Приборы и техника эксперимента, 2020, № 5, стр. 134-136

Технологии, основанные на использовании сверхкритических флюидов (с.к.ф.), в настоящее время широко применяются для реализации и исследования разнообразных физико-химических процессов [1]. Уникальные свойства сверхкритического диоксида углерода (скСО₂) (давление выше 7.4 МПа, температура >31°С), такие как высокая скорость диффузии и способность выступать в качестве достаточно сильного неполярного растворителя, используются, в частности, для высокоэффективной экстракции различных химических соединений, а также импрегнации и модификации аморфных и частично-кристаллических полимеров.

Особый интерес представляет возможность проводить модификацию пластифицирующихся в среде скСО₂ полимерных материалов, которые после сброса давления формируют в процессе вспенивания пористые микро- и макроструктуры с заданными параметрами. Изменяя параметры среды скСО₂, можно получать высокопористые (≥60 об. %) структуры с различной архитектоникой из биосовместимых полимерных материалов, которые могут быть использованы в качестве биорезорбируемых матриц для биомедицинских применений [2].

Процесс формирования вспененных полимерных материалов с использованием скСО₂, как правило, включает в себя несколько стадий. На первой стадии навеска полимера помещается в реактор высокого давления, находящийся при заданной температуре. После этого в реактор напускается диоксид углерода до необходимого давления, в результате чего происходит пластификация полимера.

Затем проводится декомпрессия реактора (управляемый сброс давления диоксида углерода), приводящая к образованию и росту микропузырьков в объеме пластифицированного полимера. С течением времени и понижением давления в реакторе последовательно происходят процессы формирования, развития и стабилизации пенной структуры [3]. В зависимости от исходных параметров среды скСО₂, а также условий и скорости сброса давления возможно получение разнообразных вспененных полимерных структур с различными ансамблями пор.

Проведение исследований с использованием скСО₂ требует наличия специфического оборудования, обеспечивающего высокие (но при этом хорошо контролируемые) давления и температуры [4]. Нами создана система для проведения оптических исследований процесса пенообразования полимерных материалов in situ в условиях умеренно высоких давления (до 25 МПа) и температуры (до 100°С).

Установка (рис. 1) состоит из следующих основных элементов: системы напуска СО₂, оптического реактора высокого давления, системы видеорегистрации, системы контроля давления и температуры внутри реактора. Система напуска СО₂ содержит 40-литровый газовый баллон 1, соединенный с насосом высокого давления 2 (Supercritical 24, SSI, США), который обеспечивает напуск диоксида углерода под необходимым давлением через игольчатый вентиль 3. Плавный спуск СО₂ из реактора осуществляется через игольчатый вентиль, снабженный микровинтом тонкой регулировки 4. На корпус вентиля установлены нагреватели (до 80°С), позволяющие предотвратить замерзание внутри вентиля диоксида углерода (за счет эффекта Джоуля–Томсона) в процессе сброса его давления.

Рис. 1.

Слева – схема реактора высокого давления, на вставках фотографии типичных полимерных вспененных структур; справа – фотография экспериментальной установки. 1 – баллон с СО₂; 2 – насос высокого давления; 3 – игольчатый вентиль высокого давления; 4 – реактор высокого давления; 5 – нагреватель с встроенной термопарой; 6 – образец с навеской полимера; 7 – термопара; 8 – датчик давления; 9 и 10 – цифровые видеокамеры с макрообъективами для съемки в горизонтальной и вертикальной плоскостях; 11 – модули подсветки; 12 – вентиль для сброса давления с установленными нагревательными элементами.

Оптический реактор высокого давления 5 является модификацией разработанного ранее нами модульного реактора высокого давления [4].

Реактор изготовлен из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, максимальный диаметр корпуса реактора 90 мм, высота в собранном виде 100 мм. Внутренний объем представляет собой цилиндр диаметром 30 мм и высотой 60 мм.

Реактор содержит восемь оптических портов, в которые установлены втулки, имеющие пазы для размещения сапфировых или кварцевых окошек диаметром 14.6 мм и толщиной 10 мм. Стекла запрессовываются во втулке реактора с помощью прокладки, изготовленной из индия. Втулки устанавливаются в отдельных модулях (крышка, дно, основная часть) реактора высокого давления и уплотняются с помощью колец из бутадиен-нитрильного каучука или фторопластовых прокладок.

В центральной части реактора по гексагональной схеме расположены шесть оптических портов. В модулях крышки и дна реактора также установлены по одному оптическому порту. Такая компоновка реактора позволяет получить максимальное количество портов для проведения исследований различных процессов в среде скСО₂ с одновременным использованием нескольких оптических методов диагностики [5].

Используя два оптических порта в вертикальной плоскости и два – в горизонтальной, можно проводить видеозапись процесса вспенивания полимерных материалов, последующая обработка которой позволяет получать данные о динамике роста пены и образования пузырьков в ее объеме. В систему видеорегистрации входят: две цифровые камеры XCAM1080PHB (ToupTec, КНР): боковая (6) и вертикальная (7), которые с помощью длиннофокусных макрообъективов и модулей подсветки 8 позволяют проводить видеозапись с качеством FullHD (1920 × 1080 пикселей, 30 кадров/с) области размером 4 × 6 мм внутри реактора. Камеры расположены на регулируемых во всех плоскостях держателях, с помощью которых можно непрерывно настраивать резкое изображение образца внутри объема реактора.

В нижней части реактора имеется шесть портов высокого давления для подключения датчиков, клапанов, линий напуска и спуска. Для регистрации параметров среды скСО₂ внутри реактора высокого давления используются датчик давления и термопара К-типа, подключаемые к цифровому измерителю ТРМ200 (ОВЕН, Россия), с помощью которого измеряются давление и температура c необходимой периодичностью.

С помощью пропорционально-интегрального дифференциального терморегулятора ТРМ210 (ОВЕН, Россия) и нагревателя со встроенной термопарой 9 осуществляются нагрев реактора высокого давления и поддержание требуемой температуры. С помощью сетевого шлюза ПЕ210 (ОВЕН, Россия) обеспечиваются регистрация и запись температуры и давления с необходимым интервалом, позволяя соотносить точное время на видеофайлах со значениями температуры и давления внутри реактора высокого давления.

Описанная установка была успешно использована в серии исследований особенностей квазиизотермического вспенивания аморфного D,L-полилактида, предварительно пластифицированного суб- и сверхкритическим диоксидом углерода.