ITMO20130303A1 - Apparecchiatura per la dispersione di particelle in un fluido - Google Patents
Apparecchiatura per la dispersione di particelle in un fluidoInfo
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Classifications
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Description
“APPARECCHIATURA PER LA DISPERSIONE DI PARTICELLE IN UN FLUIDO”.
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un’apparecchiatura per la dispersione di particelle in un fluido, impiegabile in particolare per la dispersione di nanotubi di carbonio e grafene all’interno di polimeri termoindurenti.
Il bisogno di risparmiare energia, unitamente alla necessità di ottenere materiali con particolari proprietà e rapporti resistenza/peso sempre più elevati, sta spingendo la crescita nell'uso di materiali compòsiti nei settori aerospaziale e automobilistico.
Inoltre, l’utilizzo di tali materiali è in crescita anche nel settore delle costruzioni e, più in generale, dove i fenomeni di corrosione sono di primaria importanza.
Queste ed altre necessità hanno spinto i ricercatori ad investigare in modo approfondito le proprietà dei materiali compositi nano-ingegnerizzati.
In particolare, i nanotubi di carbonio ed il grafene sono considerati come importanti filler impiegabili per migliorare le proprietà dei materiali compositi e, più in generale, dei polimeri.
I maggiori ostacoli alla diffusione su larga scala di questa nuova generazione di materiali sono:
- l'alto costo dei nanotubi di carbonio e del grafene;
- il vistoso incremento nella viscosità del polimero a seguito dell'inclusione nello stesso di questa categoria di nanoparticelle; - la mancanza di un metodo di dispersione delle nanoparticelle nella matrice polimerica che risulti efficace ed a basso costo.
Nello specifico, quest'ultimo inconveniente è dovuto principalmente all'elevata area superficiale specifica tipica delle nanoparticelle e delle forze di van der Vaals che tendono a tenere le particelle aggregate tra loro. Nell'ambito della ricerca di base, il metodo più usato per disperdere efficacemente le nanoparticelle è la cosiddetta sonicazione, comunemente accompagnata all'uso di diluenti e surfattanti che spesso danneggiano la matrice polimerica.
In pratica, le nanoparticelle vengono disperse usando delle sonde ad ultrasuoni che vengono immerse all'intcmo del preparato.
Tuttavia, tale metodo di tipo noto presenta degli inconvenienti.
In particolare, la sonicazione consente di preparare solo piccoli quantitativi per volta di prodotto, nell’ordine di poche centinaia di grammi, e richiede molto tempo, rendendo l’intero processo economicamente svantaggioso. Inoltre, è stato dimostrato che la sonicazione danneggia i nanotubi di carbonio (si veda, ad esempio, Lu, K. L. et al. “Mechanical damage of carbon nanotubes by ultrasound” Carbon 34, 814-816 (1996)).
E’ noto, inoltre, che aziende produttrici di resine epossidiche nanoadditivate utilizzano tecniche di dispersione e macchinari utilizzati in precedenza in altri settori, come quello della cosmesi, degli inchiostri, delle vernici, il settore alimentare e, più in generale, in tutti quei settori ove sia necessario miscelare, disperdere ed omogeneizzare all ' di una sostanza allo stato liquido delle particelle solide micrometriche.
I normali miscelatori e agitatori utilizzati per la produzione di vernici, alimenti e in generale nel settore chimico, diventano poco eficienti o addirittura ineficaci quando le dimensioni delle particelle da disperdere diventano nanometriche e, in particolare, questo accade quando si tratta di nanotubi di carbonio o grafene.
II macchinario più utilizzato per questi fini è attualmente il cosiddetto Three Roll Mill, o mulino a tre rulli.
Questo macchinario è essenzialmente costituito da tre rulli paralleli, tra i quali è mantenuta una predeterminata distanza che può essere regolata tramite appositi dispositivi.
I primi due rulli, ovvero il rullo di carico ed il rullo centrale, ruotano in direzioni opposte ed a velocità differenti, in modo tale da generare nel materiale che vi viene caricato delle forze tangenziali, quando si trova a passare tra di essi.
II terzo rullo, o rullo di scarico, gira in direzione opposta rispetto al rullo centrale e con velocità maggiore rispetto a quest'ultimo.
Le velocità dei tre rulli sono quindi differenti e crescono passando dal rullo di carico al rullo di scarico.
Il rullo di scarico è tenuto a contatto con una lama solidale ad un canale di scarico. La lama preleva il materiale dal rullo di scarico e lo fa affluire al canale, dal quale viene poi prelevato.
Anche tale soluzione, tuttavia, presenta degli inconvenienti.
In particolare, il macchinario ha peso ed ingombri elevati e risulta pericoloso per gli operatori a causa della presenza dei rulli, sia durante le fasi di lavoro che durante le fasi di pulizia della macchina.
Inoltre, l’utilizzo di tale macchinario comporta un rischio di evaporazione, e quindi di inalazione, di sostanze volatili all’interno dell’ambiente di lavoro.
Inoltre, il preparato trattato riceve un'energia insufficiente all'ottenimento di una buona dispersione mediante una singola corsa all'interno della macchina, in particolar modo quando si trattano nanoparticielle come nanotubi di carbonio e grafene. Questo rende necessario far correre il preparato più volte all'interno della macchina, riducendo di molto la produttività della stessa.
Un ulteriore limite è dato dal fatto che, nel caso in cui la macchina debba elaborare fluidi contenenti nanoparticelle, al crescere delle dimensioni della macchina la produttività non cresce linearmente e, al contrario, può decrescere per via dell'inevitabile aumento di errori di parallelismo tra i rulli, dell'eccentricità degli stessi e, quindi, della difficoltà di mantenere una distanza costante tra di essi.
Infine, convenzionalmente la produzione avviene in lotti e il macchinario viene caricato attraverso una tramoggia che scarica tra i primi due rulli una predefinita quantità di preparato. Quando questo viene elaborato i rulli vengono nuovamente caricati.
Le operazioni di carico e scarico non permettono, quindi, di avere una macchina isolata dall'ambiente esterno e, di conseguenza, le aperture per il carico e lo scarico del fluido veicolano sostanze volatili all’interno dell’ambiante.
Il compito principale della presente invenzione è quello di escogitare un’apparecchiatura per la dispersione di particelle in un fluido in grado di garantire una dispersione efficace.
Altro scopo del presente trovato è quello di escogitare un’apparecchiatura per la dispersione di particelle in un fluido in grado di garantire una dispersione eficace che consenta di superare i menzionati inconvenienti della tecnica nota nell’ ambito di una soluzione semplice, razionale, di facile ed efficace impiego e dal costo contenuto.
Gli scopi sopra esposti sono raggiunti dalla presente apparecchiatura per la dispersione di particelle in un fluido secondo la rivendicazione 1.
Altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un’apparecchiatura per la dispersione di particelle in un fluido, illustrata a titolo indicativo, ma non limitativo, nelle unite tavole di disegni in cui:
la figura 1 è una vista in assonometria dell’ apparecchiatura secondo il trovato;
la figura 2 è una vista laterale in sezione dell’ apparecchiatura secondo il trovato;
la figura 3 è una vista in assonometria del primo e secondo disco dell’ apparecchiatura secondo il trovato.
Con particolare riferimento a tali figure, sì è indicato globalmente con 1 un’apparecchiatura per la dispersione di particelle P in un fluido F, impiegabile in particolare per la dispersione di nanotubi di carbonio e grafene all'intemo di polimeri termoindurenti.
Non si esclude, tuttavia, l' impiego dell’apparecchiatura 1 per la dispersione in fluidi di tipo differente di differenti tipologie di particelle, siano esse di dimensioni nanometriche o micrometriche.
Ad esempio, l' apparecchiatura 1 può essere impiegata per:
- disperdere pigmenti in vernici ed inchiostri;
- disperdere eccipienti, principi attivi e altre particelle nella preparazione di creme, cosmetici e farmaci.
L’apparecchiatura 1 comprende una struttura di supporto, indicata complessivamente nelle figure con il riferimento 2.
L’apparecchiatura 1 comprende, inoltre:
- un primo disco 3 supportato dalla struttura di supporto 2 ed assialmente ruotabile attorno ad un asse di rotazione R;
- un secondo disco 4 supportato dalla struttura di supporto 2 e sovrapposto al primo disco 3.
Vantaggiosamente, il primo disco 3 e il secondo disco 4 sono disposti tra loro paralleli e sostanzialmente ravvicinati, in modo da definire un interstizio I tra le due rispettive superfici piane.
Utilmente, il secondo disco 4 è associato assialmente traslabile alla struttura di supporto 2, lungo un asse di traslazione T, ed è mobile in avvicinamento/allontanamento rispetto al primo disco 3.
La variazione della distanza tra il primo disco 3 e il secondo disco 4 consente di variare le dimensioni dell’ interstizio I in funzione delle particolari particelle P . da disperdere, nonché del particolare fluido F impiegato.
Preferibilmente, il primo disco 3 ed il secondo disco 4 devono mantenere la planarità e non entrare in contatto anche per distanze prossime a 0,00001 m.
Con riferimento non esclusivo alla particolare e preferita forma di attuazione dell’ apparecchiatura 1 illustrata nelle figure, il primo disco 3 è disposto sostanzialmente in orizzontale ed è provvisto di una prima superficie piana 3 a rivolta verso lalto.
Inoltre, anche il secondo disco 4 è disposto sostanzialmente in orizzontale ed è provvisto di una seconda superficie piana 4a rivolta verso il basso, affacciata e parallela alla prima superficie piana 3 a. L’interstizio I è definito tra la prima superficie piana 3a e la seconda superficie piana 4a. Vantaggiosamente, l’apparecchiatura 1 è provvista di mezzi di immissione 5 di un fluido F contenente agglomerati di particelle P da disperdere. I mezzi di immissione I sono atti ad immettere il fluido F all’ interno dell’interstizio I, in corrispondenza di una porzione sostanzialmente centrale del primo disco 3.
In particolare, i mezzi di immissione 5 possono essere costituiti da un canale di immissione provvisto di una bocca di carico 5a del fluido F e di una bocca di erogazione 5b del fluido F, in cui la bocca di erogazione 5b è disposta in corrispondenza della porzione centrale del primo disco 3.
Con riferimento non esclusivo alla forma di attuazione dell’ apparecchiatura 1 illustrata nelle figure, il canale di immissione 5 è costituito da un foro passante realizzato lungo un supporto cilindrico 6 del secondo disco 4, attraverso il secondo disco stesso, sino alla seconda superficie piana 4a. Nello specifico, la bocca di carico 5a è realizzata in corrispondenza della porzione superiore del supporto cilindrico 6 del secondo disco 4, mentre la bocca di erogazione 5b è costituita da un’apertura realizzata sulla seconda superficie piana 4a del secondo disco 4, in corrispondenza delle porzioni centrali del primo e secondo disco 3 e 4.
L’apparecchiatura 1, in particolare la struttura di supporto 2, comprende inoltre un canale di raccolta 7 disposto in corrispondenza di una porzione perimetrale del primo disco 3 ed atto a raccogliere il fluido F contenente le particelle P disperse.
Durante il funzionamento dell’ apparecchiatura 1 è possibile variare la portata e la pressione di alimentazione del fluido F immesso attraverso il canale di immissione 5, la distanza tra la prima e seconda superficie piana 3 a e 4a contrapposte del primo e secondo disco 3 e 4 e la velocità di rotazione del primo disco 3.
Vantaggiosamente, il fluido F, forzato a passare all’intemo dell’interstizio I tra la prima e la seconda superficie piana 3a e 4a del primo e secondo disco 3 e 4, è sottoposto ad un campo di forze complesso che genera forze di taglio in grado di disgregare gli agglomerati di nanoparticelle P, disperdendo così le stesse al'interno del fluido F.
In particolare, il fluido F compie un percorso a spirale passando dalla porzione centrale del primo e secondo disco 3 e 4, sino ad arrivare alle porzioni perimetrali del primo e secondo disco 3 e 4 e, quindi, al canale di raccolta 7.
Utilmente, il primo disco 3 può essere provvisto, in corrispondenza di una o più sue porzioni perimetrali, di una o più spatole 8 o simili dispositivi atti a spingere il fluido F verso il canale di raccolta 7.
L’apparecchiatura 1 comprende, inoltre, mezzi di azionamento 9 operativamente associati al primo disco 3 ed atti a portare in rotazione il primo disco 3 attorno all’asse di rotazione R.
Con riferimento alla preferita forma di attuazione illustrata nelle figure, i mezzi di azionamento 9 comprendono un albero 10 supportato assialmente ruotabile dalla struttura di supporto 2 che si estende, solidale ad esso, dalla faccia inferiore del primo disco 3.
L'albero 10 è collegato alla faccia inferiore del primo disco 3 ed è supportato dalla struttura di supporto 2 attraverso appositi cuscinetti 11. fi precarico dei cuscinetti 11 può essere efettuato attraverso una ghiera 12 o altro dispositivo, allo scopo di annullare i giuochi.
L’albero 10, ad esempio, può essere collegato a mezzi motori, non illustrati nelle figure, mediante un apposito pignone 13.
Non si escludono, tuttavia, differenti forme di attuazione dei mezzi di azionamento 9, in cui il primo disco 3 è portato in rotazione mediante diferenti sistemi di movimentazione.
L’apparecchiatura 1 comprende, inoltre, mezzi di regolazione 14 atti a regolare la distanza del secondo disco 4 rispetto al primo disco 3.
In particolare, con riferimento alla preferita forma di attuazione illustrata nelle figure, i mezzi di regolazione 14 comprendono un meccanismo a vite di regolazione micrometrica 15.
Nello specifico, i mezzi di regolazione 14 comprendono una boccola 16 e la regolazione della sua distanza dal primo disco 3 è permessa da appositi dispositivi 15, 16, 17, 18 e 19 che ne permettono una regolazione micrometrica.
Nella forma di realizzazione preferita ciò avviene tramite una ghiera di regolazione 17, ed il possibile giuoco tra vite e madrevite del meccanismo a vite di regolazione micrometrica 15 è annullato da mezzi elastici 18.
Nello specifico, i mezzi elastici 18 sono costituiti preferibilmente da una molla che lavora spingendo il secondo disco 4 nel verso della pressione esercitata dal fluido F tra i dischi 3 e 4. In questo modo, la pressione esercitata dal fluido F in ingresso non varierà la distanza tra i dischi 3 e 4.
In particolare, con riferimento alla forma di realizzazione illustrata nelle figure, ciò avviene comprimendo la molla 18 tra la boccola 16 ed una ralla di contrasto 19 solidale al secondo disco 4.
La forza esercitata dalla molla 17 deve essere superiore al peso del secondo disco 4, compreso il peso di tutti gli accessori necessari e solidali ad esso, e la molla 17 deve essere in grado di vincere anche gli eventuali attriti tra il secondo disco 4, la boccola 16, la ralla di contrasto 18 e tutti gli accessori dei mezzi di regolazione 14 che entrano a contatto con essi.
La distanza tra il primo ed il secondo disco 3 e 4 può essere agevolmente misurata per via indiretta, ad esempio tramite un micrometro 20 con sensore posto sulla superficie superiore del secondo disco 4.
Gli spessori del primo e secondo disco 3 e 4 sono progettati in funzione della massima pressione di esercizio e la freccia massima ammessa in corrispondenza del diametro massimo è 1/10 della distanza di esercizio prevista tra i dischi stessi.
Le superfìci di lavoro del primo e secondo disco 3 e 4, costituite dalla prima e seconda superficie piana 3 a e 4a, presentano un trattamento di indurimento superficiale e sono rettificate o barilate.
Il perfetto parallelismo dei dischi può altresì essere raggiunto tramite giunto sferico o omocinetico di precisione nel collegamento del primo disco 3 con il suo albero 10. In questo modo, sarà la pressione stessa del fluido F, perpendicolare alla superficie del primo e secondo disco 3 e 4, ad assicurarne il parallelismo.
Al fine di ottenere una temperatura di esercizio più o meno costante, possono essere previsti circuiti di raffreddamento sui coperchi della struttura di supporto 2, sui dischi e sugli alberi.
Utilmente, la struttura di supporto 2 comprende opportuni mezzi di copertura del primo e secondo disco 3 e 4.
In particolare, i mezzi di copertura sono costituti da un monoblocco inferiore 2a e da un monoblocco superiore 2b fissati tra loro a definire un vano V di alloggiamento del primo e secondo disco 3 e 4.
Non si escludono, tuttavia, differenti tipologie e/o conformazioni della struttura di supporto 2 e dei mezzi di copertura.
Si è in pratica costatato come il trovato descritto raggiunga gli scopi proposti.
In particolare, V apparecchiatura secondo il trovato, nello specifico la rotazione del primo disco rispetto al secondo disco, consente di sottoporre il fluido ad un campo di forze complesso, al fine di generare forze di taglio in grado di disgregare gli agglomerati di particelle, disperdendo così le particelle stesse all’interno del fluido.
Inoltre, si sottolinea il fatto che i vantaggi rispetto allo stato dell'arte sono:
- ideazione e dimensionamento specifico per il settore nanotecnologico;
- possibilità di agire su più variabili (distanza tra i dischi, pressione di alimentazione, portata di alimentazione, velocità di rotazione dei dischi) al fine di otenere il risultato voluto;
- elevata energia trasmessa al fluido che permete di otenere dispersioni efficaci con una singola corsa del preparato all'intemo della macchina;
- produzione in continuo;
- apparecchiatura isolata dall'ambiente esterno in modo da non permettere l'immissione di sostanze volatili in ambiente;
- apparecchiatura adata anche in applicazioni ove sia necessario disperdere particelle micrometriche.
Si evidenzia anche il fatto che la presenza dei mezzi di copertura dei dischi, unitamente alla particolare struttura dell’ apparecchiatura, rendono l' apparecchiatura stessa più sicura per gli operatori rispeto alle soluzioni di tipo noto.
Inoltre, all'aumentare dei diametri dei dischi, aumenta con un rapporto pari al quadrato l'area utile di lavoro.
Claims (2)
- RIVENDICAZIONI 1) Apparecchiatura (1) per la dispersione di particelle (P) in un fluido (F), caratterizzata dal fatto che comprende una struttura di supporto (2), almeno un primo disco (3) associato a detta struttura di supporto (2) assialmente ruotatale ed almeno un secondo disco (4) associato a detta struttura di supporto (2), detto primo disco (3) e detto secondo disco (4) essendo disposti tra loro paralleli e sostanzialmente ravvicinati a definire almeno un interstizio (I), e mezzi di immissione (5) di un fluido (F) contenente agglomerati di particelle (P) da disperdere, atti ad immettere detto fluido (F) all’interno di detto interstizio (I) ed in corrispondenza di una porzione sostanzialmente centrale di detto primo disco (3), la rotazione di detto primo disco (3) essendo atta a sottoporre detto fluido (F) all’ interno di detto interstizio (I) ad un campo di forze complesso, al fine di generare forze di taglio in grado di disgregare detti agglomerati di particelle (P), disperdendo le particelle (P) alfintemo di detto fluido (F).
- 2) Apparecchiatura (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che almeno uno tra detti primo e secondo disco (3, 4) è mobile in avvicinamento/allontanamento rispetto all’altro di detti primo e secondo disco (3, 4), la variazione della distanza tra detto primo disco (3) e detto secondo disco (4) essendo atta a variare le dimensioni di detto interstizio (I)-3) Apparecchiatura (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto secondo disco (4) è associato assialmente traslabile a detta struttura di supporto (2) lungo un asse di traslazione (T). 4) Apparecchiatura (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che almeno uno tra detti primo e secondo disco (3, 4) comprende una prima superficie piana (3 a), mentre P altro di detti primo e secondo disco (3, 4) comprende una seconda superficie piana (4a), affacciata e parallela a detta prima superficie piana (3 a), detto interstizio (I) essendo definito tra detta prima superficie piana (3a) e detta seconda superficie piana (4a). 5) Apparecchiatura (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detti mezzi di immissione (5) comprendono almeno un canale di immissione (5) provvisto di almeno una bocca di carico (5a) di detto fluido (F) e di almeno una bocca di erogazione (5b) di detto fluido (F) disposta in corrispondenza di detta porzione sostanzialmente centrale del primo disco (3). 6) Apparecchiatura (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che almeno un tratto di detto canale di immissione (5) è costituito da almeno un foro passante realizzato lungo almeno una porzione di detto primo disco (3) e/o di detto secondo disco (4). 7) Apparecchiatura (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detta bocca di erogazione (5b) comprende almeno un’apertura realizzata su di una superficie di detto primo disco (3) e/o di detto secondo disco (4) affacciata verso detto interstizio (I), in corrispondenza di detta porzione sostanzialmente centrale del primo disco (3). 8) Apparecchiatura (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che comprende almeno un canale di raccolta (7) disposto in corrispondenza di almeno una porzione perimetrale di detto primo disco (3) ed ato a raccogliere detto fluido (F) contenente particelle (P) disperse. 9) Apparecchiatura (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caraterizzata dal fatto che comprende mezzi di azionamento (9) operativamente associati a deto primo disco (3) ed ati a portare in rotazione detto primo disco (3) atorno deto asse di rotazione. 10) Apparecchiatura (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caraterizzata dal fato che deti mezzi di azionamento (9) comprendono almeno un albero (10) associato assialmente ruotabile a deta struttura di supporto (2), associato solidale a deto primo disco (3) ed associabile a mezzi motori. 11) Apparecchiatura (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caraterizzata dal fato che comprende mezzi di regolazione (14) della distanza di almeno uno tra detti primo e secondo disco (3, 4) rispetto all’altro di deti primo e secondo disco (3, 4). 12) Apparecchiatura (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caraterizzata dal fatto che deti mezzi di regolazione (14) comprendono un meccanismo a vite di regolazione micrometrica (15) associato ad almeno uno tra deti primo e secondo disco (3, 4). 13) Apparecchiatura (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caraterizzata dal fato che comprende mezzi elastici (18) di spinta di almeno uno tra deti primo e secondo disco (3, 4) nel verso della pressione esercitata da deto fluido (F) tra i dischi stessi, deti mezzi elastici (18) essendo ati ad annullare il possibile giuoco tra vite e madrevite del meccanismo a vite di regolazione micrometrica (15). 14) Apparecchiatura (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detta struttura di supporto (2) comprende mezzi di copertura (2a, 2b) di detti primo e secondo disco (3, 4).
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| IT000303A ITMO20130303A1 (it) | 2013-10-30 | 2013-10-30 | Apparecchiatura per la dispersione di particelle in un fluido |
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| ITMO20130303A1 true ITMO20130303A1 (it) | 2015-05-01 |
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ID=49920470
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| IT000303A ITMO20130303A1 (it) | 2013-10-30 | 2013-10-30 | Apparecchiatura per la dispersione di particelle in un fluido |
Country Status (4)
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|---|---|---|---|---|
| US2172704A (en) * | 1939-09-12 | Mechanical mixer | ||
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Patent Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| US2172704A (en) * | 1939-09-12 | Mechanical mixer | ||
| GB722820A (en) * | 1951-01-02 | 1955-02-02 | Jackson And Church Company | A machine for disintegrating fibrous cellulosic material |
| GB1500901A (en) * | 1973-10-25 | 1978-02-15 | Cementation Res Ltd | Forming a colloidal suspension |
| US20050053532A1 (en) * | 2003-09-05 | 2005-03-10 | Holl Richard A. | Methods of operating surface reactors and reactors employing such methods |
Also Published As
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