发明内容
一种射频辐射快速制备气凝胶的溶胶-凝胶设备,包括设备的外箱体11,设备的内胆12,设备的自动控制装置13,惰性气体进入设备内胆的鼓入通道14,设备的射频发生器15,设备内胆内气体进入回收系统和三废处理系统的抽出通道16,设备的监测装置17,液态原辅料喷淋装置18,设备内胆内的履带输送装置19;所述的自动控制装置13和设备的射频发生器15位于设备外箱体11和设备的内胆12之间;监测装置17中的金属监测装置和有机气体监测装置位于设备外箱体11和设备的内胆12之间,温度监测装置、氧浓度监测装置和视频监视装置位于设备内胆12内;设备上工作电机均为防爆电机。
所述的原辅料系统,用于供给生产原料和辅料,原料包括气凝胶的胶源、纤维增强材料、红外阻隔材料中的一种或几种,辅料包括水、稀释剂、保湿剂、置换剂、改性剂、酸和碱中的一种或几种。
所述的惰性气体系统,向置换改性设备供给惰性气体,确保置换改性设备内的氧浓度低于置换改性设备内可燃气体燃烧或爆炸需要的最低氧含量,惰性气体包括氮气、二氧化碳、氦气、氩气、氖气中的一种或几种。
所述的供热系统,由换热器和热介质组成,其中热介质包括热水、蒸汽、导热油、空气、惰性气体和电热丝中一种或几种。
所述回收系统,用于回收置换改性设备中的可循环使用的原辅料以及惰性气体系统注入置换改性设备的惰性气体,回收方式包括冷凝、蒸发、精馏、浓缩、吸附、过滤、筛分中一种或几种方式。
所述三废处理系统用于处理生产过程中产生的不可循环使用的废液、废气和废固。
所述的射频辐射快速制备气凝胶的溶胶-凝胶设备,需要加热时,可以仅采用射频辐射加热,也可以仅通过供热系统加热,还可以采用射频辐射加热与供热系统加热组合加热。
所述的射频辐射快速制备气凝胶的溶胶-凝胶设备,具有射频发生器,射频发生器发出射频的工作频率为300KHz~300GHz,射频输出功率为250W~1000kW。
所述的射频辐射快速制备气凝胶的溶胶-凝胶设备,具有监测装置和自动控制装置;监测装置包括金属监测装置、温度监测装置、氧浓度监测装置、有机气体监测装置和视频监视装置中的一种或几种,金属监测装置监测的金属粒径范围为大于0.1mm,温度监测装置监测的温度范围为-50~300℃,氧浓度监测装置监测的氧浓度范围为0.01%~25%;自动控制装置包括PLC控制系统装置或DCS控制系统装置或安全连锁装置,自动控制装置的控制界面可以远离工作现场;射频发生器、设备工作电机可以通过监测装置和自动控制装置实现远程或现场自动控制、安全连锁或紧急停车。
所述的射频辐射快速制备气凝胶的溶胶-凝胶设备,具有前后贯通的内胆,能够阻隔生产过程中水分或酸组分或碱组分或有机组分与内胆外的溶胶-凝胶设备其他工作部件直接接触,内胆材质为聚合物或陶瓷或玻璃,内胆可以是一个整体也可以是多段拼接。
所述的射频辐射快速制备气凝胶的溶胶-凝胶设备,内胆内具有履带输送装置,该输送装置的材质为聚合物或陶瓷或玻璃,输送装置在溶胶-凝胶设备内可以是一整条也可以是多段拼接,履带速度为0.1m/min~25m/min可调,履带输送装置可以是实心的,也可以是网孔的。
所述的射频辐射快速制备气凝胶的溶胶-凝胶设备,内胆上有通道,可以与原辅料系统、惰性气体系统、供热系统、回收系统、三废处理系统贯通或关闭。
所述的惰性系统,在射频辐射快速制备气凝胶的溶胶-凝胶设备的入口和出口处设置有惰性气体封闭气幕,在溶胶-凝胶设备的各工段均有惰性气体鼓入通道和抽出通道,鼓入通道和抽出通道的风量基本相当并维持设备内部处于微正压。
所述的回收系统,其从设备内胆内回收的气体量基本等于原辅料系统注入的原辅料蒸发的气体量与惰性气体系统注入的气体量的总和。
所述的原辅料系统、惰性气体系统、供热系统、回收系统和三废处理系统除了与射频辐射快速制备气凝胶设备相互连接贯通外,上述系统彼此之间也有通道和泵连接,可以进行物料或热量的相关交换。如供热系统可以为原辅料系统、惰性气体系统、回收系统和三废处理系统提供热量,经回收系统处理过的原辅料和惰性气体再回归到原辅料系统和惰性气体系统。
所述的射频辐射快速制备气凝胶的溶胶-凝胶设备,具有监测装置和自动控制装置,显著提升了生产的自动化水平和安全控制水平。
所述的射频辐射快速制备气凝胶的溶胶-凝胶设备的内胆,材质为聚合物或陶瓷或玻璃,既起到有效的隔离内胆内的有机气体和酸、碱组分等进入设备内胆外,消除安全隐患,改善射频发生器等部件的工作环境,还能让射频发生器发出射频有效穿透而作用于气凝胶制备的相关物料,提升射频辐射利用率。
所述的在射频辐射快速制备气凝胶的溶胶-凝胶设备入口和出口处设置惰性气体封闭气幕,有助于确保本发明设备连续式自动化安全生产,排除外部空气及物料进出对设备的内胆内气氛的影响。
所述的在射频辐射快速制备气凝胶的溶胶-凝胶设备除了完成溶胶-凝胶工段任务外同时还能完成老化工段任务,通过调整内胆内履带输送装置的速度,和液态原辅料喷淋装置出料类型,物料在此工段内可先后完成溶胶-凝胶和老化两个工艺过程。
射频辐射对气凝胶快速制备起到两方面的作用,一是加热作用,二是化学作用。因气凝胶制备的原辅料中往往含有水分、乙醇稀释剂等极性分子,在快速变化的射频场(300KHz~300GHz)作用下,其极性取向将随着外部射频场的变化而变化,造成极性分子的自旋运动效应,此时射频场的场能转化为介质内的热能,使物料温度升高,而达到射频加热的目的。
射频辐射的化学作用非常复杂,除了具有热效应外还存在一种不是由温度引起的非热效应,它能改变反应的动力学性质,降低反应的活化能,加速物料间的物质和能量交换,进而加快反应过程,显著缩短工艺反应时间。本发明中射频辐射在加速气凝胶制备的溶胶-凝胶工段的工艺过程都起到了显著的效果。
有益效果
与现有技术相比,本发明射频辐射快速制备气凝胶的溶胶-凝胶设备具有以下显著优势。
1)溶胶-凝胶及老化一体化,生产效率显著提升。传统超临界干燥工艺或常压干燥工艺溶胶-凝胶及老化工段的完成往往需要数十小时到数天的时间,采用本发明可以在1~5h内完成全部生产流程。
2)可以实现连续式全自动生产。本发明克服了传统溶胶-凝胶设备只能间歇式半自动化生产的难题,可以实现连续式全自动生产,乃至实现生产的无人化,将极大促进气凝胶行业生产水平的自动化和智能化,实现高端新材料的高端制造。
3)有利于产品质量的控制和生产安全保障。本发明的高度自动化,易于确保产品各批次质量的一致性,极大减少车间现场操作人员,避免人员误操作、减少人员与乙醇等危险化学品的接触几率,极大提升了现场操作人员的生命安全保障。
4)以适用于多种形态气凝胶产品的生产。传统溶胶-凝胶设备一般仅能使用于单一形态产品的生产,本发明可以适用于气凝胶粉体、气凝胶颗粒、气凝胶毡、气凝胶板、气凝胶布和气凝胶薄膜等多种形态的产品的生产,极大扩宽的生产的柔性度和适用性,非常利于企业扩展产品应用、节省设备投资。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体的实施方式对本发明的射频辐射快速制备气凝胶的溶胶-凝胶设备进行更加详细的描述。
如图1所示,本发明的射频辐射快速制备气凝胶设备溶胶-凝胶设备,包括设备的外箱体11,设备的内胆12,设备的自动控制装置13,惰性气体进入设备内胆的鼓入通道14,设备的射频发生器15,设备内胆内气体进入回收系统和三废处理系统的抽出通道16,设备的监测装置17,液态原辅料喷淋装置18,设备内胆内的履带输送装置19。
如图2所示,本发明的射频辐射快速制备气凝胶的溶胶-凝胶设备与外围系统组成,包括射频辐射快速制备气凝胶的溶胶-凝胶设备7,原辅料系统2,惰性气体系统3,供热系统4,回收系统5,三废处理系统6。
上述图示中,自动控制装置13和设备的射频发生器15位于设备外箱体11和设备的内胆12之间;监测装置17中的金属监测装置和有机气体监测装置位于设备外箱体11和设备的内胆12之间,温度监测装置、氧浓度监测装置和视频监视装置位于设备内胆12内。
根据生产气凝胶产品形态的不同,射频辐射快速制备气凝胶设备7的物料入口处还有相应的放料装置。
下面结合二氧化硅气凝胶绝热毡的一项生产实例,进一步说明本发明:
首先进行设备内胆12内的惰性气体置换。在投料前应先通过惰性气体进入设备内胆的通道14,将惰性气体系统3中的二氧化碳气体注入设备内胆12,在设备7的入口和出口处的内胆12设置二氧化碳气体封闭风幕阻断外部空气进入内胆,然后开启设备内胆内气体进入回收系统和三废处理系统的通道16,对设备内胆12内气体进行回收或三废处理,控制鼓入通道14的进风量和通道16的出风量,保持设备内胆12内为微正压,当内胆12内的监测装置17氧浓度监测装置反馈氧浓度低于2%时,启动原辅料系统2,启动自动控制装置13和监测装置17,准备生产投料。
通过设备7前端的放料装置(放卷机)和设备内胆12内的输送装置(四氟乙烯履带),将来自原辅料系统2的10mm厚度的玻璃纤维毡一头导入设备内胆12内,同时通过监测装置17的金属监测装置监测玻璃纤维毡是否具有金属颗粒,监测通过的玻璃纤维毡输送到设备溶胶-凝胶工段7时,液态原辅料喷淋装置18将来自原辅料系统2经稀释去除杂质调节PH值的水玻璃硅源硅溶胶(工艺配比参照专利CN2014102703529)喷淋在玻璃纤维毡上,调节喷淋装置18的喷淋流量和输送装置19的速度,使得喷淋出的硅溶胶刚好浸透下方的玻璃纤维毡,如监测装置17的有机气体浓度监测装置反馈正常,启动设备7的溶胶-凝胶工段7的射频发生器15,同时启动监测装置17的温度检测装置,射频发生器15的工作频率为27.12MHz,功率为50~100kw之间,确保监测装置17的温度检测装置反馈的温度为30~60℃,约10分钟后形成玻璃纤维毡二氧化硅复合凝胶,之后进入老化工段。
通过喷淋装置18向玻璃纤维毡二氧化硅复合凝胶喷淋适量来自原辅料系统2的经供热系统4预热到40℃的保湿剂(乙醇含量为80%的乙醇-水混合物),设置射频发生器15的工作频率为2450MHz,功率为60~100kw之间,确保监测装置17的温度检测装置反馈的温度为45~70℃,监测装置17视频监测装置看到的玻璃纤维毡二氧化硅复合凝胶表面是湿润的没有裂纹或收缩,约25分钟后,老化完成,凝胶物料进入置换改性工段。
生产过程中,监测装置17全程工作,一旦监测到设备7的内胆12内的有机气体逸出,或内胆内气体温度超标或氧浓度超标或监测到金属颗粒,自动控制装置13将启动安全连锁或紧急停车。
由此,通过本发明可以实现连续式的高度自动化水平的快速完成气凝胶生产的溶胶-凝胶和老化过程。
上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思,而非对本发明权利保护的限定,凡是依据本发明的技术和方法实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明的技术和方法方案的范围内。