СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНОЙ КОМПОЗИЦИИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF PRODUCING POLYMER COMPOSITION

Изобретения относятся к производству органонаполненных композиций, которые используются в технологии производства строительных материалов, упаковки, автомобилестроении и других отраслях народного хозяйства.
Известен способ получения полимерной композиции, осуществляемый следующим образом. Последовательно осуществляют загрузку компонентов в лопастной смеситель: полимер, целевые добавки, наполнитель. Температура смешивания компонентов - 200,5°C. Осуществляют предварительный нагрев композиции в материальном цилиндре червячного пресса до температуры 125±0,5°C (первая температурная зона). Далее осуществляют прессование композиции в червячном прессе с прохождением ее через вторую (130°C), третью (140°C) и четвертую (145°C) температурные зоны материального цилиндра червячного пресса. Формование поперечного сечения профильно-погонажного изделия осуществляют в фильерной головке червячного пресса при температуре +150°C. Охлаждение готового изделия водяное до температуры 60°C осуществляют в калибрующем устройстве после выхода изделия из профилирующей фильерной головки. (Патент РФ N 2005752, кл. C08L 97/02, опубликован 15.01.1994 г.).
Наиболее близким к заявленному способу получения полимерной композиции, выбранному в качестве прототипа, является способ получения древесно-полимерной композиции, осуществляемый следующим образом.
Измельченный древесный наполнитель, преимущественно влажный, обрабатывают полиэлектролитом и далее сушат. Затем сухой наполнитель пропитывают мономером, причем пропитка может быть осуществлена на завершающей стадии сушки древесного наполнителя, например, непосредственно перед циклоном-осадителем или в дозаторе бункера сухой стружки. Далее изготовленный наполнитель смешивают с остальными компонентами смеси, также поступающими через дозирующие устройства. При необходимости осуществляют предварительное смешение термопластичного полимера с перекисью и целевыми добавками. Полученную композицию затем перерабатывают методом прессования и экструзии.
(Патент РФ N 2132347, кл. C08L 97/02, опубликован 27.06.1999 г.).
Недостатками известного способа получения полимерной композиции являются применение специальных установок, что приводит к увеличению времени протекания технологического процесса и трудоемкости в эксплуатации оборудования.
Решаемой технической задачей является снижение времени протекания технологического процесса, трудоемкости изготовления, стоимости.
Решение технической задачи в способе получения полимерной композиции в его первом варианте, включающем измельчение и сушку органического наполнителя, смешение его с целевыми добавками, смешение органического наполнителя и целевых добавок с высокомолекулярным соединением, компаундирование указанных компонентов, грануляцию композиции, достигается тем, что измельчение органического наполнителя в количестве от 10 до 89,99 мас.% осуществляют до размеров частиц от 1 до 20000 мкм, его сушку осуществляют до содержания влаги от 0 до 50 мас.%, смешение органического наполнителя с целевыми добавками осуществляют в количестве от 0,001 до 20 мас.%, смешение компонентов с высокомолекулярным соединением осуществляют в количестве от 10 до 89,99 мас.%, введение модифицирующей добавки в виде наноразмерных частиц от 0,0001 до 50 мас.% осуществляют после грануляции композиции, во всю массу полученного гранулята сухим шаржированием.
Решение технической задачи в способе получения полимерной композиции в его втором варианте, включающем измельчение и сушку органического наполнителя, смешение его с целевыми добавками, смешение органического наполнителя и целевых добавок с высокомолекулярным соединением, компаундирование указанных компонентов, грануляцию композиции, достигается тем, что измельчение органического наполнителя в количестве от 10 до 89,99 мас.% осуществляют до размеров частиц от 1 до 20000 мкм, его сушку осуществляют до содержания влаги от 0 до 50 мас.%, смешение органического наполнителя с целевыми добавками осуществляют в количестве от 0,001 до 20 мас.%, смешение компонентов с высокомолекулярным соединением осуществляют в количестве от 10 до 89,99 мас.%, на стадии компаундирования в получаемую композицию осуществляют введение гранулята с содержанием модифицирующей добавки до 50 мас.% в виде наноразмерных частиц.
Данные способы решают проблему введения и равномерного распределения модифицирующей добавки в виде наноразмерных частиц в полимерной матрице, что достаточно проблематично на сегодняшний день, так как требует дополнительных операций и специального оборудования, а отсутствие операции по дополнительной обработке древесного наполнителя по прототипу снижает трудозатраты и время получения композиции с высокими физико-механическими характеристиками.
Полимерную композицию на основе органического наполнителя по первому варианту способа получают следующим образом. Осуществляют измельчение (размер частиц от 1 до 20000 мкм) и сушку (влажность в пределах от 0 до 50 мас.%) органического наполнителя в количестве от 10 до 89,99 мас.%, в качестве которого могут быть использованы, например, древесная стружка, отходы лесопиления, рисовая шелуха, целлюлозосодержащие отходы сельскохозяйственного или текстильного производства и т.д.
Приготовленный наполнитель смешивают с целевыми добавками в количестве от 0,001 до 20 мас.% (например, аппретирующие добавки и/или пластификаторы и/или лубриканты и/или антистатики и/или антипирены и/или антимикробные агенты и/или вспенивающие агенты и/или красители (органические красители жирорастворимые или кубовые, обладающие высокой красящей способностью и достаточной цветостойкостью (красный С, желтый Ж, кубовый ярко-оранжевый КХ, придает изделию нарядный вид) и/или минеральные наполнители, так же могут применяться например, отвердители, ускорители, замедлители сшивки и т.д., - в зависимости от способа переработки композиции в изделие и вида полимерного связующего), а затем и с высокомолекулярным соединением в количестве от 10 до 89,99 мас.%.
В качестве высокомолекулярного соединения используют, например, термопласты (первичные и/или вторичные) например, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полиметилметакрилат и т.д.; и/или их сополимеры, например, сополимеры пропилена и этилена и т.д.; и/или смеси полимеров и сополимеров, например, этилен-пропиленовый каучук и полипропилен и т.д.; реактопласты, например, фенолформальдегидная смола и т.д. и/или их сополимеры и/или смеси полимеров и сополимеров, с температурой плавления от 4 до 400°C.
Далее полученную смесь компаундируют (пластикация и гомогенизация), гранулируют. После чего получается гранулированная композиция с равномерно распределенными частицами наполнителя, в которую, затем, вводится модифицирующая добавка в виде наноразмерных частиц в количестве от 0,0001 мас.% до 50 мас.% сухим шаржированием Процесс осуществляют при температуре от 0 до 200°C, частоте вращения установки, регулируемой в пределах от 0 до 3000 об/мин., при заданном давлении от 0 до 20,265 МПа или вакууме, в течение заданного времени от 0 до 24 часов, с применением наночастиц (нанопроводники, нановолокна, нанотрубки, сферические фуллерены, различные сочетания дендритных форм, наночастицы с нанопористой матричной структурой, многостенные нанотрубки, нанопластины и т.д.), один из линейных размеров которых находится в субмикронном диапазоне (менее 1000 нм), например, однослойные углеродные нанотрубки, многослойные углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна, наношихта, наноалмазы, фуллереновые нанотрубки, наноглина и т.д., предварительно обработанных или необработанных поверхностно-активными веществами, при этом происходит индивидуализация и внедрение частиц в состав гранул.
Полимерную композицию на основе органического наполнителя, по второму варианту способа, получают следующим образом. Осуществляют измельчение (размер частиц от 1 до 20000 мкм) и сушку (влажность в пределах от 0 до 50 мас.%) органического наполнителя в количестве от 10 до 89,99 мас.%, в качестве которого могут быть использованы, например, древесная стружка, отходы лесопиления, рисовая шелуха, целлюлозосодержащие отходы сельскохозяйственного или текстильного производства и т.д.
Приготовленный наполнитель смешивают с целевыми добавками в количестве от 0,001 до 20 мас.% (например, аппретирующие добавки и/или пластификаторы и/или лубриканты и/или антистатики и/или антипирены и/или антимикробные агенты и/или вспенивающие агенты и/или красители (органические красители жирорастворимые или кубовые, обладающие высокой красящей способностью и достаточной цветостойкостью (красный С, желтый Ж, кубовый ярко-оранжевый КХ, придает изделию нарядный вид) и/или минеральные наполнители, так же могут применяться например, отвердители, ускорители, замедлители сшивки и т.д., - в зависимости от способа переработки композиции в изделие и вида полимерного связующего), а затем и с высокомолекулярным соединением в количестве от 10 до 89,99 мас.%.
В качестве высокомолекулярного соединения используют, например, термопласты (первичные и/или вторичные), например, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полиметилметакрилат и т.д.; и/или их сополимеры, например, сополимеры пропилена и этилена и т.д.; и/или смеси полимеров и сополимеров, например, этилен-пропиленовый каучук и полипропилен и т.д.; реактопласты, например, фенолформальдегидная смола и т.д., и/или их сополимеры и/или смеси полимеров и сополимеров, с температурой плавления от 4 до 400°C.
Далее полученную смесь компаундируют (пластикация и гомогенизация). На этой стадии в получаемую композицию осуществляют введение гранулята с содержанием модифицирующей добавки в количестве до 50 мас.% для получения гранулированной композиции с необходимой концентрацией наноразмерных частиц (нанопроводники, нановолокна, нанотрубки, сферические фуллерены, различные сочетания дендритных форм, наночастицы с нанопористой матричной структурой, многостенные нанотрубки, нанопластины и т.д.), один из линейных размеров которых находится в субмикронном диапазоне (менее 1000 нм), например, однослойные углеродные нанотрубки, многослойные углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна, наношихта, наноалмазы, фуллереновые нанотрубки, наноглина и т.д. от 0,0001 до 50 мас.%.
Измельчение органического наполнителя, по обоим вариантам предложенного способа, может быть осуществлено, например, посредством устройства, описанного в журнале «ЛесПромИнформ» №2 (68) за 2010 год, с.92-102.
Сушка органического наполнителя, по обоим вариантам предложенного способа, может быть осуществлена, например, с помощью сушильных камер, описанных в журнале «Деловой лес» №3(50) (март 2005), №6(42) (июнь-июль 2004), «Лесной Эксперт» №14 (январь-февраль 2004), №15 (март-апрель 2004), №21 (декабрь 2004), О.А. Кизина, А.Л. Адамович, Ю.Г. Грозберг «Анализ современных методов и оборудования для сушки древесины», Вестник Полоцкого государственного университета. Сер. В, Прикладные науки. - 2011. - N 3. - С.32-37, «Расчет и проектирование сушильных установок», Государственное энергетическое издательство, М., 1963, с.109-113, 119-121.
Измельчение и сушку органического наполнителя, по обоим вариантам предложенного способа, можно также осуществить посредством устройства, описанного в патенте RU 103754 U1, 21.10.2010.
Смешение компонентов композиции, по обоим вариантам предложенного способа, может быть осуществлено, например, в смесительных аппаратах, описанных в литературе Д.Д. Рябинин, Ю.Е. Лукач «Смесительные машины для пластмасс и резиновых смесей». - М: Машиностроение, 1972. - 272 с., Ю.И. Макаров «Аппараты для смешения сыпучих материалов». - М.: Машиностроение, 1973. - 216 с.
Компаундирование и грануляцию композиции, по обоим вариантам предложенного способа, можно осуществить, например, в миксерах или экструдерах, описанных в журнале «Полимерные материалы. Изделия, оборудование, технологии», 25.04.2011 г., «Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология» учеб. пособие / М.Л. Кербер, В.М. Виноградов, B.C. Головкин и др.; под ред. А.А. Берлина. - Спб.: Профессия, 2008. - 560 с, с.344-348.
Шаржирование можно осуществить, например, способом, описанным в литературе Н.И. Макленко «Слесарное дело с основами материаловедения», 1976 г. стр.393, с помощью ручного валка; «Перемешивание и аппараты с мешалками», перевод с польск. под ред. И.А. Щупляка, Л.: «Химия», 1975, 384 с., с.353, с помощью смесителя периодического действия с вращающейся камерой.
Полученную по двум вариантам гранулированную композицию можно перерабатывать в изделия литьем под давлением, экструзией, прессованием, формованием и другими возможными способами [Отчет Академии Коньюктуры Промышленных Рынков «Рынок древесно-полимерных композиционных материалов в России» от 10.06.2010 г., журнал «Фурнитура и деревообработка», №4 от 11.2005 г, журнал «Дерево. RU», №№1-3/2008, стр.78-92, №4-2008, стр.88-94, «Основы технологии переработки пластмасс» / Под редакцией В.Н. Кулезнева, В.К. Гусева, М. Химия, 2004, стр.331-545.
Изделия из полимерной композиции на основе органического наполнителя, полученной по обоим вариантам предложенного способа, устойчивы к атмосферным явлениям, хорошо обрабатываются режущим инструментом, шлифуются, покрываются грунтами, лаками и красками, не деформируются от влаги.
На основе вышеприведенных ссылок (стр.7-8) рассмотрим примеры конкретной реализации способа получения полимерной композиции по его обоим вариантам.
Пример первый конкретной реализации по первому варианту предложенного способа.
В установку для сушки и измельчения органического наполнителя (импеллерная мельница) загружают органический наполнитель, в качестве которого используют древесные опилки, температура переработки составляет 92°C. Далее полученную древесную муку загружают в лопастной смеситель в количестве 80 кг (57,61% из расчета на всю композицию), фракции 560 мкм, влажностью 25%, температура нагрева составляет 90°C, процесс проводят до достижения заданной температуры. Далее взвешивают необходимое количество полимерного связующего из расчета на древесную муку, чтобы получить соотношение древесная мука/полимер=70/30. Из расчета на один замес смесителя выходит 80*30/70=34,3 кг (24,7% из расчета на всю композицию) необходимо полимерного связующего, в качестве которого применяется полиэтилен высокой плотности с показателем текучести расплава от 1,5 г/мин.
Затем производится расчет целевых добавок. Лубрикантом служит стеарат цинка, в количестве 4% от массы полиэтилена и составляет 34,3*4/100=1,37 кг (1% из расчета на всю композицию). Компатибилизатор в данной рецептуре - малеинизированный полиэтилен 3% от массы полиэтилена, количество которого равняется 34,3*3/100=1 кг (0,72% из расчета на всю композицию). В качестве минерального наполнителя применяется карбонат кальция размером частиц 120 мкм в количестве 15% от общего количества полиэтилена и древесной муки и составляет (80+34,3)*15/100=17,1 кг (12,31% из расчета на всю композицию). Пространственно-затрудненный фенольный антиоксидант добавляется в количестве 1,5% из расчета на полиэтилен и составляет 34,3*1,5/100=0,5 кг (0,36% из расчета на всю композицию). Пигмент железоокисный составляет 4% от общей массы полиэтилена и древесной муки, (80+34,3)*4/100=4,6 кг (3,31% из расчета на всю композицию). Общее количество целевых добавок, введенных в композицию составляет 17,69%.
По достижении заданной температуры в смеситель загружают полиэтилен и целевые добавки. Температура смешивания 115°C.
Далее смесь засыпают в двухшнековый экструдер - гранулятор, температура переработки смеси от 135°C в зоне загрузки до 157°C на фильере, число оборотов шнеков 1500 об./мин., после чего в готовые гранулы вводят модифицирующую добавку в виде наноразмерных частиц сухим шаржированием в смесителе типа «пьяная бочка» при температуре 90°C, атмосферном давлении и скорости вращения камеры 57 об/мин. В качестве модифицирующей добавки применяются многослойные углеродные нанотрубки их вводят в количестве 0,139 гр., наружный диаметр которых колеблется в пределах от 20 до 70 нм, а длина составляет от 2 мкм, таким образом, получается композиция с содержанием наномодифицирующей добавки 0,0001%. Затем из модифицированных гранул изготавливают профилированное изделие методом непрерывной экструзии.
Результаты испытаний модифицированного материала и изделия из него показывают, по сравнению с немодифицированной композицией, увеличение прочностных характеристик (прочность при растяжении, прочность при изгибе) в среднем на 13,1%, увеличивается стойкость к агрессивному воздействию окружающей среды на 8,9%, определяемая с помощью экспресс анализатора разрушения под воздействием атмосферных явлений. Технический результат выражен в снижении времени протекания технологического процесса за счет применения сухого шаржирования и отсутствия операции дополнительной обработки органического наполнителя, что соответственно снижает трудоемкость и стоимость материала.
Пример второй конкретной реализации по первому варианту предложенного способа.
Загружают в импеллерную мельницу органический наполнитель, в качестве которого применяется солома, температура переработки составляет 87°C. Измельченную солому (соломенная мука) загружают в лопастной смеситель в количестве 70 кг (51,73% из расчета на всю композицию), фракции 200 мкм влажностью 10%, температура составляет 78°C, процесс нагревания проводят до достижения заданной температуры. Далее взвешивают необходимое количество полимерного связующего из расчета на соломенную муку, чтобы получить соотношение соломенная мука/полимер=60/40. Из расчета на один замес смесителя выходит 70*40/60=46,7 кг (34,51% из расчета на всю композицию) необходимо полимерного связующего, в качестве которого применяется блок-сополимер полипропилена с этиленом с показателем текучести расплава от 21 г/мин.
Затем производится расчет целевых добавок. Лубрикантом служит стеарат цинка, в количестве 1,5% от массы сополимера и составляет 46,7*1,5/100=0,7 кг (0,52% из расчета на всю композицию). Компатибилизатор в данной рецептуре - малеинизированный полипропилен 3% от массы сополимера, количество которого равняется 46,7*3/100=1,4 кг (1,03% из расчета на всю композицию). В качестве минерального наполнителя применяется микротальк размером частиц 10 мкм в количестве 10% от общего количества сополимера и соломенной муки и составляет (70+46,7)*10/100=11,7 кг (8,65% из расчета на всю композицию). Пространственно-затрудненный фенольный антиоксидант добавляется в количестве 1% из расчета на сополимер и составляет 46,7*1/100=0,5 кг (0,37% из расчета на всю композицию). В качестве пигмента применяется углерод технический канальный и составляет 2% от общей массы сополимера и соломенной муки, (70+46,7)*2/100=2,3 кг (1,7% из расчета на всю композицию). Общее количество целевых добавок, введенных в композицию составляет 12,27%.
По достижении заданной температуры в смеситель загружают полипропилен и целевые добавки. Температура смешивания 120°C.
Далее смесь засыпают в двухшнековый экструдер - гранулятор, температура переработки смеси от 164°C в зоне загрузки до 181°C на фильере, количество оборотов шнеков составляет 1300 об/мин. В готовые гранулы вводят модифицирующую добавку в виде наноразмерных частиц сухим шаржированием в смесителе типа «пьяная бочка» при температуре 107°C, давлении 0,1 МПа и скорости вращения камеры 72 об/мин. В качестве модифицирующей добавки применяются многослойные углеродные нанотрубки в количестве 2,03 кг, наружный диаметр которых колеблется в пределах от 20 до 70 нм, а длина составляет от 2 мкм и получают композицию с содержанием модифицирующей добавки 1,5%. Затем из модифицированных гранул изготавливают автомобильную деталь литьем под давлением.
Результаты испытаний образцов, изготовленных по стандартам для пластмасс, и изделий из модифицированного материала, по сравнению с немодифицированной композицией, показывают улучшение эксплуатационных характеристик (прочность на разрыв, стойкость к истиранию) в среднем на 23,2%; стойкость к агрессивному воздействию окружающей среды (стойкость к изменению цвета, расслаиванию, растрескиванию, охрупчиванию) увеличивается на 16,5%, снижение времени протекания технологического процесса за счет сухого шаржирования и отсутствия операции дополнительной обработки органического наполнителя, что соответственно снижает трудоемкость и стоимость материала.
Пример третий конкретной реализации по первому варианту предложенного способа.
В установку для сушки и измельчения органического наполнителя (импеллерная мельница) загружают органический наполнитель, в качестве которого используют древесные опилки, температура переработки составляет 96°C. Далее полученную древесную муку загружают в лабораторный лопастной смеситель в количестве 1 кг (17,36% из расчета на всю композицию), фракции 180 мкм, влажностью 4,5%. Далее взвешивают необходимое количество полимерного связующего из расчета на древесную муку, чтобы получить соотношение древесная мука/полимер=40/60, что составляет 1*60/40=1,5 кг (26,05% из расчета на всю композицию) необходимо полимерного связующего, в качестве которого применяется полипропилен и загружают в смеситель.
Затем производится расчет целевых добавок. Лубрикантом служит стеариновая кислота, в количестве 1,2% от массы полимера и составляет 1,5*1,2/100=0,018 кг (0,31% из расчета на всю композицию). Компатибилизатор в данной рецептуре - малеинизированный полипропилен 3% от массы полимера, количество которого равняется 1,5*3/100=0,045 кг (0,78% из расчета на всю композицию). В качестве минерального наполнителя применяется тальк размером частиц 5 мкм в количестве 10% от общего количества полимера и древесной муки и составляет (1+1,5)*10/100=0,25 кг (4,34% из расчета на всю композицию). Модификатор ударопрочности термопластичный вулканизат марки Santoprene в количестве 0,6% от массы полипропилена 1,5*0,6/100=0,009 кг (0,16% из расчета на всю композицию). Пространственно-затрудненный фенольный антиоксидант добавляется в количестве 0,5% из расчета на полимер и составляет 1,5*0,5/100=0,0075 кг (0,13% из расчета на всю композицию). В качестве пигмента применяется углерод технический канальный и составляет 2% от общей массы полимера и древесной муки, (1+1,5)*2/100=0,05 кг (0,87% из расчета на всю композицию). Общее количество целевых добавок, введенных в композицию составляет 6,59%. Все добавки загружают в лабораторный смеситель, перемешивают (150 об/мин) при комнатной температуре.
Далее смесь засыпают в лабораторный двухшнековый экструдер -гранулятор, температура переработки смеси от 175°C в зоне загрузки до 197°C на фильере, число оборотов шнеков 700 об./мин., после чего в готовые гранулы вводят модифицирующую добавку в виде наноразмерных частиц сухим шаржированием в смесителе типа «пьяная бочка» при температуре 77°C, атмосферном давлении и скорости вращения камеры 60 об/мин. В качестве модифицирующей добавки применяются детонационные наноалмазы, их вводят в количестве 2,88 кг, таким образом, получается композиция с содержанием наномодифицирующей добавки 50%.
Результаты испытаний модифицированного материала показывают, по сравнению с немодифицированной композицией, увеличение прочностных характеристик (прочность при разрыве) на 76,1%, увеличивается стойкость к агрессивному воздействию окружающей среды на 10,9%, определяемая с помощью экспресс анализатора разрушения под воздействием атмосферных явлений. Технический результат выражен в снижении времени протекания технологического процесса за счет применения сухого шаржирования и отсутствия операции дополнительной обработки органического наполнителя, что соответственно снижает трудоемкость и стоимость материала.
Пример первый конкретной реализации по второму варианту предложенного способа.
Загружают в импеллерную мельницу органический наполнитель, в качестве которого применяется солома, температура переработки составляет 87°C. Измельченную солому (соломенная мука) загружают в лопастной смеситель в количестве 70 кг (52,51% из расчета на всю композицию), фракции 200 мкм влажностью 10%, температура составляет 78°C, процесс нагревания проводят до достижения заданной температуры. Далее взвешивают необходимое количество полимерного связующего из расчета на соломенную муку, чтобы получить соотношение соломенная мука/полимер=60/40. Из расчета на один замес смесителя выходит 70*40/60=46,7 кг (35,03% из расчета на всю композицию) необходимо полимерного связующего, в качестве которого применяется полипропилен с показателем текучести расплава 20 г/мин.
Затем производится расчет целевых добавок. Лубрикантом служит стеарат цинка, в количестве 1,5% от массы полипропилена и составляет 46,7*1,5/100=0,7 кг (0,53% из расчета на всю композицию). Компатибилизатор в данной рецептуре - малеинизированный полипропилен 3% от массы полипропилена, количество которого равняется 46,7*3/100=1,4 кг (1,05% из расчета на всю композицию). В качестве минерального наполнителя применяется микротальк размером частиц 10 мкм в количестве 10% от общего количества полипропилена и соломенной муки и составляет (70+46,7)*10/100=11,7 кг (8,78% из расчета на всю композицию). Пространственно-затрудненный фенольный антиоксидант добавляется в количестве 1% из расчета на полипропилен и составляет 46,7*1/100=0,5 кг (0,38% из расчета на всю композицию). В качестве пигмента применяется углерод технический канальный и составляет 2% от общей массы полипропилена и соломенной муки, (70+46,7)*2/100=2,3 кг (1,73% из расчета на всю композицию). Общее количество целевых добавок, введенных в композицию составляет 12,45%.
По достижении заданной температуры в смеситель загружают полипропилен и целевые добавки. Температура смешивания 120°C.
Далее смесь засыпают в двухшнековый экструдер - гранулятор, температура переработки смеси от 160°C в зоне загрузки до 189°C на фильере, количество оборотов шнеков составляет 1300 об/мин. В готовые гранулы вводят модифицирующую добавку в виде наноразмерных частиц сухим шаржированием в смесителе типа «пьяная бочка» при температуре 107°C, давлении 0,1 МПа и скорости вращения камеры 72 об/мин. В качестве модифицирующей добавки применяются многослойные углеродные нанотрубки в количестве 3,46 гр. (что составляет 0,0026% из расчета на всю композицию), наружный диаметр которых колеблется в пределах от 20 до 70 нм, а длина составляет от 2 мкм. Модифицированные гранулы вводят в полученную по вышеприведенной рецептуре новую смесь в количестве 133,3 кг на стадии компаундирования с помощью дозатора и получают готовые гранулы с концентрацией наномодифицирующей добавки 0,0013%, из которых изготавливают изделие литьем под давлением.
Результаты испытаний образцов, изготовленных по стандартам для пластмасс, и изделий из модифицированного материала, по сравнению с немодифицированной композицией, показывают улучшение эксплуатационных характеристик (прочность на разрыв, устойчивость к истиранию) в среднем на 11,2%; стойкость к агрессивному воздействию окружающей среды (стойкость к изменению цвета, расслаиванию, растрескиванию, охрупчиванию) увеличивается на 6,5%, снижение времени протекания технологического процесса за счет сухого шаржирования и отсутствия операции дополнительной обработки органического наполнителя, что соответственно снижает трудоемкость и стоимость материала.
Пример второй конкретной реализации по второму варианту предложенного способа.
В импеллерную мельницу загружают органический наполнитель в виде древесных опилок, температура переработки составляет 96°C.
Полученную древесную муку загружают в лопастной смеситель в количестве 90 кг (36,41% из расчета на всю композицию), фракции 180 мкм, влажностью 6%, температура нагрева составляет 70°C, процесс проводят до достижения заданной температуры. Далее взвешивают необходимое количество полимерного связующего из расчета на древесную муку, чтобы получить соотношение древесная мука/полимер=85/15. Из расчета на один замес смесителя выходит 90*15/85=15,9 кг (6,43% из расчета на всю композицию) необходимо полимерного связующего, в качестве которого применяется полипропилен с показателем текучести расплава от 20 г/мин.
Затем производится расчет целевых добавок. Внешней смазкой служит воск парафиновый, в количестве 2% от общей массы древесной муки полипропилена и составляет 105,9*2/100=2,1 кг (0,85% из расчета на всю композицию), а внутренней смазкой - этилен бис стеарамид (EBS) в количестве 5% от массы полипропилена и составляет 15,9*5/100=0,8 кг (0,32% из расчета на всю композицию). Компатибилизатор в данной рецептуре - малеинизированный полипропилен 5% от массы полипропилена, количество которого равняется 15,9*5/100=0,8 кг (0,32% из расчета на всю композицию). В качестве минерального наполнителя применяется тальк размером частиц 5 мкм в количестве 8% от общего количества полипропилена и древесной муки и составляет (90+15,9)*8/100=8,4 кг (3,44% из расчета на всю композицию). Пространственно-затрудненный фенольный антиоксидант добавляется в количестве 1,5% из расчета на полипропилен и составляет 15,9*1,5/100=0,2 кг (0,08% из расчета на всю композицию). Пигмент железоокисный черный составляет 5% от общей массы полипропилена и древесной муки, (90+15,9)*5/100=5,3 кг (2,14% из расчета на всю композицию). Общее количество целевых добавок, введенных в композицию составляет 7,16%.
По достижении заданной температуры в смеситель загружают полипропилен и целевые добавки. Температура смешивания 120°C.
Далее смесь засыпают в двухшнековый экструдер - гранулятор, температура переработки смеси от 160°C в зоне загрузки до 189°C на фильере, количество оборотов шнеков составляет 1300 об/мин., гранулируют 10 кг, в которые вводят модифицирующую добавку в виде наноразмерных частиц сухим шаржированием в смесителе типа «пьяная бочка» при температуре 112°C, давлении 0,1 МПа и скорости вращения камеры 81 об/мин. В качестве модифицирующей добавки применяются наноразмерные частицы монтмориллонита в количестве 5 кг, размер частиц которого 100 нм и получают композицию с содержанием модифицирующей добавки 50%. Далее модифицированные гранулы с помощью дозатора вводят в оставшуюся немодифицированную смесь на стадии компаундирования композиции и получают готовые гранулы с концентрацией наномодифицирующей добавки 3,89%.
Данный способ также позволяет модифицировать весь объем полученного гранулированного материала с последующим введением его в немодицированную смесь, полученную по вышеприведенной рецептуре с помощью дозатора при компаундировании.
Результаты испытаний модифицированного материала показывают, по сравнению с немодифицированной композицией, увеличение прочностных характеристик (прочность на разрыв, твердость, жесткость) в среднем на 30,3%, увеличивается стойкость к агрессивному воздействию окружающей среды на 18%, определяемая с помощью экспресс анализатора разрушения под воздействием атмосферных явлений. Технический результат достигается за счет применения сухого шаржирования и отсутствия дополнительной операции обработки древесной муки. Такой способ введения наномодифцированных гранул в немодифицированные позволяет дополнительно снизить время, за счет того, что отсутствует необходимость модифицировать весь объем полученного материала, модифицируют только его небольшую часть в таком количестве, чтобы после введения модифицированных гранул в немодифицированный материал получился материал с необходимой концентрацией наноразмерных частиц.