mol. Łopaty mieszadła (D) znajdują się wysoko nad lustrem cieczy, przy maksymalnej pozycji na jaką można obniżyć komorę mieszalnika (pozycja 1, Fig. 1).
Im większa ma być zawartość fazy stałej w osnowie, tym mniej osnowy (C) dodaje się do mieszalnika. Wynika to z faktu, że im wyższa zawartość krzemionki w osnowie, tym lepsze właściwości barierotwórcze, dlatego w takich przypadkach zapełnia się komorę w ilości 30-35% objętości.
Rozpoczęcie procesu może jednak nastąpić w dowolnej pozycji/wysokości komory, co nie ma wpływu na uzyskiwany efekt. Przy komorze objętości kilku m3, gdy płyta dolna (F) jest zamontowana w płaszczyźnie kondygnacji pomieszczenia, a komora obniża się przez otwór w podłodze wygodniej jest wprowadzać osnowę polimeru do komory (A) w pozycji 1 przedstawionej na Fig. 1, gdzie mieszadło jest maksymalnie podniesione do góry. W mniejszej skali, gdy mały mieszalnik ustawiony jest na stole laboratoryjnym, to wygodnie jest wprowadzać osnowę polimeru do komory (A) w pozycji 3 przedstawionej na Fig. 1, gdy mieszadło jest przy dnie komory (A).
W następnym etapie, na początku komora (A) mieszalnika jest wprawiana w ruch posuwisto-zwrotny o częstotliwości 2 Hz. W jednym przykładzie wykonania, ruch posuwisto-zwrotny zapewniają dwie śruby kulowe/trapezowe. W innym przykładzie wykonania, wykorzystano do tego celu podnośnik hydrauliczny. W alternatywnym przykładzie wykonania użyto podnośnik pneumatyczny.
W kolejnym etapie ogrzewa się komorę (A) i wprowadza się mieszadło (B) w ruch obrotowy do 2500 obr./min. Po osiągnięciu temp. osnowy polimerowej ok. 95°C dozuje się proszek ceramiczny w ilości 15% wag. w stosunku do ilości osnowy polimerowej. Proszek ceramiczny dozuje się powoli wykorzystując do tego celu elastyczne przyłącze grawitacyjnie, alternatywnie pneumatyczne.
Na etapie dozowania częstotliwość ruchów posuwisto-zwrotnych komory mieszalnika (góra-dół) wynosiła ok. 2 Hz.
W miarę zwiększania się zawartości fazy stałej w STF do 30%, zmniejszana jest częstotliwość ruchów komory do około 0,5 Hz. Zwiększając zawartość fazy stałej do 40% wag. zmniejsza się częstotliwość ruchów posuwisto-zwrotnych z 0,5 do 0,01 Hz i jednocześnie, stopniowo zmniejsza się liczbę obrotów mieszadła do 300 obr./min. Ruch posuwisto-zwrotny komory mieszalnika o zmiennej amplitudzie i częstotliwości jest realizowany przez cały proces bez zatrzymywania.
W przypadku, gdy na końcówce dyspergującej (D) odłoży się półstała masa, opuszcza się komorę mieszalnika do pozycji 1 i zwiększa się obroty do 3000 obr./min. W tych warunkach pod wpływem siły odśrodkowej większość półstałej masy odrywa się od mieszadła na boczne ścianki komory (A). Następnie przesuwając komorę do pozycji 2, następuje zwilżanie łopat (D) mieszadła cieczą. Wraz z półstałą masą, również wytwarzana ciecz pod wpływem siły odśrodkowej osadza się na ściankach komory (A), co powoduje ściąganie półstałej masy z powrotem do mieszalnika. Jest to proces samooczyszczania się końcówki mieszającej w trakcie procesu.
Natomiast, przy zawartości 20-40% wag. fazy stałej (proszku ceramicznego) pojawia się tendencja do zalegania proszku ceramicznego na powierzchni cieczy. Wówczas należy podnieść mieszalnik do pozycji, w której część dyspergująca (D) znajduje się tuż pod powierzchnią lustra cieczy (pozycja 2, Fig. 1), lub na granicy lustra cieczy, co prowadzi do zwilżenia proszku ceramicznego cieczą z wnętrza komory (A).
Proces mieszania prowadzi się do momentu ujednorodnienia mieszaniny, tzn. do momentu bez dostrzegalnych wtrąceń zbryleń grudek fazy stałej.
Przykład 3 Sposób wytwarzania STF - z wykorzystaniem poli(glikolu propylenowego) o masie cząsteczkowej 2700 g/mol
Sposób wytwarzania STF jest analogiczny jak w przykładzie pierwszym z tym, że do mieszalnika wprowadza się 1,6 litra poli(glikolu propylenowego) o masie cząsteczkowej 2700 g/mol. Następnie zwiększając zawartość fazy stałej z 15 do 30% wag. proces dozowania proszku ceramicznego prowadzi się okresowo w ten sposób, że po każdej porcji proszku (od 15 do 40 g), przy częstotliwości ruchów posuwisto-zwrotnych w zakresie 0,5-0,01 Hz mieszadło przetrzymuje się w górnej połowie wysokości słupa cieczy do momentu zwilżenia porcji proszku cieczą, a następnie zwiększa się amplitudę ruchów mieszadła z 0,5 do 0,55 Hz (z pozycji 1 do pozycji 2).
W analogicznych przykładach wykonania wykorzystano poli(glikol etylenowy) uzyskując zbliżone rezultaty.
Przykład 4 - Wytwarzanie STF z mieszadłem, w którym kąt β = 120°
W komorze (A) o szerokości 139,7 mm i wysokości 279 mm wprowadzono 1,3 dm3 poli(glikolu propylenowego) o masie cząsteczkowej 2700 g/mol, co stanowi około 35% wypełnienia komory. Do uzyskania wysoko lepkiej cieczy o dobrych właściwościach barierotwórczych w przykładzie wykonania użyto 1100 g krzemionki uzyskując zawartość fazy stałej w cieczy na poziomie 45% wag.
W przykładzie wykonania wykorzystano mieszadło wyposażone w dwie łopaty (D), tj. dwa półpierścienie o średnicy (S1) wynoszącym 92 mm, α=45°, β=120°, co przedstawiono na Fig. 5 i Fig. 6.
Lista oznaczeń odsyłających:
A - komora mieszalnika
B - wał mieszadła
C - osnowa polimerowa
D - część dyspergująca
E - górna płyta mocująca
F - dolna płyta mocująca
G - śruby kulowe
H - pręty liniowe
I - łożyska liniowe
J - płaszcz grzejny
K - połączenie trwałe (spawane) górnej płyty z komorą mieszalnika
L - kołnierz, tj. połączenie rozłączne (kołnierzowe) górnej płyty z komorą mieszalnika
M - mocowanie napędu
N - śruby łączące górną płytę z kołnierzem mieszalnika
S1 - szerokość łopat mieszadła

Claims (10)

1. Układ do wytwarzania cieczy zagęszczanych ścinaniem zawierający komorę posuwisto-zwrotną (A), znamienny tym, że komora (A) ma przekrój poprzeczny okrągły, i jest zespolona z górną płytą mocującą (E) w sposób trwały lub rozłączny, a górna płyta mocująca (E) jest połączona z dolną nieruchomą płytą mocującą (F) za pomocą co najmniej jednego pręta liniowego (H) z łożyskiem liniowym (I), oraz co najmniej jednej śruby kulowej z nakrętką (G), przy czym na zewnątrz komory (A) znajduje się płaszcz grzejny (J), a we wnętrzu komory (A) znajduje się wał (B) mieszadła na jednym końcu którego, znajdują się część dyspergująca zawierająca co najmniej dwie łopaty (D) o kształcie wycinka koła, przy czym kąt (a) nachylenia jednej łopaty (D) w stosunku do wału (B) wynosi od 30° do 80° oraz kąt (β) od 120° do 180°, a szerokość (S1) łopat (D) wynosi 70-95% średnicy wewnętrznej komory(A) i wysokości łopat (D) do 20% całkowitej wysokości komory (A), a drugi koniec wału (B) mieszadła połączony jest z napędem (M) wprawiającym w ruch obrotowy wał (B), przy czym komora (A) porusza się ruchem posuwisto-zwrotnym w stosunku do wału (B).
2. Układ wg. zastrz. 1, znamienny tym, że płaszczem grzejnym (J) jest zewnętrzny płaszcz elektryczny o regulowanej mocy lub zewnętrzny płaszcz na przegrzaną parę.
3. Układ wg. zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że wysokość komory (A) jest większa niż jej szerokość.
4. Układ wg. zastrz. 3, znamienny tym, że stosunek wysokości komory (A) do jej szerokości wynosi 2:1.
5. Sposób wytwarzania cieczy zagęszczonych ścinaniem w układzie określonym zastrz. 1-4 znamienny tym, że obejmuje następujące etapy:
a) wprowadza się osnowę polimerową (C) do komory (A) mieszalnika w ilości nie większej niż 70% objętości komory (A) mieszalnika,
b) wprowadza się w ruch posuwisto-zwrotny komorę (A) mieszalnika,
c) ogrzewa się komorę (A) mieszalnika, wprowadzając również w ruch obrotowy wał (B) mieszadła,
d) wprowadza się proszek ceramiczny porcjami, w ilości do 30% wag. względem osnowy polimerowej (C),
e) reguluje się częstotliwość ruchu posuwisto-zwrotnego komory mieszalnika (A) i obrotów wału (B) mieszadła.
6. Sposób wg. zastrz. 5, znamienny tym, że osnowę polimerową (C) stanowi poli(glikol propylenowy) o masie cząsteczkowej od 400 do 2700 g/mol lub poli(glikol etylenowy) o masie cząsteczkowej od 200 do 400 g/mol.
PL 245990 Β1
7. Sposób wg. zastrz. 5 albo 6, znamienny tym, że w etapie b) komora (A) wprowadzona jest w ruch posuwisto-zwrotny o częstotliwości od 0,01 do 2 Hz.
8. Sposób wg. dowolnego z zastrz. 5 do 7, znamienny tym, że w etapie c) ogrzewa się komorę (A) do temp. 95°C.
9. Sposób wg. dowolnego z zastrz. 5 do 8, znamienny tym, że wał (B) w etapie c) obraca się z częstotliwością 2500-3000 obr./min.
10. Sposób wg. dowolnego z zastrz. 5 do 9, znamienny tym, że w etapie e) częstotliwość ruchu komory (A) reguluje się w zakresie od 2 do 0,01 Hz, a obroty wału mieszadła (B) od 300 do 3000 obr./min.
PL445847A 2023-08-18 2023-08-18 Układ do wytwarzania cieczy zagęszczanych ścinaniem oraz sposób wytwarzania cieczy zagęszczonych ścinaniem PL245990B1 (pl)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL445847A PL245990B1 (pl) 2023-08-18 2023-08-18 Układ do wytwarzania cieczy zagęszczanych ścinaniem oraz sposób wytwarzania cieczy zagęszczonych ścinaniem
EP23806379.6A EP4622741A1 (en) 2023-08-18 2023-10-17 System for producing shear thickening fluids and method for producing shear thickening fluids
PCT/IB2023/060476 WO2025040945A1 (en) 2023-08-18 2023-10-17 System for producing shear thickening fluids and method for producing shear thickening fluids

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL445847A PL245990B1 (pl) 2023-08-18 2023-08-18 Układ do wytwarzania cieczy zagęszczanych ścinaniem oraz sposób wytwarzania cieczy zagęszczonych ścinaniem

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL445847A1 PL445847A1 (pl) 2024-04-22
PL245990B1 true PL245990B1 (pl) 2024-11-12

Family

ID=88837131

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL445847A PL245990B1 (pl) 2023-08-18 2023-08-18 Układ do wytwarzania cieczy zagęszczanych ścinaniem oraz sposób wytwarzania cieczy zagęszczonych ścinaniem

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4622741A1 (pl)
PL (1) PL245990B1 (pl)
WO (1) WO2025040945A1 (pl)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102899894A (zh) * 2012-05-30 2013-01-30 杭州师范大学 一种剪切增稠流体的制备方法与应用
CN203196568U (zh) * 2012-03-27 2013-09-18 浩华科技实业有限公司 一种纳米二氧化硅剪切增稠液的制备装置
CN107558228A (zh) * 2017-08-22 2018-01-09 湖南沃美新材料科技有限公司 一种制备剪切增稠液体的方法
CN113026364A (zh) * 2021-03-17 2021-06-25 上海交通大学 改性纳米二氧化硅剪切增稠防护液及其制备方法和应用

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0813900A1 (en) * 1996-03-28 1997-12-29 Union Carbide Chemicals & Plastics Technology Corporation Continuous, squeeze flow mixing process
US6491422B1 (en) * 2000-05-16 2002-12-10 Rütten Engineering Mixer
DE102006018824A1 (de) * 2006-04-22 2007-10-25 Bayer Technology Services Gmbh Einweg-Bioreaktor
JP5702924B2 (ja) * 2009-08-03 2015-04-15 佐竹化学機械工業株式会社 撹拌翼及び密閉式撹拌装置
US9101893B1 (en) * 2014-03-17 2015-08-11 Advanced Scientifics, Inc. Mixing assembly and mixing method
US9943819B2 (en) * 2014-11-03 2018-04-17 Singh Instrument LLC Small-scale reactor having improved mixing
CN114797743A (zh) * 2022-06-01 2022-07-29 湖北迈可凯科技有限公司 一种带振动往复式多功能反应器系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN203196568U (zh) * 2012-03-27 2013-09-18 浩华科技实业有限公司 一种纳米二氧化硅剪切增稠液的制备装置
CN102899894A (zh) * 2012-05-30 2013-01-30 杭州师范大学 一种剪切增稠流体的制备方法与应用
CN107558228A (zh) * 2017-08-22 2018-01-09 湖南沃美新材料科技有限公司 一种制备剪切增稠液体的方法
CN113026364A (zh) * 2021-03-17 2021-06-25 上海交通大学 改性纳米二氧化硅剪切增稠防护液及其制备方法和应用

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MARIUSZ TRYZNOWSKI ET AL.: "Materials 2022, 15, 5818. https://doi.org/10.3390/ma15175818", „UNEXPECTED METHOD OF HIGH-VISCOSITY SHEAR THICKENING FLUIDS BASED ON POLYPROPYLENE GLYCOLS DEVELOPMENT VIA THERMAL TREATMENT" *
RADOSŁAW ŻUROWSKI ET AL.: "Materials 2022, 15, 3269. https://doi.org/10.3390/ma15093269", „THE INFLUENCE OF UV RADIATION AGING ON DEGRADATION OF SHEAR THICKENING FLUIDS" *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2025040945A1 (en) 2025-02-27
EP4622741A1 (en) 2025-10-01
PL445847A1 (pl) 2024-04-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5102229A (en) Agitator
US5375926A (en) Apparatus for mixing and dispensing fluid by flutter of vibrating vanes
EP2040829B1 (en) Beater for mixing
KR101107138B1 (ko) 플래니터리 믹서
EP2873453B1 (en) Stirring method
JP6170339B2 (ja) 低剪断型同芯２軸ミキサー及びそれを用いた水系負極ペーストの製造方法
JP2007529298A (ja) 非ブレードミキサー
US10052594B2 (en) Apparatus for processing slurry and a process thereof
JP2008506512A (ja) ダイナミックミキサー
JPH05154368A (ja) 高粘性液体用ミキサー
PL245990B1 (pl) Układ do wytwarzania cieczy zagęszczanych ścinaniem oraz sposób wytwarzania cieczy zagęszczonych ścinaniem
JP2704488B2 (ja) 攪拌方法
KR20060114160A (ko) 교반장치
Myers et al. Power draw of a high‐Shear homogenizer
JP2749002B2 (ja) 高粘度液体撹拌槽
CN208082253U (zh) 一种涂料乳化机
JPS6249099B2 (pl)
JP2000140596A (ja) 混練方法
JP2816963B2 (ja) 攪拌機
CN212595623U (zh) 超细硝基胍制备用反应釜
JP2024042647A (ja) 撹拌装置及び撹拌方法
RU2214303C1 (ru) Устройство для перемешивания и способ его применения для получения однородных смесей
JP4766905B2 (ja) パドル翼及び該パドル翼を備える攪拌装置
CN112999931A (zh) 一种搅拌装置及其应用方法
CN219256000U (zh) 一种粉体浆的高速分散设备