Держатель для сушки стержня геля

20/00 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ДЕРЖАТЕЛЬ ДЛЯ СУШКИ СТЕРЖНЯ ГЕЛЯ(71) Заявитель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(72) Авторы Плющ Борис Васильевич Подденежный Евгений Николаевич Мельниченко Игорь Михайлович(73) Патентообладатель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(57) 1. Держатель для сушки стержня геля, содержащий опорные элементы, установленные с возможностью упругого фрикционного контакта с поверхностью стержня геля, отличающийся тем, что содержит вертикально установленный жесткий каркас, ограничивающий область для размещения стержня геля, а опорные элементы выполнены в виде эластичных жгутов, размещенных на жестком каркасе вдоль его вертикальной оси с возможностью образования в перпендикулярных ей плоскостях конфигураций в виде равноудаленных от вертикальной оси каркаса пары параллельных прямых или выпуклого многоугольника, стороны которого расположены на равных расстояниях от вертикальной оси каркаса. 2. Держатель по п. 1, отличающийся тем, что жесткий каркас выполнен в виде двух или более параллельных стержней, размещенных симметрично его вертикальной оси на горизонтальном основании, а эластичные жгуты выполнены кольцевыми. 3. Держатель по п. 2, отличающийся тем, что стержни установлены, образуя вершины квадрата, а кольцевые эластичные жгуты идентичны друг другу и размещены с последовательным чередованием на симметричных относительно оси каркаса парах стержней по диагонали квадрата.(56)1915 , 1996.62265131 1, 1987.4680045 , 1987. Изобретение относится к технологии получения кварцевого стекла золь-гель методом,а конкретно, к процессам сушки влажных гелей и может быть использовано при получении крупногабаритных заготовок и изделий из кварцевого стекла в форме толстостенных труб и стержней. В процессах сушки гелей, полученных по золь-гель технологии, наблюдаются значительные усадки заготовок. Поэтому любые неоднородности могут способствовать возникновению концентраций напряжений и возникновению дефектов вследствие трещинообразования. Форма заготовки геля имеет большое значение для обеспечения высокого качества изделий, прежде всего из-за особенностей взаимодействия с опорой. Негативное влияние опоры на качество заготовок геля при сушке проявляется за счет экранирования процессов испарения, ограничения конвекции, в деформационном повреждении поверхности. Последнее наиболее вероятно для крупногабаритных заготовок геля, прочность которых может оказаться недостаточной для компенсации влияния силы тяжести на гель. Известно устройство для сушки геля, выполненное в форме упругой губчатой подложки, размещенной на основании 1. При этом губчатая подложка контактирует с большой частью поверхности геля, что, с одной стороны, снижает влияние собственной массы геля на его прочность, а с другой - препятствует испарению и способствует неоднородному накоплению влаги по толщине геля. Высокие фрикционные свойства подложки препятствуют релаксации напряжений между макроучастками геля, контактирующими с подложкой. Указанные факторы приводят к трещинообразованию и разрушению крупногабаритных массивных заготовок геля в форме стержней при их горизонтальном размещении на поверхности подложки при сушке. При вертикальном размещении стержня геля подложка не компенсирует действия силы тяжести, что при малой прочности геля приводит к трещинообразованию и разрушению заготовки макротрещинами. Высокие фрикционные свойства подложки способствуют возникновению микротрещин в области торца стержня. Указанные особенности известного устройства препятствуют получению заготовок высокого качества. А наличие при этом на влажном геле неоднородных межкаркасных жидкостей ограничивает возможность получения крупногабаритных заготовок геля в форме стержней, в частности препятствует получению стержней (и труб) большой длины. Известно устройство для сушки геля, содержащее жесткий каркас с опорными элементами 2. Известное устройство представляет собой сосуд с отверстиями (жесткий каркас), закрепленный в наклонном положении, что уменьшает влияние силы тяжести на трещинообразование в геле при сушке. Опорными элементами в устройстве являются дно и стенка сосуда (каркаса). При размещении геля на них в наклонном положении возникают большие силы трения, препятствующие релаксации напряжений между макроучастками поверхности геля при его усадке, что инициирует трещинообразование. При большой длине стержня влажного геля влияние поверхностей может привести к короблению заготовки. Указанные факторы ограничивают возможность получения качественных крупногабаритных стержней и труб гелей. Наиболее близким к заявляемому является устройство для сушки геля, содержащее опорные элементы, установленные с возможностью упругого фрикционного соединения с поверхностью геля 3. В известном устройстве опорные элементы выполнены в виде подшипниковых опор, снабженных в области контакта с гелем пористыми прокладками. Благодаря прокладкам, уменьшается влияние силы тяжести на гель, а также увеличивается фрикционное взаимодействие поверхности геля и подшипниковых опор, способствуя ра 2 5710 1 боте последних. При этом взаимодействие геля и опор можно считать упругим, фрикционным при условно неподвижном расположении участков контакта относительно геля. Опоры способствуют релаксации напряжений макроучастков поверхности геля, что повышает качество заготовок и выход годных изделий в форме пластин. Устройство не обеспечивает надежное удержание крупногабаритных стержней в вертикальном положении. При таком положении не компенсируется отрицательное влияние силы тяжести на качество изделий. При горизонтальном размещении крупногабаритного стержня также не обеспечивается высокий выход годных изделий. Это обусловлено линейным контактом стержня геля с опорной поверхностью и необходимостью концентрирования (размещения) опорных элементов в области контакта. В силу этого создается неоднородное (одностороннее) давление опор на гель, что приводит к короблению и трещинообразованию геля. Увеличение числа опор в области контакта приводит к эффекту экранирования испарения и, как следствие, к трещинообразованию. Заявляемое изобретение решает проблему сушки крупногабаритных стержней и труб гелей путем создания специального держателя для сушки стержней гелей. Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности получения изделий высокого качества за счет уменьшения вероятности возникновения неоднородностей усадки при сушке, приводящих к трещинообразованию и короблению, при взаимодействии геля с опорой. Вторым важным техническим результатом изобретения является возможность получения стержней гелей больших габаритов, прежде всего длинных массивных стержней (и труб). Уменьшение вероятности возникновения неоднородностей при сушке геля достигается компенсацией влияния силы тяжести (массы заготовки), уменьшение экранирующего испарения действия опоры, обеспечением возможности релаксации напряжений усадки между участками контакта с опорой. Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что держатель для сушки стержня геля, содержащий опорные элементы, установленные с возможностью упругого фрикционного контакта с поверхностью стержня геля, содержит вертикально установленный жесткий каркас, ограничивающий область для размещения стержня геля, а опорные элементы выполнены в виде эластичных жгутов, размещенных на жестком каркасе вдоль его вертикальной оси с возможностью образования в перпендикулярных ей плоскостях конфигураций в виде равноудаленных от вертикальной оси каркаса пары параллельных прямых или выпуклого многоугольника, стороны которого расположены на равных расстояниях от вертикальной оси каркаса. Кроме того, жесткий каркас выполнен в виде двух или более параллельных стержней, размещенных симметрично его вертикальной оси на горизонтальном основании, а эластичные жгуты выполнены кольцевыми. Дополнительно этому стержни установлены, образуя вершины квадрата, а кольцевые эластичные жгуты идентичны друг другу и размещены с последовательным чередованием на симметричных относительно оси каркаса парах стержней по диагонали квадрата. Согласно изобретению, предлагается держатель для сушки стержней геля в вертикальном подвешенном состоянии. Подвешенное состояние геля создается за счет сил трения геля о жгуты. Силы трения о жгуты компенсируют действие силы тяжести на гель. При этом на гель нормально действуют силы давления жгутов, которые (за счет их большого числа) невелики и не приводят к повреждению поверхности геля при сушке. Упруго фрикционный контакт геля при его охвате жгутами также условноподвижен, как и в прототипе, эластичность жгутов, с одной стороны, способствует возникновению такого контакта, а с другой - обеспечивает возможность релаксации напряжений между макроучастками геля, к которым за счет сил трения прищеплены жгуты. Поскольку при усадке поперечный размер стержня уменьшается, то уменьшается и давление на гель, что также способствует снижению вероятности возникновения неоднородных напряжений усадки. Суммарная площадь контакта жгутов с поверхностью геля мала, чем обеспечивается уменьшение влияния поверхности опоры на скорости диффузии и испарения жидкости 3 5710 1 геля. К тому же, благодаря форме жгутов, их расположению вдоль стержня обеспечивается равномерное распределение поверхности контакта геля с опорой (жгутами). Форма жгутов и их размещение способствует равномерному распределению сил трения по поверхности, что также препятствует возникновению неоднородных напряжений. Кроме того, благодаря жгутам, гель не контактирует и изолирован от каркаса, что исключает вредное влияние последнего на гель. Параллельность пар жгутов или конфигурация их в виде выпуклого многоугольника способствует равномерному контакту жгутов с гелем. При этом выпуклая форма многоугольника обеспечивает контакт жгутов в соответствии с формой их сечения. Для стержня в виде круглого цилиндра наилучшими конфигурациями жгутов является правильный многоугольник в виде квадрата или чередование параллельных жгутов между диагоналями квадрата (симметрично относительно оси каркаса). Выполнение при этом жгутов в виде кольцевых идентичных жгутов, установленных с натягом относительно внешней поверхности стержней - стоек каркаса, обеспечивает за счет идентичности жгутов равномерное давление всех жгутов на гель и симметричное распределение этого давления. Во всех других случаях допустимые уровни давлений подбираются размерами и натяжением жгутов. Таким образом, дополнительные признаки, касающиеся выполнения каркаса в виде стержня и использования кольцевых жгутов, обеспечивают наиболее равномерные (однородные) условия контакта с ними осесимметричных стержней гелей (включая толстостенные трубы). Следует иметь в виду, что при использовании жгутов в форме выпуклого или правильного многогранника не следует значительно увеличивать число граней, то же можно сказать и в отношении количества жгутов, поскольку увеличение указанных количеств может привести к эффекту экранирования испарения, а значит, к увеличению вероятности возникновения напряжения в геле. Ширина жгутов должна быть меньшей размера геля, как правило, она много меньше(например, в 10 раз). Количество жгутов, степень их натяжения определяются силами трения жгутов о материал, прочностью его поверхности, которые определяются экспериментально для конкретной золь-гель технологии получения стержней из заданного состава геля. Минимальное число жгутов определяется необходимостью удержания геля в подвешенном состоянии, максимальное - прочностью поверхности и устранением эффекта экранирования. Следует иметь в виду, что наращивание длины массивного стержня, изготовленного по заданной технологии, может быть обеспечено увеличением количества жгутов, устанавливаемых вдоль оси каркаса, поскольку вышеописанный технический результат достигается для стержней (труб) любой длины. В силу этого использование заявляемого держателя обеспечивает возможность получения крупногабаритных стержней большой длины. Существенное значение при этом имеет вертикальное расположение оси каркаса, поскольку оно обеспечивает вертикальность установки стержня при сушке. Вертикальное расположение стержня обеспечивает наилучшие условия для сушки за счет равномерности контакта со жгутами. Равноудаленность оси каркаса от подобных сторон многоугольников обеспечивает постоянство условий контактирования, равенство сил давления и трения для участков поверхности геля заданной формы сечения и размеров, что также способствует предотвращению возникновения неравномерного распределения напряжений в геле при усадке в процессе сушки. Основное требование к жесткому каркасу - это то, что он не должен препятствовать процессу сушки. Открытые каркасы, например в форме параллельных стержней, цилиндрической сетки могут располагаться ближе к гелю и имеют меньшие габариты их предпочтительнее использовать при конфигурации жгутов в виде многоугольников. Закрытые каркасы, например в форме кругового цилиндра, должны быть отдалены от поверхности геля (например, в 2-5 и более раз по сравнению с его поперечным размером), т.е. чтобы не влиять на испарение и конвекцию. 4 5710 1 На фиг. 1, 2 схематично изображено предлагаемое устройство (фиг. 1 - вид сбоку,фиг. 2 - разрез по А-А). Фиг. 3 иллюстрирует процесс размещения стержня в держателе. На фиг. 4 изображен вариант устройства с каркасом в виде прямого кругового цилиндра(вид сверху в разрезе). Фиг. 5 иллюстрирует вариант выполнения заявляемого устройства,в котором стержни каркаса размещены в вершинах квадрата (вид сверху, в разрезе). На фиг. 6, 7 изображен вариант выполнения заявляемого устройства, при котором стержни каркаса размещены в вершинах квадрата, а эластичные жгуты установлены с последовательным чередованием на симметричных относительно оси каркаса парах стержней(фиг. 6 - вид сбоку, фиг. 7 - разрез по А-А). Пунктирными линиями на фигурах отмечены контуры геля, а также положения эластичных жгутов после установки стержня геля. Заявляемый держатель состоит из жесткого каркаса 1, включающего ось 2 и параллельные ей стержни 3, эластичных жгутов 4, закрепленных концами в кольцевых выточках 5 стержней 3 и размещенных последовательно с равным шагом вдоль стержней 3. В перпендикулярных оси 2 сечениях (см. фиг. 2) эластичные жгуты 4 имеют форму пары параллельных прямых. Пространство между парами прямых 4 между стержнями 3 служит для размещения стержня влажного геля 6. Ось 2 каркаса устанавливают вертикально с помощью средства 7 (например, подвески) относительно основания 8. Для установки геля 6 пары жгутов растягивают в перпендикулярных оси 2 плоскостях, помещают между парами гель 6 и приводят его в контакт со жгутами 4. При этом пары жгутов 4 остаются в растянутом состоянии, давят на поверхность геля 6, под действием веса (силы тяжести) геля 6 между жгутами 4 и поверхностью геля 6 возникают силы трения, которые достаточны, чтобы обеспечить постоянный (неподвижный) упругий фрикционный контакт поверхности геля и каждого жгута 4. При этом жгуты 4, дополнительно растягиваясь под действием силы тяжести, уравновешивают вес геля. Гель при этом остается в подвешенном состоянии. Размещение геля 6 в держателе можно осуществлять с помощью цилиндрической формы 9, в которой произошло формирование геля (или его старение) (см. фиг. 3). Форму 9 с гелем протягивают сквозь пары жгутов 4, а затем, оставляя гель 6 неподвижным, например, на торцевой крышке формы 9 (позицией не обозначена), перемещают форму в обратно направлении (отмечено стрелкой). При выдвижении формы 9 гель последовательно входит в упругий контакт со жгутами 4. Закрепленный в держателе гель выдерживают при заданных температурно-временных режимах сушки до удаления влаги. В процессе сушки влага испаряется с поверхности геля. Гель сжимается, происходит его усадка. Жгуты 4 равномерно охватывают поверхность геля 6 в процессе усадки. При этом происходит сжатие (сближение) макроучастков геля между жгутами 4 вдоль оси 2. Благодаря эластичности жгутов 4, последние не вызывают существенного возникновения напряжений между макроучастками, способствуя тем самым релаксации напряжений между ними. Кроме того, уменьшение поперечного размера геля при усадке способствует уменьшению давления жгутов на гель. Жгуты, сжимаясь при этом, способствуют релаксации макронапряжений в поперечных оси 2 плоскостях в области контакта с гелем. Узкие жгуты 4 не оказывают существенного влияния на скорость испарения межкаркасных жидкостей геля. Каркас 1, благодаря жгутам 4, удален от поверхности геля 6 и также не оказывает влияния на процессы испарения и диффузии. После окончания сушки гель вынимают из держателя последовательным перемещением вдоль оси 2. Заявляемый держатель может быть использован для сушки стержня геля на воздухе либо может быть помещен вместе с гелем в камеру для сушки либо в пористый контейнер. В варианте, изображенном на рис. 3, каркас 1 держателя выполнен в виде прямого кругового цилиндра, снабженного пазами (отверстиями 10). При этом жгуты 4 в перпендикулярных оси 2 сечениях имеют вид пар параллельных прямых, скрещивающихся в перпендикулярных оси 2 плоскостях. Снабжение цилиндра пористыми (перфорированными) крышками позволяет использовать рассматриваемый вариант как для сушки стержня геля 5 5710 1 в пористом контейнере. Т.е. в нем функции держателя и пористого контейнера совмещены. Работа держателя аналогична работе держателя по фиг. 1. В варианте, изображенном на фиг. 5, стержни 3 каркаса размещены в вершинах квадрата на расстоянии друг от друга и охвачены с их внешней стороны жгутами 4, закрепленными в пазах (на фигуре не показаны) стержней 3. Работа держателя в этом случае аналогична работе варианта, изображенного на фиг. 4. Однако при этом вариант, изображенный на фиг. 5, имеет меньшие габариты. В описываемом варианте эластичные жгуты 4 могут быть выполнены в виде кольцевых эластичных жгутов, охватывающих с натягом стержни 3. В варианте, изображенном на фиг. 6 и 7, параллельные стержни 3 каркаса размещены в вершинах квадрата, перпендикулярно основанию 8, установленному горизонтально на опорной поверхности 11. Эластичные жгуты 4 при этом установлены с последовательным чередованием на симметричных относительно оси каркаса 2 парах стержней 3 (по диагонали квадрата). Эластичные жгуты 4 выполнены в виде эластичных идентичных кольцевым жгутов, установленных с натягом на стержни 3. Размещение с чередованием создает меньше давление на гель в плоскостях параллельного сечения, а использование эластичных кольцевых жгутов обеспечивает равномерность распределения давления на поверхность геля. В силу этого описываемый вариант может быть использован для сушки стержней геля в форме прямого кругового цилиндра. Работа описываемого варианта аналогично варианту, изображенному на фиг. 1, 2. Следует иметь в виду, что во всех описываемых вариантах держателя высушенный гель имеет достаточную прочность для его извлечения из держателя, которое осуществляют перемещением геля 6 вдоль оси 2. При выполнении расстояния между осью 2 и расстоянием до жгута 4, меньшим чем расстояние от оси до поверхности сухого геля, сухой гель при высыхании не удерживается в подвешенном состоянии в конце сушки. Силы трения не могут обеспечить неподвижное состояние геля и он самопроизвольно выскальзывает из держателя, что может быть использовано для автоматического определения конца сушки. Источники информации 1. Заявка Японии,63-193134, МПК С 03 В 8/02, опубл. 12.08.88. 2. Заявка Японии 62-230630, МПК С 03 В 8/02, 001 В 33/158, опубл. 09.10.87. 3. Заявка Республики Беларусь 1915-01, МПК С 03 В 8/62, приоритет от 11 мая 1994 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.