FI85365B - Foerfarande och anordning foer framstaellning av ihaoliga mikrosfaerer. - Google Patents

Description

1 85365 5 Menetelmä ja laitteisto onttojen mikropallojen valmistamiseksi - Förfarande och anordning för framställning av ihäliga mikrosfärer 10 Keksinnön kohteena on menetelmä ja laitteisto onttojen mikropallojen valmistamiseksi lämmittämällä paisutusainetta sisältävästä materiaaliaalista valmistettuja mikropal-loaihioita paisutusaineen alkuperäistä liuotuslämpötilaa korkeammassa lämpötilassa. Keksinnön kohteena on erityisesti 15 onttojen lasimikropallojen valmistusmenetelmä ja laitteisto.

Mikropalloja käytetään yhä laajenevassa määrin mm. konstruktiomateriaaleissa täyte-, lujite- ja kevennysaineina. Niiden halkaisijat voivat vaihdella n.5 - 300 pm, tyypillisesti 20 mikropallot ovat halkaisijaltaan n. 40 - 125 pm. Seinämän-vahvuus on n. 1 - 6 pm ja tiheys materiaalista, halkaisijasta ja seinämänvahvuudesta riippuen tyypillisesti n. 0.02- 0.5 g/cm3. Mikropalloja voidaan valmistaa termoplastisista materiaaleista mm. lasista, keraameista, orgaanisista 25 polymeereistä, sekä hiilestä. Mikropallojen valmistus kaikista näistä materiaaleista perustuu siihen, että sulasssa tilassa olevaan raaka-aineeseen liuotetaan paisu-tusainetta ja näin saadusta seoksesta valmistettujen mikropalloaihioiden lämpötilaa nostetaan myöhemmässä 30 vaiheessa alkuperäistä liuotuslämpötilaa korkeampaan lämpötilaan, jossa lopullinen paisuminen ja mikropallojen muodostuminen tapahtuu.

1.. Yleisesti käytössä oleva tekniikka onttojen mikropallojen *;* 35 valmistamiseksi on seuraava:

Ensimmäisessä vaiheessa mikropallojen raaka - aine sulatetaan ja siihen liuotetaan sopivaa paisutusainetta, esim.

! 2 ö 5 365 SO3. Eri paisutusaineita on esitetty esim. julkaisuissa US 3 030 215, sekä US 3 365 315. Seuraavassa vaiheessa paisutusainetta sisältävän materiaalin annetaan jäähtyä, jonka jälkeen se murskataan ja seulotaan sopiviin frak-5 tioihin. Tämän jälkeen halutun kokoista mursketta syötetään kuumaan kaasuvirtaan, jossa murskeen partikkelit sulavat uudelleen. Kun sulien partikkelien lämpötila nousee paisu-tusaineen alkuperäistä liuotuslämpötilaa korkeammaksi, poistuu paisutusainetta sulista partikkeleista paisuttaen 10 ne ontoiksi. Pintajännitysvoimat muotoilevat partikkelit pallomaisiksi. Onttojen mikropallojen valmistusta ja valmistuslaitteistoja on esitetty esim. seuraavissa julkaisuissa US 2 794 301, US 3 030 215, US 3 129 086, US 3 230 064, US 3 365 315, DE 19 61 628, US 4 340 407, GB 2 162 15 509, GB 1 493 209 sekä US 4 661 137.

Kaikissa tunnetuissa prosesseissa sula raaka-aine joudutaan jäähdyttämään, murskaamaan ja murske seulomaan ennenkuin päästään edellä mainittuun varsinaiseen onton mikropallon 20 valmistusvaiheeseen, eli aikaisemmin tunnettu tekniikka on mutkikasta ja kustannusrakenteeltaan energiaa ja työtä sitovaa; joudutaanhan niissä sulatus suorittamaan kahteen kertaan. Itse raaka-aineen kustannukset ovat hyvin vähäiset tuotteen kokonaiskustannuksiin nähden. Nykyisellä tekniikal---- 25 la valmistettujen, laadultaan hyväksyttävien, onttojen I". mikropallojen saanto on huonohko, eli hukkaprosentti on - * suuri.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on aikaansaada 30 parannus nykyisin tunnettuihin menetelmiin ja laitteistoihin onttojen mikropallojen valmistamiseksi, sekä samalla parantaa hyvälaatuisten mikropallojen saantia, eli alentaa hukkaprosenttia, poistamalla väli jäähdytys, murskaus ja murskeen seulonta, suorittamalla paisutettavien mikropal-·;· 35 loaihioiden valmistus ja paisutushehkutus täysin uudella : tavalla. Mikropallojen valmistaminen kaikista edellämai nituista lähtöaineista tapahtuu saman perusperiaatteen mukaisesti, eli että sulaessa tilassa olevaan raaka-ainee- 3 85365 seen liuotetaan paisutusainetta ja näin saadusta seoksesta valmistettujen mikropalloaihioiden lämpötilaa nostetaan myöhemmässä vaiheessa paisutusaineen alkuperäistä liuotus-lämpötilaa korkeampaan lämpötilaan, jossa lopullinen 5 paisuminen ja mikropallojen muodostuminen tapahtuu. Koska lasi on tavallisin ja eniten käytetty raaka-aine onttojen mikropallojen valmistuksessa, selostetaan jatkossa onttojen mikropallojen valmistusmenetelmää ja laitteistoa lasimik-ropallojen valmistuksen kannalta, vaikka samaa menetelmää 10 ja laitetta voidaankin soveltaa yhtäläisesti onttojen mikropallojen valmistamiseksi muistakin edellämainituista termoplastisista raaka-ainemateriaaleista.

Keksinnön tarkoitus saavutetaan menetelmällä, jolle on 15 tunnusomaista se, että sulassa tilassa oleva materiaali, johon on liuotettu paisutusainetta, valutetaan suutinaukon tai -aukkojen läpi, jonka jälkeen sulassa tilassa olevat langat johdetaan välittömästi suutinaukkojen alapuolella olevaan uuniin, jossa lankojen lämpötilaa kohotetaan 20 sähkömagneettisella säteilyllä, jolloin langat kuroutuvat pisaroiksi pintajännitysvoimien ja viskoosien kitkavoimien vaikutuksesta ja näin syntyneiden pisaroiden lämpötilaa kohotetaan edelleen, jolloin paisutusaine laajentuessaan . . aiheuttaa kuroutuneiden pisaroiden sisuksen muodostumisen 25 ontoksi, jonka jälkeen näin valmistetut mikropallot jäähdy tetään.

On ennestään tunnettua käyttää sähkömagneettista säteilyä, esim. mikroaaltoja lasiputkien lämmittämiseen. Tällaisia 30 menetelmiä on selostettu esim. julkaisuissa FR 2 249 847, FR 2 288 958 ja FI 78060. On myös tunnettua julkaisusta FI 78060, että niiden materiaalien, joilla on pieni häviöker-roin, lämmittäminen mikroaalloilla onnistuu vain, jos on käytetty esilämmitystä ja/tai lämmitysuunin muoto on valittu 35 sopivaksi.

Keksintö koskee myös menetelmän toteuttamiseen soveltuvaa laitteistoa, jolle on tunnusomaista se, että välittömästi 4 85365 suutinkammion alapuolella oleva kuumennuslaite on mikroaaltouuni, jossa lämpötilaa kohotetaan paisutusaineen alkuperäistä liuotuslämpötilaa korkeammaksi.

5 Esillä olevan keksinnön mukaista menetelmää ja laitteistoa selostetaan yksityiskohtaisemmin oheisen onttojen lasimik-ropallojen valmistusta esittävän kaaviomaisen kuvan avulla. Suutinkammioon 1 johdettu, tunnetulla menetelmällä valmistettu, paisutusainetta sisältävä sula lasimassa valutetaan 10 suutinkammion 1 pohjassa olevien suutinlevyjen 2 läpi. Suutinlevyt on valmistettu platinasta ja niissä on useita halkaisijaltaan n.l mm olevia aukkoja. Suuttimen aukoista valuvat sulat lasilangat saapuvat, välittömästi suutinauk-kojen alapuolella olevaan, muodoltaan pyörähdyssymmetriseen 15 mikroaaltouuniin 3, jossa niiden lämpötilaa kohotetaan mikroaaltojen avulla paisutusaineen alkuperäistä liuotuslämpötilaa korkeammaksi, jolloin langat kuroutuvat pisaroiksi pintajännitysvoimien ja viskoosien kitkavoimien ansiosta. Pisaroiden lämpötilaa kohotetaan mikroaaltouunissa 20 3 edelleen, jolloin paisutusaine laajentuessaan aiheuttaa kuroutuneiden pisaroiden sisuksen muodostumisen ontoksi. Näin syntyneet ontot mikropallot jäähdytetään mikroaal-.·.·. touunin 3 alapuolella olevassa sylinterimäisessä jäähdytys- kammiossa 4 väliaineen, joka voi olla esim. ilma,vesi tai 25 veden ja jonkin pintakäsittelyaineen muodostama liuos tai ; dispersio, avulla. Väliaine johdetaan jäähdytyskammioon 4, ; jäähdytyskammion seinämässä olevien aukkojen 5 kautta. Tämän jälkeen jäähtyneet mikropallot siirretään alipaineella toimivan kuljetuslaitteiston 6 avulla eteenpäin seulon-30 talaitteistoon 7, jossa ne seulotaan haluttuihin frak- tioihin.

.1. Edellä kuvattu suoritusmuoto on tietenkin vain eräs mahdol- :.. linen keksinnön toteuttava suoritusmuoto. Seuraavassa on *; 35 käsitelty keksinnön eri suoritusmuotoihin liittyviä yk- :,· | sityiskohtia ja vaihtoehtoja.

5 85365

Suutinkammion 1 pohjassa voi olla yksi tai useampia esim. kuitulasin vetosuuttimen kaltaisia suutinlevyjä 2, joiden alueella on useita pieniä, halkaisijaltaan n. lmm suuruisia aukkoja. Suutinlevy on valmistettu tavallisesti platinasta. 5 Tavallisesti sitä myös lämmitetään sähköisesti, jotta suuttimeen ja siitä valuvaan lasiin ei syntyisi lämpötilaeroja, eikä massavirtaeroja eri reikien välillä.

Kuumennuslaite 3, on sopivimmin mikroaaltouuni, jolla 10 sulan materiaalin lämpötilaa nostetaan lopulliseen paisu- tuslämpötilaan, joka on lasilla n.1300 -1400°C. Se on muodoltaan pääasiallisesti pyörähdyssymmetrinen, jolloin sulien lankojen lämmitys tapahtuu tasaisesti. Mikroaaltojen taajuus on esim. 2-4 MHz. Käyttämällä sulassa tilassa olevan 15 materiaalin lämpötilan nostamiseen korkeaintensiteettistä energiaa, voidaan energia kohdistaa itse kyseisen materiaalin lämpötilan nostamiseen, eikä tuhlata sitä ympäröivän atmosfäärin lämpötilan nostamiseen, kuten tapahtuu nykyisillä valmistustavoilla.

20 Jäähdytyskammion 4 seinämässä on aukkoja tai suuttimia 5, joista jäähdyttävä väliaine, joka voi olla ilma, vesi tai veden ja jonkin pintakäsittelyaineen välinen liuos tai dispersio syötetään jäähdytyskammioon 4.

25

Sovellettaessa keksintöä esim. lasimikropallojen valmistuk-: seen, on saatu oheisen esimerkin mukaisia tuloksia:

Raaka-aine: Booripitoinen natrium kalsium silikaattilasi "I Suutinlevyjä: 1 30 Suutinlevyssä aukkoja: 200

Aukkojen halkaisija: 0,8 mm

Paisutusaine: SO3

Paisutusaineen pitoisuus .·:·. lasimassassa: 0,9% 35 Paisutusaineen liuotus-

lämpötila: 1200 °C

Paisutuslämpötila: 1300 °C

6 85365

Mikropallojen keskira.

halkaisija: 120 μπι 5 Seinämänpaksuus: 2 pm

Mikropallo jen bulk tiheys: 40 kg/m-*

Hukkaprosentti: 30 10 Kuten jo aiemmin todettiin perustuu onttojen mikropallojen valmistus edellä mainituista termoplastisista materiaaleista, kuten lasista, keraameista, orgaanisista polymeereistä, tai hiilestä samaan perusperiaatteeseen, joten keksinnön mukainen mukainen menetelmä ja laite ei luonnollisestikaan 15 ole rajoitettu esitetyn esimerkin mukaiseen onttojen lasimikropallojen valmistukseen, vaan sitä voidaan vaihdella seuraavien patenttivaatimusten mukaisesti.

Claims (13)

1. Menetelmä onttojen mikropallojen valmistamiseksi lämmittämällä paisutusainetta sisältävästä materiaalista valmistettuja mikropalloaihioita paisutusaineen alkuperäistä liuotuslämpötilaa korkeammassa lämpötilassa, tunnettu siitä, että sulassa tilassa oleva materiaali, johon on 10 liuotettu paisutusainetta, valutetaan suutinaukon tai -aukkojen läpi, jonka jälkeen sulassa tilassa olevat langat johdetaan välittömästi suutinaukkojen alapuolella olevaan uuniin, jossa sulien lankojen lämpötilaa kohotetaan sähkömagneettisella säteilyllä, jolloin sulat langat kuroutuvat 15 pisaroiksi pintajännitysvoimien ja viskoosien kitkavoimien vaikutuksesta ja näin syntyneiden pisaroiden lämpötilaa kohotetaan edelleen, jolloin paisutusaine laajentuessaan aiheuttaa kuroutuneiden pisaroiden sisuksen muodostumisen ontoksi, jonka jälkeen näin valmistetut mikropallot jäähdy-20 tetään.

2. Förfarande enligt patentkravet 1, kännetecknat därav, att de framställda mikrosfärerna avkyls medelst : luftkylning. 25

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valmistetut mikropallot jäähdytetään ilma jäähdytyksen avulla. 25

3. Förfarande enligt patentkravet 1, kännetecknat därav, att de framställda mikrosfärerna avkyls medelst vatten. 30 4. Förfarande enligt patentkravet 1, kännetecknat därav, att mikrosfärerna avkyls medelst en av vatten och siian bildad lösning eller dispersion.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valmistetut mikropallot jäähdytetään veden avulla.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mikropallot jäähdytetään veden ja silaanin muodostamalla liuoksella tai dispersiolla.

5. Förfarande enligt patentkravet 1, kännetecknat 35 därav, att mikrosfärerna avkyls medelst en lösning eller dispersion av nägon tili polykarboxylsyrorna hörande syra ; eller ester av syra. 85365

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, 35 tunnettu siitä, että mikropallot jäähdytetään jollakin polykarboksyylihappoihin kuuluvan hapon tai hapon esterin ’ liuoksella tai dispersiolla. __________ - Γ 8 85365

6. Förfarande enligt patentkravet 1, kännetecknat därav, att expansionsmedlet utgörs av SO3.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että paisutusaine on SO3.

7. Förfarande enligt patentkravet 1, kännetecknat 5 därav, att mikrosfärerna framställs av ett termoplastis- tiskt material.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, 5 tunnettu siitä, että mikropallot valmistetaan termoplastisesta materiaalista.

7 85365

8. Förfarande enligt patentkravet 1, kännetecknat därav, att mikrosfärerna framställs av glas. 10

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mikropallot valmistetaan lasista. 10

9. Förfarande enligt patentkravet 8, kännetecknat därav, att expansionstemperaturen utgör 1100 - 1500 °C.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että paisutuslämpötila on 1100 - 1500 °C.

10. Förfarande enligt patentkravet 1, kännetecknat 15 därav, att trädarnas temperatur höjs med mikrovägor, vilkas frekvens är 1 - 10 MHz, förträdesvis 2-4 MHz.

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, 15 tunnettu siitä, että lankojen lämpötilaa kohotetaan mikroaalloilla, joiden taajuus on 1-10 MHz, edullisimmin 2-4 MHz.

11. Anordning för tillverkning av ihäliga mikro-sfärer genom att uppvärma mikrosiärsämnen framställda av 20 material innehällande expansionsmedel tili en högre temperatur än expansionsmedlets ursprungliga lösningstemperatur, vilken anordning innefattar en dyskammare (1) och i dess botten ätminstone en dysplatta (2), försedd med en eller flera öppningar, samt en under dyskammaren (1) belägen 25 uppvärmningsanordning (3), samt en under uppvärmningsanord-ningen belägen avkylningsanordning (4), kännetecknad därav, .·. : att den omedelbart under dyskammaren belägna uppvärmnings- .···. anordningen (3) utgörs av en mikrovägsugn, i vilken tempera- turen höjs tili en högre temperatur än expansionsmedlets 30 ursprungliga lösningstemperatur.

11. Laitteisto onttojen mikropallojen valmistamiseksi 20 paisutusainetta sisältävästä materiaalista valmistetuista mikropal loaihioista, joita lämmitetään paisutusaineen alkuperäistä liuotuslämpötilaa korkeammassa lämpötilassa, johon laitteeseen kuuluu suutinkammio (1) ja sen pohjassa ainakin yksi suutinlevy (2), jossa on yksi tai useampia : 25 aukkoja, sekä suutinkammion (1) alapuolella oleva kuumennus- laite (3), sekä kuumennuslaitteen alapuolella oleva jäähdytyslaite (4), tunnettu siitä, että välittömästi suutinkam-mion (1) alapuolella oleva kuumennuslaite (3) on mikroaaltouuni, jossa lämpötilaa kohotetaan paisutusaineen alkupe-30 räistä liuotuslämpötilaa korkeammaksi.

12. Anordning enligt patentkravet 11, kännetecknad därav, att den som avkylningsanordning tjänande kylkammaren (4) är försedd med dyser eller öppningar (5), genom vilka 35 ett mikrosfärerna avkylande medel leds tili kylkammaren. 12 85365

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että jäähdytyslaitteena toimivassa jäähdy- ::: tyskammiossa (4) on suuttimia tai aukkoja (5), joiden 35 kautta jäähdytyskammioon (4) johdetaan mikropalloja jäähdyt-. tävää väliainetta. 9 85365

13. Patenttivaatimusten 11 tai 12 mukainen lait teisto, tunnettu siitä, että jäähdytyskammion (4) yhteydessä on kuljetuslaitteisto (6), joka kuljettaa mikropallot pois jäähdytyskammiosta (4). 5 ___- — - -· i... 10 85365 5 1. Förfarande för tillverkning av ihäliga mikro- sfärer genoni att uppvärma mikrosfärsämnen, framställda av material innehällande expansionsmedel, tili en högre temperatur än expansionsmedlets ursprungliga losningstem-peratur, kännetecknat därav, att det i smält form varande 10 materialet, i vilket tillsatts expansionsmedel, bringas att rinna genom en dysöppning eller -öppningar, varefter de i smält tillständ varande trädarna leds tili en omedel-bart under dysöppningarna befintlig ugn, där de smälta trädarnas temperatur höjs medelst elektromagnetisk sträl-15 ning, varvid de smälta trädarna snör ihop sig tili droppar pä grund av ytspänningskrafter och viskösa friktionskrafter och de pä detta sätt alstrade dropparnas temperatur ytterli-gare höjs, varvid expansionsmedlet dä det utvidgar sig ästadkommer att de hopsnörda dropparnas inre blir ihäligt, 20 varefter de pä detta sätt framställda mikrosfärerna avkyls.

13. Anordning enligt patentkravet 11 eller 12, kännetecknad därav, att en transportanordning (6), soin för bort mikrosfärerna frän kylkammaren (4), är anordnad i saraband med kylkararaaren (4).