способ получения наночастиц полистирола с помощью сверхкритического антирастворителя

Формула изобретения

Способ получения наночастиц полистирола с помощью сверхкритического антирастворителя, включающий приготовление раствора, нагрев его, сжатие, пропускание через сопло, смешение с сверхкритическим антирастворителем, осаждение частиц полистирола и их сбор, отличающийся тем, что в качестве сверхкритического антирастворителя используют CO₂, сбор частиц полистирола ведут в жидком уловителе, в качестве которого используют H₂O, при этом процесс смешения с сверхкритическим антирастворителем проводят при Р=(1,1-3)Р _кр и температуре Т=(1-1,1)Т_кр, где Т_кр - критическая температура используемого антирастворителя и Р _кр - критическое давление используемого антирастворителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нанотехнологии и касается получения частиц полистирола.

Известен способ обработки полистирола с помощью метода RESS (быстрое расширение сверхкритического раствора), включающий приготовление раствора, нагрев его, сжатие, пропускание через сопло, сбор частиц полистирола (см. Matson D.W., Petersen R.C., Smith R.D. Production of Powders and Films from Supercritical Solutions. Journal of Material Science, 22, 1987, 1919-1928.; Patent US 4,582,731).

Недостатками способа являются: высокая энергозатратность из-за использования пентана в качестве сверхкритического флюида, использование сорастворителя, и частицы полистирола, полученные этим методом, имеют большие размеры (более 0.3 мкм).

Наиболее близким техническим решением является способ получения микрочастиц полистирола с помощью антирастворителя, включающий приготовление раствора, нагрев его, сжатие, пропускание через сопло, смешение с сверхкритическим антирастворителем, осаждение частиц полистирола и их сбор на фильтре (см. Kurniawansyah F. The study of nozzle type application on polystyrene microsphere processing using anti-solvent technology // 11^th European Meeting on Supercritical Fluids, Barcelona (Spain), 2008, РМ21).

Недостатками этого способа является то, что на фильтре остаются только крупные частицы (5 микронные). Кроме того, осуществление процесса смешения с сверхкритическим антирастворителем при температуре 373 К приводит к повышению энергозатрат.

Задачей изобретения является получение наночастиц полистирола с одновременным уменьшением энергозатрат.

Задача достигается тем, что в способе получения наночастиц полистирола с помощью сверхкритического антирастворителя, включающем приготовление раствора, нагрев его, сжатие, пропускание через сопло, смешение с сверхкритическим антирастворителем, осаждение частиц полистирола и их сбор, согласно изобретению в качестве сверхкритического антирастворителя используют CO₂, сбор частиц полистирола ведут в жидком уловителе, в качестве которого используют H₂O, при этом процесс смешения с сверхкритическим антирастворителем проводят при Р=(1,1-3)Р _кр и температуре Т=(1-1,1)Т_кр, где Т_кр - критическая температура используемого антирастворителя и Р _кр - критическое давление используемого антирастворителя.

На чертеже представлена схема устройства для получения частиц полистирола с помощью сверхкритического антирастворителя, где 1 - баллон с CO₂; 2 - фильтр-осушитель; 3 - холодильник; 4 - система насосов хроматографа фирмы Thar; 5 - электронагреватель; 6 - емкость для раствора полимера; 7 - поршневой насос; 8 - электронагреватель; 9 - коаксиальное сопло; 10 - ячейка осаждения; 11 - нагревательная рубашка; 12 - металлическая сетка-фильтр; 13 - ячейка-уловитель; 14 - вентиль, 15 - регулятор обратного давления, 16 - манометр.

Способ осуществляют следующим образом. Для подачи раствора полистирола и CO₂ используют поршневой (7) и плунжерный (4) насос соответственно. Цилиндрическую ячейку из нержавеющей стали (10) используют в качестве ячейки осаждения. Давление в ячейки измеряют с помощью манометра (16) и регулируют регулятором обратного давления (РОД) (15). Впрыскивание жидкого раствора и подача сверхкритического CO₂ происходит одновременно через коаксиальное сопло, а CO₂ - по внешнему кольцевому отверстию. Перед тем как подать в осадитель, раствор полимера нагревают до температуры 318 К, а CO₂ нагревают до температуры Т=(1-1,1)Т_кр с помощью электронагревателей (8) и (5) соответственно. Для сбора полученных частиц на дне устанавливается металлическая сетка-фильтр (12), а после этой сетки поток, выходящий из ячейки осаждения, попадает в ячейку-уловитель (13). При прохождении потока через уловитель частицы полистирола удерживаются жидкостью, а за счет разности плотностей улавливающей жидкости и органического растворителя происходит послойное разделение и органический растворитель скапливается на поверхности жидкости, так как органический раствор менее плотный.

Для исследований в качестве антирастворителя используют CO₂ , органическим растворителем используют толуол, растворяемое вещество - полистирол марки 825ES (полистирол 825ES ТУ 2214-126-05766801-2003).

Пример 1. Готовят 2% раствор полистирола. Для этого берут 0,2 г полистирола, 10 г толуола и смешивают их до полного растворения полистирола. Раствор полистирола, нагретый до 318 К, с помощью насоса подают во внутреннее отверстие коаксиального сопла с диаметром отверстия 70 мкм. Параллельно через внешнее отверстие сопла подают сверхкритический антирастворитель (CO ₂) с параметрами: давление и температура сверхкритического антирастворителя 8 МПа и 313 К соответственно. Давление и температура в ячейке осаждения 8 МПа и 313К соответственно. Осажденные частицы собирают в жидком уловителе.

Размеры полученных частиц 40-150 нм.

Пример 2. Проведение процесса как в примере 1 за исключением того, что температура сверхкритического антирастворителя 304 К.

Размеры полученных частиц 150-180 нм.

Пример 3. Проведение процесса как в примере 1 за исключением того, что температура сверхкритического антирастворителя 335 К.

Размеры полученных частиц 30-150 нм.

Пример 4. Проведение процесса как в примере 1 за исключением того, что давление сверхкритического антирастворителя и ячейки осаждения 10 МПа и 10 МПа соответственно.

Размеры полученных частиц 70-100 нм.

Пример 5. Проведение процесса как в примере 1 за исключением того, что давление сверхкритического антирастворителя и ячейки осаждения 15 МПа и 15 МПа соответственно.

Размеры полученных частиц 30-60 нм.

Пример 6. Проведение процесса как в примере 1 за исключением того, что давление сверхкритического антирастворителя и ячейки осаждения 22 МПа и 22 МПа соответственно.

Размеры полученных частиц 10-28 нм.

В табл.1 приведено изменение размера частиц полистирола в зависимости от условий осаждения (давление и температура), где Р_СО2 - давление антирастворителя. T_CO2 - температура антирастворителя, Р_ос - давление осаждения, Т_ос - температура осаждения. При Т, отличающихся от Т=(1-1,1)Т_кр, и Р, отличающихся от Р=(1,1-3)Р_кр, способ получения микрочастиц полистирола с помощью сверхкритического антирастворителя также осуществим, однако затраты энергии для осуществления способа будут выше. Получена зависимость размера частиц полистирола от давления

N=-7,66P+177

где N - размер частиц, нм; P - давление антирастворителя, МПа

Таблица
Изменение размера частиц полистирола в зависимости от температуры и давления сверхкритического антирастворителя
№ опыта	P CO2, МПа	P oc, МПа	T CO2, К	T OC, К	Размер сопла, мкм	Наличие жидкостного уловителя	Размеры частиц
1	8	8	313	313	70	да	40-150 нм
2	8	8	304	313	70	да	150-180 нм
3	8	8	335	313	70	да	30-150 нм
4	10	10	313	313	70	да	70-100 нм
5	15	15	313	313	70	да	30-60 нм
6	22	22	313	313	70	да	10-28 нм

Таким образом, предложенный способ получения наночастиц полистирола с помощью сверхкритического антирастворителя позволяет получать наночастицы полистирола с одновременным уменьшением энергозатрат за счет оптимальных параметров Р=(1,1-3)Р_кр и Т=(1-1,1)Т _кр.