Фрезер-пауки
Сегодня многие компании предлагают продукт, называемый «фрезер-паук». В этих устройствах фрезеровочный бисер перемещается в сетчатой корзине, прикрепленной к подъемному устройству. При необходимости корзина опускается в рабочую жидкость, и в корзине запускается перемешивающий ротор. В результате бисер летает повсюду, перемешивая жидкость и создавая вихревую воронку, которая непрерывно заносит материал в корзину и выводит его обратно.
Эта концепция существует во многих вариантах, которые могут включать в себя охладительный чехол вокруг корзины, отдельную лопасть мешалки для предотвращения осадки и «мертвых зон», где может скапливаться нераспределенный материал.
Интересной разработкой на основе фрезер-паука является модель Torusmill, запатентованная компанией VMA-Getzmann. В ней торовидная корзина размещается на одном стержне с распределяющей лопастью. Сперва корзина поднимается без жидкости во время перемешивания, и первая дисперсия осуществляется зубчатой лопастью. После этого корзина опускается, и распределяющая лопасть продолжает работать, усиливая циркуляцию жидкость внутри корзины. Фрезеровочная корзина изготавливается со стенками двойной толщины, чтобы можно было проводить охлаждение или нагрев.

Обработка ультразвуком
Обработка ультразвуком используется в качестве производственной методики в других областях, но главным образом не в промышленности покрытий. Сообщается, что ультразвуковая обработка диоксида титана не только эффективно уменьшает размер частиц, но также активирует поверхность частиц, и на частицах поглощается более толстый слой диспергирующего агента. В результате была увеличена долгосрочная устойчивость дисперсий. Если это открытие будет действовать и с пигментами, которые гораздо сложнее распределить, то можно будет наблюдать применение ультразвуковой обработки совместно с более традиционными мельницами с целью получения самой мелкой и устойчивой дисперсии.

Производство эмульсий
В последние годы начали появляться несколько очень отличающихся друг от друга способов производства эмульсий полимеров и других материалов.
Британская компания Micropore (www.micropore.co.uk) поставляет мелко перфорированные экраны, которые используются для производства эмульсий с точно регулируемым размером частиц. Процесс осуществляется посредством проталкивания жидкости дисперсной фазы через пластинчатую мембрану с большим количеством очень мелких проемов точно регулируемого размера. С выходной стороны пластины капельки снимаются непрерывной фазой, которая постоянно перемешивается или проводится рядом с пластиной. Размер капелек зависит от размера пор, поверхностного натяжения, вязкости и скорости непрерывной фазы.
Было подтверждено, что размер капелек можно предсказывать с разумной точностью, если знать эти параметры, а также что можно получить узкий гранулометрический состав частиц. На эмульгированных частицах можно произвести полимеризацию, и/или материлы высокой вязкости могут быть получены таким методом при помощи эмульгирования, если растворять их в водорастворимых растворителях, которые после диспергирования отделяются и образуют непрерывную фазу.

Одноэтапная инкапсуляция
В Гарвардском университете проводилось изучение одного из способов одноэтапного производства эмульсионных частиц с покрытой оболочкой сердцевиной. Как показано на диаграмме, «внутренняя» жидкость частиц подается в коническое сопло, а жидкость, которая сформирует оболочку, подается вокруг внешней стороны сопла. На выходе из сопла внутренняя жидкость разбивается на крошечные капельки, которые сразу же окружаются оболочковым материалом.
Тем временем, материал непрерывной фазы подается внутрь с противоположной стороны. Готовый состав непрерывно снимается. Конструкция зависит от свойств потока, идущего вокруг компонентов устройства, и ее сложно увеличить. Однако, как и в случае микрореакторов, ее можно превратить в мультиплексное устройство промышленного масштаба.
Микрофлюидика сердцевин, покрытых оболочкой. Схематическое представление процесса одноэтапного производства эмульсий с покрытыми оболочкой сердцевинами

Схематическое представление процесса одноэтапного производства эмульсий с покрытыми оболочкой сердцевинами

Одноэтапное производство эмульсий с покрытыми оболочкой сердцевинами
Внешняя жидкость (непрерывная фаза) Промежуточная жидкость
Коллекторная труба Напорная труба
Внутренняя жидкость
 

Взгляд в будущее: смена направления?
Несмотря на то, что в настоящей статье рассматриваются разные технологии, многим из них присущи свойства интенсификации процесса и контроля продукта. То есть, они задействованы в эффективном и высокоавтоматизированном производстве мелких партий на небольших установках.
В течение нескольких десятилетий общим направлением было движение в сторону «экономики масштабов»: производство большего количество и перевозка готовых товаров на более дальние расстояния. Однако, успех технологий распределительных механизмов (см. редакторскую статью за этот месяц) продемонстрировал, что если обратить этот процесс, то можно ускорить процесс поставки, уменьшить количество отходов и получить такие продукты, качество которых контролируется настолько точно, что их часто можно уверенно использовать без какого-либо последнего инспектирования по контролю качества.
Можно ли получить такие выгоды, если обратить тенденцию наращивания масштабов производства смол и добавок? Уменьшение размеров установок часто означает повышение уровня безопасности, сокращение капитальных затрат и снижение требований по техническому обслуживанию. Очевидные причины их выбора – сокращение эксплуатационных расходов и уменьшение количества отходов. Наконец, значительно сокращаются и затраты на прекращение эксплуатации.
Мы, скорее всего, никогда не станем свидетелями возврата к старым временам, когда даже мелкие изготовители красок производили свои смолы по своим собственным рецептам. Однако потребуется пройти еще некоторую часть пути развития, чтобы компании могли производить не свои запатентованные смолы, а нужные им смолы по лицензии компании, находящейся на расстоянии тысяч километров.
Также нельзя забывать и о том, что многие полимеры обладают рядом свойств, которые дифференцируются в соответствии с их молекулярным весом, степенью ветвления цепи и длиной блоков в сополимерах. Если есть возможность контролировать по своему усмотрению все эти свойства и производить именно нужное количество материала, то можно производить самые различные материалы для покрытий из ограниченного количества исходных компонентов и не разбираясь как следует в том, как реактор творит это волшебство.
К сожалению, будущее предсказывать сложно (как это показал провал вышеописанных процессов VAMP и Unicarb). Однако в одном из недавних отчетов предполагается, что многие участники химической промышленности уже размышляют в этом направлении.
ЕС финансирует исследовательский проект под названием Integrated Multiscale Process Units with Locally Structured Elements (IMPULSE; Интегрированные многомасштабные технологические установки с локально структурированными элементами), который способствует разработке микрореакторов, устройств на основе тонкой пленки и тому подобного. Д-р Джереми Дабл, специалист по преобразованию технологии Britest и руководитель проекта IMPULSE, предположил, что инженеры-химики стараются держаться того, что уже работает, тогда так  следует логически «рассмотреть физико-химические свойства стехиометрии процесс-реакции, термодинамики и кинетики, требований по переносу массы и тепла, потребностей перемешивания – и на основе этого разработать условия разработки, которые сформируют «самый эффективный процесс».
Майкл Матлосц, директор проекта IMPULSE и профессор химических технологий в университете Ensic-Nancy, Франция, подтвердил преимущества распределенного производства: «Установки меньшего размера можно разместить ближе к заказчикам, резко сократив расходы на перевозку и позволив производителям быстро реагировать на изменяющиеся условия рынка».
Как обычно, взгляд в будущее дает нам больше вопросов, чем ответов. Единственное, в чем можно быть уверенным – когда ответы наконец появятся, они будут интересными.

 

Сэнди Моррисон, член технической экспертной группы SpecialChem

SpecialChem