ПРЕСС-КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ РАДИОЗАЩИТНЫХ ПЛИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
MOULDING COMPOUND FOR RADIATION-PROOF BOARD MATERIALS AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Изобретение относится к технологии получения радиозащитных материалов, в частности к плитным материалам для поглощения электромагнитного излучения, а также к получению экологически безопасных составов для их изготовления. Изобретение может быть использовано при производстве древесно-стружечных и древесно-волокнистых плитных материалов для изготовления экологически безопасной радиозащитной мебели, в частности радиозащитных шкафов для СВЧ-печей, а также для изготовления дверей, полов и перекрытий в жилых и производственных помещениях с целью снижения уровня электромагнитного поля (ЭМП).
Известен способ изготовления радиозащитной плиты, характеризующийся тем, что в древесные волокна добавляют от 2 до 8% радиопоглощающего материала. Радиопоглощающий материал содержит от 10 до 50 мас.% феррита и от 50 до 90 мас.% углеродного порошка (CN 102059731 (A), 18.05.2011).
Известен способ изготовления древесностружечной плиты с функцией поглощения электромагнитных волн, состоящей из 3 слоев. Верхний и нижний слои изготовлены из древесных опилок, радиопоглощающего наполнителя и связующего. Средний слой выполнен из опилок (соломы), радиопоглощающего наполнителя и связующего, при этом радиопоглощающий наполнитель изготовлен путем смешивания углеродного порошка или графита с предварительно подготовленными диатомитом, слюдой или вермикулитом, или с любым сочетанием этих компонентов (CN 102528886 (A), 04.07.2012).
Известен способ изготовления древесной радиопоглощающей плиты, состоящей из древесных элементов, заключающийся в нанесении на плиту или составляющие ее элементы коллоидного раствора электропроводного углерода путем пропитки, наложения или напыления (JP 2008069613 (A), 27.03.2008).
Недостатком вышеизложенных способов является наличие дополнительной операции смешивания порошка радиопоглощающего наполнителя с древесными частицами, или нанесения раствора радиопоглощающего вещества на поверхность древесной плиты после ее изготовления, или предварительного нанесения раствора радиопоглощающего вещества на древесные элементы, из которых изготавливается плита. Кроме того, в настоящее время в производстве плитных материалов из древесных элементов в качестве связующих веществ используются готовые термореактивные или термопластичные органические полимеры, такие как феноло-, амидо-, формальдегидные смолы, полиэтилен и их производные. Существенным недостатком таких связующих и материалов на их основе является их токсичность, горючесть, малая устойчивость к действию окружающей среды.
Наиболее близок к предлагаемому решению вариант пресс-композиции для плитных материалов защитного и конструкционного назначения, который можно сформировать по патенту RU 2434907 C2, 27.11.2011 из множества его существенных признаков. Вариант включает заполнитель, изготовленный из волокнистого и/или дисперсного материала, связующее и целевую добавку, где для придания пресс-композиции защитных свойств от электромагнитного излучения в заполнитель добавлен порошок шунгита или сажа в количестве до 33% от массы сухого вещества (прототип).
Пресс-композиция по варианту прототипа готовится следующим образом.
Предварительно приготавливают заполнитель, например, из порошкового и/или волокнистого, и/или стружечного материала, затем готовят рабочий раствор, для чего смешивают водный раствор органических оснований с амидной связью и/или оксида или тригидрата окиси алюминия или их смесей с неорганическими полимерами, такими как металлосиликаты с катионами натрия, или калия, или лития и целевую добавку. Полученную смесь нагревают до температуры 40-75°C, поддерживают эту температуру раствора в течение 5-20 минут до получения вязкости раствора 16-27 сП.
Приготовленный заполнитель обрабатывают рабочим раствором в смесителе с интенсивным перемешиванием, после достижения заданной однородности выгружают из смесителя, подсушивают, далее формируют полученный материал в брикеты и подвергают горячему прессованию или термообработке в туннельных печах.
Если в качестве связующего используют металлосиликаты, а в качестве целевой добавки отвердитель, то заполнитель обрабатывают связующим и целевой добавкой раздельно в силу специфики протекания химической реакции.
2
Недостатком описанной выше пресс-композиции является использование для достижения радиозащитного эффекта углеродного наполнителя в виде порошка (шунгит, сажа). Проводится неблагополучная с точки зрения охраны труда и производственной санитарии технологическая операция смешивания сильно пылящих порошков шунгита или сажи с частицами заполнителя, и приготовленный таким образом заполнитель сам будет являться источником загрязнения окружающей среды, к тому же частицы порошка распределяются неравномерно, что приводит к неоднородности материала. Удельная поверхность частиц радиопоглощающего углеродного наполнителя в таких материалах не превышает 0,05 метров квадратных на 1 грамм (м/г), что сказывается на эффективности поглощения ЭМП и требует применения высоких концентраций наполнителя для получения заметного радиозащитного эффекта (до 33% мас. по сухому веществу для прототипа). К недостаткам способа, усложняющим его осуществление, можно отнести необходимость раздельного введения целевой добавки - отвердителя. Кроме того, способ предполагает повышенную энергоемкость (использование горячего прессования или термообработки в туннельных печах).
Задачей изобретения является создание радиозащитных плитных материалов для снижения уровня ЭМП в жилых и производственных помещениях.
Технический результат - создание пресс-композиции для получения экологически чистого радиозащитного плитного материала с повышенной термической устойчивостью и влагостойкостью для изготовления радиозащитной мебели и строительных конструкций.
2
Технический результат достигается тем, что в известной пресс-композиции, содержащей заполнитель, изготовленный из дисперсного и/или волокнистого материала, и связующее, согласно изобретению, в качестве связующего используется предварительно изготовленный и имеющий длительный срок хранения состав, приготовленный из нетоксичных компонентов, представляющий собой стабилизированный водный раствор, состоящий из ультрадисперсного активного углерода с размером частиц 20 - 80 нм и удельной поверхностью 50-200 м/г, натриевого или калиевого жидкого стекла, лигносульфоната аммония.
Ультрадисперсные частицы углерода образуют в матрице связующего электропроводный каркас и легко проникают в микропоры заполнителя, в композиционном материале возникают квантовые эффекты и образуется набор энергетических уровней перехода, при этом обеспечивается широкополосное поглощение электромагнитного излучения с максимумом в области СВЧ-частот. Большая удельная поверхность радиопоглощающих частиц обеспечивает высокую эффективность защиты от ЭМП при концентрациях по сухому веществу на порядок ниже, чем в прототипе. Использование минерального связующего на основе жидкого стекла повышает термическую устойчивость и влагостойкость плитного материала, и при изготовлении плиты не требуется термообработка и горячее прессование, достаточно применить холодное прессование или отверждение с пригрузом. Лигносульфонат аммония стабилизирует раствор связующего и улучшает механические характеристики плитного материала.
Изобретение осуществляется следующим образом.
2
Для приготовления раствора связующего смешивают гранулированный активный углерод с раствором жидкого стекла с концентрацией SiO 18-24 мас.%, подогретым до температуры 70-80°C. Диапазон концентрации жидкого стекла определяется необходимой вязкостью и адгезионной способностью приготовленного на его основе связующего, он был установлен экспериментально. Смешивание производят в смесителе-диспергаторе до достижения концентрации ультрадисперсного активного углерода в растворе 4-15 мас.%. Использование концентрации менее 4% не дает заявляемого эффекта, а при концентрации более 15% раствор переходит в гель. Активный углерод в смеситель-диспергатор подают порциями по 5-7% от его общего расчетного количества при скорости вращения мешалки 250-300 об/мин. После полной загрузки активного углерода производят его диспергирование в течение 3-4 часов, увеличив скорость вращения мешалки до 1700 об/мин. Охлаждение раствора производят при включенной мешалке, вращающейся со скоростью не менее 1000 об/мин. Насыщенный раствор лигносульфоната аммония (стабилизатор) готовят отдельно, растворяя порошкообразный технический лигносульфонат в количестве 50 массовых частей в 50 массовых частях аммиака водного технического с подогревом до 30-35°C. Стабилизатор подают в смеситель-диспергатор малыми порциями до достижения его концентрации 3-6 мас.% в зависимости от концентрации активного углерода в растворе жидкого стекла. Чем больше концентрация активного углерода, тем больше требуется стабилизатора. Стабилизатор вводят после остывания раствора диспергированного активного углерода до температуры 15-25°C при активном перемешивании (скорость вращения мешалки не менее 1000 об/мин).
Затем заполнитель, представляющий собой дисперсный и/или волокнистый материал растительного или синтетического происхождения, перемешивают с раствором связующего любым известным способом, причем связующее берется в количестве 22-65% по сухому веществу от общей массы плитного материала. Концентрация связующего зависит от дисперсности и пористости заполнителя. Полученную пресс-композицию выкладывают в форму. Для получения плиты производят холодное прессование или отверждение с пригрузом.
Образцы для испытаний были изготовлены следующим способом.
2
Образец №1. Высушенная в сушильном шкафу древесная стружка с размером частиц 5-30 мм и толщиной 0,1-0,4 мм в количестве 100 г смешана со 100 г связующего, представляющего собой водный раствор, содержащий 8 мас.% ультрадисперсного углерода, 20 мас.% SiO (27 мас.% по сухому веществу натриевого жидкого стекла), 4 мас.% насыщенного раствора лигносульфоната аммония (2 мас.% по сухому веществу). Пресс-композиция выгружена в форму размером 150x80 мм и спрессована с усилием 70 кН с выдержкой давления 30 мин. Получена плита толщиной 12 мм, после сушки в сушильном шкафу в течение 5 часов ее масса составила 139 г. Содержание ультрадисперсного углерода в сухой плите 6 мас.%, содержание связующего по сухому веществу 27 мас.%.
2
Образец №2. Отличается от образца №1 тем, что связующее имело в составе 4 мас.% ультрадисперсного углерода, 18 мас.% SiО (24 мас.% по сухому веществу натриевого жидкого стекла), 2 мас.% насыщенного раствора лигносульфоната аммония (1 мас.% по сухому веществу). Содержание ультрадисперсного углерода в сухой плите 3 мас.%, содержание связующего по сухому веществу 22 мас.%.
2
Образец №3. Отличается от образца №1 тем, что связующее имело в составе 15 мас.% ультрадисперсного углерода, 24 мас.% SiO (32 мас.% по сухому веществу натриевого жидкого стекла), 6 мас.% насыщенного раствора лигносульфоната аммония (3 мас.% по сухому веществу). Содержание ультрадисперсного углерода в сухой плите 10 мас.%, содержание связующего по сухому веществу 33 мас.%.
Для изготовления плитного материала повышенной плотности можно увеличивать количество связующего до 65 мас.% по сухому веществу, при этом оптимальная концентрация ультрадисперсного углерода в связующем 5-7 мас.%.
Вместо натриевого жидкого стекла можно использовать калиевое жидкое стекло или их смесь.
Измерение радиофизических характеристик изготовленных образцов производилось на измерителе КСВН панорамном Р2-113. Результаты измерений приведены в таблице. Для прототипа приведено указанное в его описании значение максимального ослабления ЭМП СВЧ-диапазона - до 90%, что соответствует 10 дБ.
Таблица
Номер образца
Концентрация радиопоглощающего наполнителя, мас.%
Частота, ГГц
Измеренное ослабление, дБ(раз)
КСВН
Отражение, %
Ослабление поглощением, дБ (раз)
прототип
33
0,8-2,0
10 (10)
-
-
-
1
6
4,0
30,5 (1120)
2,0
11,1
30,0 (1000)
2
3
4,0
12,5 (18)
1,6
5,3
12,3 (17)
3
10
4,0
40,8 (12000)
6,5
53,8
37,5 (5600)
Приведенные результаты показывают, что изготовленные образцы обладают хорошими радиозащитными свойствами. Даже при концентрации радиопоглощающего наполнителя в 10 раз меньше, чем в прототипе, материал по радиозащитным свойствам превосходит прототип.
Оптимальным является состав №1. Он обеспечивает получение материала с высоким коэффициентом поглощения ЭМП при низком коэффициенте отражения, то есть радиопоглощающего материала.
Для расширения частотной полосы поглощения материала в состав связующего может быть введено 5-30 мас.% высокодисперсного коллоидного графита.
Таким образом, изобретение позволяет получать эффективный радиозащитный плитный материал с повышенной термической устойчивостью и влагостойкостью, не содержащий токсичных компонентов.