FI75583C - Halogeneringsfoerfarande. - Google Patents

Description

1 75583

Halogenointikäsittely Halogeneringsförfarande

Keksinnön kohteena on menetelmä polymeraattimateriaalien pinnan halogenoimiseksi tarkoituksella pienentää näiden materiaalien läpäisevyyttä liuottimille, ja polymeraatti- ja metalli-materiaalien pinnan halogenoimiseksi tarkoituksella lisätä niiden kemiallista vastustuskykyä.

Muovien, joko jäykkää tai taipuisaa tyyppiä olevien muovien pinnan modifioiminen fluorilla tai muilla halogeeneilla on todettu kaupallisesti edulliseksi siinä suhteessa, että täten voidaan aikaansaada esim. säiliöitä, joilla on pienentynyt läpäisevyys nesteille, joilla on liuottavia ominaisuuksia, ja joilla säiliöillä on suurentunut kemiallinen kestokyky eri nesteille ja kaasuille, jotka muuten tulisivat reagoimaan säiliön ei-fluoratun materiaalin kanssa. Eräs tällainen menetelmä ja sitä varten tarkoitettu laite on selitetty US-patent-tijulkaisussa 3 998 180, johon tässä viitataan. Tämän ja muiden pinnan modifiointiin tähtäävien halogenointimenetelmien haitat ovat lukuisia. Eräät menetelmät edellyttävät runsaasti laitteita menetelmän vaatimien vaiheiden ja olosuhteiden takia, jotka voivat edellyttää fluorin siirtämistä esim. fluoria sisältävästä kammiosta reaktiokammioon ja jälleen takaisin, tai hyvin pienien tai suurien paineiden käyttämistä. Mitä enemmän laitteita sitä suurempi on tietenkin kustannustekijä. Toiset menetelmät uhkaavat turvallisuutta. Fluorihan on kuitenkin erittäin myrkyllistä ja erittäin syövyttävää, ärsyttävää kaasua. Se on eniten reaktiivinen tunnettu alkuaine. Fluori reagoi voimakkaasti melkein kaikkien orgaanisten ja epäorgaanisten aineiden kanssa, ja sen erittäin hapettavan luonteen takia sen tulipaloja sytyttävä ominaisuus ylittää jopa hapen ominaisuudet. Mikä tahansa menetelmä, jossa käytetään suhteellisen korkeita lämpötiloja, suuria paineita ja/tai fluorin suuria konsentraatioita, lankeaa vaarallisten menetelmien luokkaan suurentamalla tulipalon tai vuodon mahdollisuutta.

2 75583

Lopuksi eräät menetelmät lisäävät saastumistekijää niiden fluori- tai fluorin sivutuotteiden, kuten fluorivedyn, määrän takia, joista sivutuotteista on päästävä eroon fluorauskäsit-telyn tultua suoritetuksi. Ongelmat, jotka koskevat enemmän laitteita, turvallisuutta ja saastumista ovat tietenkin suhteessa toisiinsa, koska viimeksi mainittujen turvallisuus- ja saastumisongelmien ratkaisemiseksi tavallisesti suurennetaan laitemääriä, mikä puolestaan nostaa investointi- ja käyttökustannuksia, joihin kuuluat myös energiantarpeet. Täten ei ole yllättävää, että teollisuus jatkuvasti pyrkii vähentämään sen laitteiston määrää, joka tarvitaan pinnan modifioimiseksi ja/tai turvallisuustekijän suurentamiseksi.

Keksinnön selitys

Keksinnön eräänä tarkoituksena on näin ollen parantaa menetelmää muovi- tai metallimateriaalin pinnan modifioimiseksi halogeenilla siten, että menetelmän vaatima laitemäärä pienenee ja turvallisuustekijä suurenee.

Keksinnön muut tavoitteet ja edut selviävät seuraavassa ja keksinnön erityiset kohteet ilmenevät patenttivaatimuksista.

Keksinnön mukaan saadaan menetelmä kiinteän polymeraatti- tai metallimateriaalin halogenoimiseksi, jonka menetelmän vaiheet ovat seuraavat: a) aikaansaadaan suljettu järjestelmä, jossa on kammio, joka sisältää noin ilmanpaineen omaavaa ilmaa, ja jossa on tulo- ja lähtölaitteet, lämmönvaihdin ja kiertopumppu, kaikki kytkettyinä sarjaan, b) syötetään kiinteä polymeraatti- tai metallimateriaali kammioon, c) kuumennetaan kammio ja materiaali valittuun lämpötilaan, joka on rajoissa noin 100 °F (37 °C)...noin 200 °C (93 °C) kierrättämällä ilma uudelleen lämmönvaihtimen kautta, d) evakuoidaan järjestelmä, e) johdetaan järjestelmään halogeenia määrin (1) joka on jopa noin 10 % yli sen teoreettisen halogeenimäärän, joka tarvitaan polymeraattimateriaalin halogenoimiseksi haluttuun syvyyteen, il 3 75583 2) joka on riittävä osapaineen aikaansaamiseksi järjestelmässä, joka paine on rajoissa noin 0,1 psia (0,69 kPa) ... noin 3 osia (20,7 kPa), f) johdetaan inerttiä kaasua järjestelmään riittävin määrin kokonaispaineen aikaansaamiseksi järjestelmässä, joka on noin yksi ilmakehä (n. 100 kPa), g) ylläpidetään valittu lämpötila kierrättämällä halogeenin ja inertin kaasun seos uudelleen lämmönvaihtimen läpi, h) kierrätetään halogeenin ja inertin kaasun seos uudelleen riittävän monta kertaa halogeenimäärän pienentämiseksi arvoon, joka on noin 5 % järjestelmään syötetyn halogeenin määrästä, i) evakuoidaan järjestelmä, j) johdetaan ilmaa järjestelmään suunnilleen ilmanpaineen aikaansaamiseksi, ja k) poistetaan materiaali.

Keksinnön kohteena oleva menetelmä on panosmenetelmä, joka on jatkuvan menetelmän vastakohta. Halogenoitavat muovi- tai metalliesineet panostetaan kammioon, halogenoidaan ja poistetaan. Tämän jälkeen menetelmä toistetaan. Tässä käytetyllä sanonnalla "halogeeni" tarkoitetaan mitä tahansa halogeenia tai niiden seoksia. Niitä käytetään keksinnön mukaisessa menetelmässä kaasumaisina. Edullisina pidettyjä halogeeneja ovat fluori ja fluorin ja bromin seos. Seuraavasssa selitetyt laite ja menetelmän vaiheet ja olosuhteet soveltuvat yleisesti halogeeneille ryhmänä.

Käsiteltävät esineet voivat olla rakenteellisesti jäykkiä tai taipuisia ja muodoltaan, kooltaan, teksturoinniltaan ja kemiallisilta koostumuksiltaan mitä erilaisimpia. Yleisimmin käsitellyt esineet ovat muovisäiliöt, erikoisesti pullot, mutta voidaan myös käsitellä levyjä, kalvoja, putkia ja autoja ja muita laitteita varten, samoin kuin metallikappaleita, joiden kestävyyttä liuottimiin ja korroosioon nähden voidaan täten parantaa. Ainoana ehtona keksinnön mukaisen menetelmän avulla käsiteltävälle halogenoitavalle esineelle on, että se on kiinteä ja että se voidaan edullisesti modifioida saattamalla sen pintakomponentit reagoimaan valitun halogeenin kanssa.

4 75583

Menetelmässä käytetään tavanomaista laitteistoa, joka on sovitettu edellä selitettyjen vaiheiden suorittamiseksi mainituissa olosuhteissa. Seuraavassa selitetään tyypillinen järjestelmä. Tällaisessa järjestelmässä on kammio, jonka tilavuus on 5000 kuutiojalkaa (n. 142 m3), ja joka on konstruoitu kahden teräsjalaksen varaan. Kammiossa on yksi tai kaksi ovea, jotka avataan hydraulisesti, ja joiden pinta-ala on noin 50 neliöjalkaa (n. 4,7 m^). Liitännät menetelmän putkitusta varten ovat neljän tuuman (n. 100 mm) nimellisputken kierteellä lai-poitettuja aukkoja. Vaikka laite on suunniteltu helposti toimimaan painerajoissa, jotka ovat täydestä tyhjöstä ... 45 psia (n. 310 kPa) ja lämpötiloissa, jotka ovat rajoissa noin 70° ...noin 400 °F (n. 21...204 °C), tulee keksinnön mukaisen menetelmän käyttölämpötila olemaan rajoissa noin 100...noin 200 °F (n. 37...93 °C) ja edullisesti rajoissa noin 120...noin 180 °F (n. 48...82 °C) ja käyttöpaine tulee olemaan rajoissa noin 0,1 psia ...noin yksi ilmakehä (n. 0,69...100 kPa).

Kammion seinämät voidaan lämmittää myötävaikuttamaan määrätyn lämpötilan pysyttämiseksi kammiossa, mutta tämä tunnusmerkki on valinnainen. Kammion yläpäässä ja pohjassa on liitännät kokoomaputkia varten, joissa puolestaan on liitännät ilmaa, inerttiä kaasua ja tässä tapauksessa fluoria varten, sekä uudelleenkierrättämistä että evakuointia varten. Sekä kammiossa että kokoomaputkissa on erilaisia liitäntöjä lämpöpareja, paineenmuuttajia, kaasun näytteenottoputkia ja muita kontrol-lilaitteita varten.

Voidaan käyttää yhtä tai kahta yksivaiheista tyhjöpumppua kaasun kierrättämiseksi samoin kuin järjestelmän tyhjentämiseksi. Nämä voivat olla pyöriväsiipisiä, sarjaan kytkettyjä tyhjöpumppuja. Magneettista keskipakopuhallinta voidaan käyttää kaasuseoksen kierrättämiseksi tyhjöpumppujen asemesta, mutta joka tapauksessa tyhjöpumppuja käytetään evakuointia varten.

Il 5 75583

Kaikki fluorin kanssa kosketukseen joutuva laitteisto, kuten kammio, kokoomaputket, putkitukset ja lämmönvaihtimet on tehty passivoidusta ruostumattomasta teräksestä, joka on esim. AISI-tyyppiä 304L. Yhtä tai useampaa lämmönvaihdinta käytetään järjestelmän lämpötilan säätämiseksi. Ne ovat laajennettua pintaputki- ja kuorirakennetta, joiden minimikapasi teet ti on 100 000 BTU/h (n. 105 500 kJ/h) 5 000 kuutiojalan (n. 142 m3) kammion käsittelemiseksi. Kammio, lämmönvaihtimet ja kierto-pumppu, joka voi olla tyhjöpumppu tai puhallin, on kytketty sarjaan suljetun silmukan tai järjestelmän muodostamiseksi, jossa on kaikki venttiilit, jotka ovat tarpeen järjstelmän täydellisen kontrollin antamiseksi. Puhallinta käytettäessä yhdessä tyhjöpumpun kanssa nämä molemmat on kytketty rinnan. Kaksi- tai kolmivaiheinen lietteen nestepesulaite ja liete-pumppu on kytketty tyhjöpumppuun menetelmän mahdollisten sivutuotteiden muuttamiseksi sopivan maantäytöaineen muotoon. Kaikki venttiilit ovat palkeilla tiivistettyjä sulkuventtiile-jä. Koko järjestelmä on huolellisesti tiivistetty vuodon estämiseksi, ja osat on valittu pitämällä tämä mielessä.

Ammattihenkilöt tietävät, että järjestelmässä käytetty laitteisto on yhdistelmä tavanomaisista hyllyltä otettavista laitteista, joilla voidaan käsitellä halogeeneja, joten esim. kammio voi olla sellainen, jota käytetään sterilointipalvelus-sa, ja voidaan käyttää useita eri vaihtoehtoja. Laitteistoa voidaan myös suurentaa tai pienentää, toisin sanoen se voidaan mitoittaa kaupallisen sovellutuksen ja jokaisessa panoksessa käsiteltävän materiaalimäärän mukaan.

Prosessi käynnistetään syöttämällä materiaalia suljetun järjestelmän kammioon. Tässä vaiheessa on kammiossa olevalla ilmalla ilmapaine. Tämän jälkeen tyhjöpumppu tai puhallin käynnistetään ilman kierrättämiseksi silmukan läpi. Lämmön-vaihdin käynnistetään myös siten, että saadaan lämpötila, joka on rajoissa noin 100 °F...noin 200 °C (n. 37...93 °C) ja edullisesti rajoissa noin 120 °F ...noin 180 °F (n. 48...82 °C) . Ilma lämmitetään ja kierrätetään uudelleen, kunnes kammion sisäseinämät ja käsiteltävä materiaali omaavat lämpötilan, 6 75583 joka edullisesti on viimeksi mainituissa rajoissa noin 120 °F... noin 180 °F (n. 48...82 °C). Tämä vaihe poistaa mahdollisen kosteuden käsiteltävistä esineistä. Kammion ja sen sisällön saavutettua valitun lämpötilan, ilma poistetaan järjestelmästä tyhjöpumpun avulla paineeseen, joka on pienempi kuin noin 1 psia (n. 6,9 kPa) ja edullisesti pienempi kuin 0,5 psia (n. 3,5 kPa).

Tämän jälkeen fluoria syötetään järjestelmään jopa noin 10 paino-% yli sen teoreettisen fluorimäärän, joka tarvitaan materiaalin fluoraamiseksi haluttuun syvyyteen. Fluoria lisätään edullisesti noin 5 paino-% ylimäärin. Tämän jälkeen fluoria syötetään riittävässä määrin järjestelmän osapaineen suurentamiseksi arvoon noin 0,1...noin 3 psia (n. 0,69...21 kPa) ja edullisesti noin 0,1...noin 1 psia (n. 0,69...6,89 kPa) . Fluorimäärä, joka mainituissa rajoissa on tarpeen materiaalin pinnan fluoraamiseksi haluttuun syvyyteen, toisin sanoen syvyyteen, joka antaa sen läpäisevyyden ja/tai kemiallisen lujuuden, joka tarvitaan sitä käyttöä varten, johon materiaali joutuu, perustuu aikaisempaan kokemukseen, joka on kerääntynyt kokeiden avulla. Tätä määritysmenetelmää käytetään niiden vaihtelevien tekijöiden rajattoman lukumäärän takia, joita esiintyy käsiteltäviin materiaaleihin nähden, esim. kokoon, muotoon, kemialliseen koostumukseen, käyttöön, tätä varten tarvittavan fluoraussyvyyden ja käsiteltävien esineiden lukumäärään (tai koko pintaan nähden) . Kammion koko ja muoto samoin kuin nopeus, jolla fluoria kierrätetään uudelleen, ovat muita vaihtelevia tekijöitä, jotka on otettava huomioon.

Tämän jälkeen järjestelmään suihkutetaan inerttiä kaasua, edullisesti typpeä, riittävän suurin määrin noin yhden ilmakehän (n. 100 Pa) suuruisen kokonaispaineen aikaansaamiseksi. Voidaan kuitenkin, kuten on mainittu, käyttää mitä tahansa kaasua, joka ei reagoi käsiteltävän materiaalin, laitteiston ja fluorin kanssa, ja ilman pieni osapaine, toisin sanoen pienempi kuin noin 1 psia (n. 6,9 kPa) ei vaikuta prosessiin. Yhtä vähän fluoria kuin inerttiä kaasuakaan ei tarvitse esi-lämmittää ennen syöttämistä järjestelmään.

Il 7 75583

Vaikka fluori edullisesti syötetään ennen inerttiä kaasua, voidaan hyväksyä tämän menetelmän useita vaihtoehtoja. Niinpä voidaan ensin suihkuttaa inerttiä kaasua tai fluorin ja iner-tin kaasun seosta, tai voidaan ensin syöttää jonkin verran fluoria tai inerttiä kaasua, minkä jälkeen seos syötetään.

Fluorin ja inertin kaasun seos kierrätetään uudelleen lämmönvaihtimen läpi valitun lämpötilan ylläpitämiseksi. Säädetään ulkopuolisesti lämmönvaihtimen vaippapuolen läpi virtaavan lämmönsiirtofluidumin lämpötilaa tämän tavoitteen toteuttamiseksi. Tällä tavoin järjestelmä saatetaan toimimaan isotermi-sesti, ja tulokset tulevat paremmin ennalta ennustettaviksi. Seoksen suoraviivainen nopeus pidetään myös vakiona. Tyypilliset suoraviivaiset nopeudet ovat rajoissa noin 0,1 jalkaa sekunnissa ... noin 10 jalkaa sekunnissa (n. 0,03...3 m/sek.). Vakiona pidetty suoraviivainen nopeus yhdessä fluorin pienen ylimäärän kanssa aikaansaa riittävän suuren fluidumidynamiikan niin, että kammiossa voidaan saavuttaa ja pysyttää pyörteinen virtaus. Nämä suoraviivaiset nopeudet mahdollistavat kaasuti-lan non 1...200 vaihtumista (tai uudelleenkierrätystä) minuutissa.

Seos kierrätetään uudelleen riittävän monta kertaa fluorimää-rän pienentämiseksi arvoon, joka on pienempi kuin noin 5 % järjestelmään alkuaan syötetystä fluorimäärästä, ja edullisesti pienempi kuin noin 2 %. Tarkoituksena tässä yhteydessä on tietenkin saattaa reagoimaan teoreettinen määrä, joka tarvitaan reaktiossa materiaalin kanssa. Vaikka tätä tarkkuutta ei käytännössä saavutetakaan, on jäljellä olevan kalliin fluorin määrä pienempi, toisin sanoen noin 99,0 % jäljellä olevasta fluorista muuttuu fluorivedyksi . Tämä sivutuote poistetaan evakuoimalla järjestelmän paine vielä kerran pienemmäksi kuin 1 psia (n. 6,9 kPa) ja edullisesti pienemmäksi kuin noin 0,1 psia (n, 0,69 kPa). Sivutuote johdetaan lietteen nestepesu-laitteeseen, muutetaan maan täyttöaineena soveltuvaksi ja 8 75583 saadaan täten poistetuksi. Tässä yhteydessä voidaan tehokkaasti käyttää kaskadiin sovitettua kalsiumkarbonaattilietteen pesulaitetta, joka muodostaa liukenematonta kalsiumfluoridia.

Sen sijaan, että lasketaan niiden kertojen lukumäärä, joka fluorin ja inertin kaasun seos kierrätetään uudelleen fluorin konsentraation pienentämiseksi, voidaan määrittää materiaalin oloaika kammiossa. Tämä tehdään analysoimalla sekä fluorin tunkeutumissyvyys käsiteltävään materiaalin että poistokaasu, joka johdetaan pesulaitteeseen. Edellinen analyysi on tärkein, koska se varmistaa lopputuloksen, toisin sanoen, kykeneekö fluorattu esine suoriutumaan tarkoitetulla tavalla. Viimeksi mainittu analyysi on prosessin hyötysuhteen osoitus, kun parametrit kerran on asetettu, otamalla huomioon kaikki variaabelit. Tyypilliset oloajat ovat rajoissa noin Ι.,.ηοίη 1000 minuuttia keskikokoisten (yhden neljännesgallonan tai litran) polyetyleenipullojen panokselle 5 000 kuutiojalan (n. 142 m3) kammiossa. Oloajalla on kuitenkin pienempi tärkeysaste kuin keksinnön mukaisen menetelmän muilla tunnusmerkeillä, kuten turvallisuudella, laitteistomäärän pienenemisellä ja fluorin tehokkaalla käytöllä. Täten oloaikaa voidaan pidentää viimeksi mainittujen ominaisuuksien eduksi.

Järjestelmän tultua evakuoiduksi ilma päästetään tunkeutumaan siihen, ilmanpaine palautetaan ja fluoratut materiaalit poistetaan. On huomattava, että tämä ilma myös toimii poishuuhte-luaineena mahdollisesti jäljellä olevalle fluorille, joka on voinut diffundoitua muoviin.

Järjestelmän edut ovat seuraavat: 1. Isoterminen säätö aikaansaa vakiolämpötilan kautta koko järjestelmän, mikä helpottaa tasaisen tuloksen saavuttamista. 2. Vakiouudelleenkierrä-tys pyrkii poistamaan konsentraation gradientteja kammion poikitse. 3. Mahdollisuus toimia alhaisissa lämpötiloissa ja pienissä paineissa poistaa tulipalo- ja vuotovaaran. 4. Halogeenin tehokas hyödyksikäyttö sekä pienentää tämän kalliin kaasun kustannuksia että pienentää myös mittaamattomalla tavalla saastumistekijää. 5. Koska kammion koolla ei ole mitään

II

9 75583 rajaa, voidaan kammio mitoittaa siten, että se täyttää käyttäjän päivittäisen tarpeen yhtenä panoksena, ja panos tulee tasaisesti käsitellyksi. 6. Halogeenin ja/tai inertin kaasun esilämmitystä tai esisekoittamista ei tarvita eikä edes ole hyödyksi. 7. Samalla tavoin kuin ei ole mitään tarvetta suurista paineista, ei myöskään tarvita erittäin pieniä paineita, esim. paineita, jotka ovat pienemmät kuin noin 20 mm elohopeaa (n. 2,67 kPa) . Tämä vähentää sekä laitteisto- että energiakustannuksia. 8. Järjestelmässä käytettyä ilmaa ei tarvitse kuivata ennen sen syöttämistä. Vaiheessa a) mainittua ilmaa käytetään fluorattavan materiaalin lämmittämiseen ja ilma poistaa mahdollisen kosteuden evakuoitaessa vaiheessa d). Vaiheessa j) syötettyä ilmaa käytetään jräjestelmän puhdistamiseksi fluorista.

Claims (4)

10 75583