ВЫСОКОКОЭРЦИТИВНАЯ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
HIGH-COERCITIVE METAL-POLYMER COMPOSITION AND PROCEDURE FOR ITS FABRICATION

Изобретение относится к составу и способу получения высококоэрцитивных металлополимерных композиций, используемых для изготовления композитов, которые могут быть применены в электронике, приборостроении, медицине, электротехнике, бытовой технике.
Известен состав высококоэрцитивной композиции (патент РФ №2057379 С1, 6H1/053, H01F 1/113, опубл. 1996), в соответствии с которым металлополимерная композиция состоит из полимерного связующего - синтетического дивинильного каучука, пластифицированного трансформаторным маслом, отвердителя, например хинолового эфира; не менее двух фракций высококоэрцитивного магнитного порошка, например размером 250÷300 мкм, 25÷50 мкм и 2÷5 мкм в соотношении 60÷70%, 20÷25%, 5÷10% соответственно. Оптимальной формой частиц высококоэрцитивного магнитного порошка является сферическая.
Недостаток состава рассмотренной композиции состоит в том, что используемые полимер-синтетический дивинильный каучук, пластифицированный трансформаторным маслом, и отвердитель - хиноловый эфир при смешивании их с высококоэрцитивным магнитным порошком и последующей иммобилизации смеси в волокнистую основу не позволяют обеспечить возникновение физико-химических связей в системе: полимерные связующие - высококоэрцитивный порошок - волокнистая основа.
6
Известен способ получения магнитной полимерной композиции, используемой для формирования полимерных магнитов (патент РФ №2057379С1, Н1/053, H01F 1/113, опубл. 1996), в соответствии с которым полимерное связующее - дивинильный каучук, пластифицированный трансформаторным маслом, загружают в вакуумный обогреватель-смеситель, нагревают до 80°С и в ходе постоянного перемешивания постепенно загружают смесь порошков сплава неодим - железо - бор и феррита стронция, создают в смесителе вакуум 0,6÷3 кПа и продолжают перемешивать смесь в течение 20÷30 минут, увеличивают давление в смесителе до атмосферного и загружают отвердитель, например хиноловый эфир, вновь вакуумируют рабочее пространство смесителя и продолжают перемешивание в течение 30÷45 минут. Для повышения текучести полученной композиции может быть использовано воздействие на композицию ультразвука частотой 20÷45 кГц в течение не менее 30 с.
Недостатками рассмотренного способа получения высококоэрцитивной металлополимерной композиции являются его сложность и высокозатратность. При реализации этого способа необходимо неоднократное создание вакуума, а также использование ультразвукового диспергирования.
Наиболее близкой по составу является магнитная полимерная композиция, состоящая из, масс.%: высококоэрцитивного магнитного порошка - 93÷95,5, касторового масла - 0,1÷0,3, диактилталата или дибутилфталата - 0,5÷1,3, слоистого алюмосиликата - 0,15÷0,3, полипропилена - остальное (патент РФ №2129742 C1, H01F 1/113, опубл. 1999, прототип).
Недостатки состава рассматриваемой композиции следующие: слоистый алюмосиликат и касторовое масло, вводимые в композицию, не обеспечивают возникновение физико-химических взаимодействий в системе: полимерное связующее-высококоэрцитивный порошок-волокнистая основа; формование магнитов из предложенной композиции необходимо осуществлять при температуре свыше 200°С, которая превышает максимальную рабочую температуру как большинства сплавов "неодим -железо - бор", используемых в качестве магнитного порошка, так и температуру стеклования волокнистых материалов.
Наиболее близким способом получения высококоэрцитивной металлополимерной композиции, в соответствии с которым вначале активируют полипропилен в лопастном смесителе при 1000÷1100 оборотов в минуту в течение 20-30 минут; смешивают магнитный порошок с касторовым маслом и даиктилфталатом или дибутилфталатом, а затем с трибоактивированным порошком полипропилена, после чего в полученную смесь вводят алюмосиликат в расплаве полипропилена и все перемешивают (патент РФ №2129742 C1, HO1F 1/113, опубл. 1999 (прототип)). Из данной композиции формируют магниты при температуре 210-220°С, что позволяет обеспечить необходимую ее текучесть и смачивание порошка редкоземельного сплава "неодим - железо - бор" расплавом термопласта.
Недостаток способа состоит в том, что при температуре свыше 200°С повышается не только текучесть смеси, но и активируется процесс седиментации магнитных порошков, плотность которых превышает плотность используемого полипропилена примерно в восемь раз. Процесс седиментации обуславливает неоднородность композиции, а в последующем - и свойств полимерных магнитов.
Технический результат, обусловленный данным изобретением, состоит в обеспечении однородности и возникновения физико-химических взаимодействий между компонентами высококоэрцитивной металлополимерной композиции, а также повышении магнитных и прочностных свойств композитов, получаемых из этой композиции с использованием волокнистой основы.
Указанный технический результат достигается тем, что высококоэрцитивная металлополимерная композиция, содержащая высококоэрцитивный порошок и полимерные компоненты, согласно изобретению, дополнительно содержит дисперсию акрилатного латекса, раствор эмульгатора Е-30 (10%-ный), раствор аммиака (25%-ный), глицерин, высококоэрцитивный порошок, акриловый загуститель, массовые части:
- дисперсию акрилатного латекса
(60% дистиллированной воды,
36,7% бутилакрилата,
1,5% акрйлонитрила,
1,8% метакриловой кислоты)
95÷105 частей;
- раствор эмульгатора Е-30(10%-ный)
1,5÷2 части;
- раствор аммиака (25%-ный)
1,5÷2 части;
- глицерин
12÷15 частей;
- высококоэрцитивный порошок,
например феррит стронция
200÷450 частей;
- акриловый загуститель
6÷7 частей
-1
-1
В способе получения высококоэрцитивной полимерной композиции, заключающемся в подготовке высококоэрцитивного порошка перед смешиванием с полимерными компонентами, смешивании компонентов лопастным смесителем, согласно изобретению, вначале в лопастный смеситель вводят водную дисперсию акрилатного латекса, затем раствор эмульгатора, раствор аммиака, пасту, состоящую из однородной смеси глицерина и высококоэрцитивного порошка, например феррита стронция в виде частиц размером от 20 нм до 10 мкм, которые по размерам распределены в соответствии с нормальным законом распределения, после чего перемешивают смесь в течение 7÷8 минут вращающимся с угловой скоростью 5÷7 с лопастным валом, затем смесь нагревают до 50°÷60° С, загружают загуститель и вновь смесь перемешивают в течение 10÷15 минут до получения вязкости композиции, равной 25÷30 Па·с.
4
3
8
3
Используемые в композиции компоненты были изготовлены в промышленных условиях: дисперсия акрилатного латекса, ТУ №221636-002-00210234-97, аммиак NHCl, ГОСТ 376079, глицерин СНО, ГОСТ 6259 -78, эмульгатор Е30, ТУ №38103578-85, загуститель, ТУ №221636-002-00210234-97, порошок феррита стронция, ТУ №2663-003-00186743-97.
Использованные компоненты композиции в их качественном и количественном соотношениях, а также способ приготовления из них указанной выше композиции обеспечивают достижение технического результата: возникновение физико-химических взаимодействий между компонентами высококоэрцитивной полимерной композиции и получение высококоэрцитивных композитов с повышенными значениями магнитных и прочностных свойств при введении этой композиции в волокнистую основу.
Использование водной дисперсии акрилатного латекса обусловлено тем, что данный латекс позволяет обеспечить прочное и в то же время эластичное сопряжение как с металлическим порошком, так и с волокнистой основой, содержащей как натуральные, так и химические волокна - это с одной стороны, а с другой - водные дисперсии акриловых латексов и технологичны, и, что очень важно, экологичны. Для достижения повышенных магнитных и прочностных свойств композитов необходимо введение в композицию большого количества порошка высококоэрцитивного материала - феррита стронция, т.е. получение высоконаполненной композиции (Еркова Л.Н., Чечик О.С.Латексы. Л.: Химия, - 1983; Липатов Ю.С.Физическая химия наполненных полимеров. М.: Химия, - 1997, - 304 с.).
-1
В латексных высоконаполненных композициях могут происходить такие негативные явления, как: изменение их химико-коллоидных свойств, коагуляция полимерных частиц, рост вязкости смеси, уменьшение текучести. В предлагаемой композиции концентрация наполнителя в виде порошка феррита стронция примерно в 10 раз выше по сравнению с полимером, то есть она является высоконаполненной. Это обусловило использование различных добавок, позволяющих стабилизировать композицию, обеспечить ее текучесть и смачиваемость. Адгезионные характеристики композиции повышали путем введения в латексную композицию метакриловой кислоты, стабилизацию композиции обеспечивали введением растворов эмульгатора Е-30 и аммиака. Для обеспечения однородности распределения в композиции порошка феррита стронция его предварительно смешивали с глицерином, получая однородную смесь, введение которой в композицию не сопровождается резким снижением ее вязкости. Гидрофильность глицерина, его пластифицирующее действие обеспечивают однородность распределения частиц феррита стронция в полимере. Высококоэрцитивный материал, например феррит стронция, измельчают таким образом, чтобы его частицы имели размер от 20 нм до 10 мкм для того, чтобы в наиболее полной мере заполнить поры между микрофибриллами и межфибриллярные поры внутри волокон, а также межволоконные поры, размеры которых находятся в пределах от 1 нм до 100 мкм. Распределение пор по размерам, как это следует из данных по тепломассопереносу в волокнистых материалах, соответствует нормальному распределению. Вводить в поры волокнистого материала частицы высококоэрцитивного сплава размером менее 20 нм не имеет смысла, т.к. эти частицы находятся в блокированном или суперпарамагнитном состоянии, и их коэрцитивная сила близка к нулю. Частицы размером более 10 мкм многодоменны - это, во-первых, а во-вторых - возникновение у них прочных связей с матрицей маловероятно. Изменение размеров частиц высококоэрцитивного материала от 20 нм до 10 мкм позволяет обеспечить плотную упаковку их в порах волокнистого материала. Введение загустителя на завершающем этапе получения высококоэрцитивной композиции позволяет повысить вязкость полученной однородной композиции до 25÷30 Па·с и предотвратить седиментацию частиц феррита стронция, плотность которых в несколько раз выше плотности других компонентов, входящих в состав композиции. Полученная таким образом композиция в течение месяца остается однородной, обладает необходимыми технологическими свойствами для получения высококоэрцитивного композита на волокнистой основе, она может быть использована в течение этого срока для получения высококоэрцитивного композита на волокнистой основе.
-1
-1
Для экспериментального сравнения предлагаемой высококоэрцитивной полимерной композиции с композицией, полученной в соответствии с прототипом, была изготовлена композиция следующим образом. Подготовлены компоненты: дисперсия акрилатного латекса в количестве 300 г, составляющих 100 частей, 5 г раствора эмульгатора Е-30 (10%-ный), 5,4 г (1,8 частей) 10%-ного водного раствора аммиака, 42 г (14 частей) глицерина, 1050 г (350 частей) порошка феррита стронция, измельченного таким образом, чтобы размеры его частиц были в пределах от 20 нм до 10 мкм и распределены по размерам в соответствии с законом нормального распределения, акриловый загуститель 19,5 г (6,5 частей). Вначале в лопастном смесителе была получена паста, представляющая собой однородную смесь порошка феррита стронция - 350 частей с глицерином - 14 частей. Затем в другой лопастный смеситель загружены смешиваемые компоненты в последовательности: водная дисперсия акрилатного латекса, раствор эмульгатора Е30, раствор аммиака, паста, представляющая смесь порошка феррита стронция с глицерином. Указанные компоненты смешивали в течение 7,5 минут лопастным смесителем при угловой скорости вращения лопастного вала 6,5 с. Затем смесь в смесителе нагрели до 55° С и загрузили в смеситель загуститель. После этого смесь вновь перемешивали в течение 12,5 минут. Вязкость полученной смеси составила 26,85 Па·с.
Результаты испытания полученной высококоэрцитивной композиции в соответствии с предлагаемым изобретением и прототипом, а также высококоэрцитивного композита на волокнистой основе с использованием разработанной композиции приведены в таблице. Характеристики материала композиции определяли на лентах толщиной 0,25 мм; адгезию материала композиции оценивали величиной силы, необходимой для отделения пленки, нанесенной на хлопчатобумажную ткань. Для оценки влияния композиции на свойства получаемого композита были определены характеристики используемой в качестве основы хлопчатобумажной ткани. Образцы в виде ленты из магнитных композиций получали путем нанесения композиции с помощью ракли на подготовленную пассивированную алюминиевую поверхность. Подготовка поверхности заключалась в ее шлифовке и полировке, позволяющих устранить шероховатости до нанометрового размера - 50 нм. Размер шероховатостей контролировали на профилометре модели 130 с точностью 0,05 мкм. Для получения сопоставимых характеристик полимерных композиций, предложенных в прототипе и в данной заявке, в качестве наполнителя использовали феррит стронция как при изготовлении предлагаемой композиции, так и композиции по прототипу. Образцы высококоэрцитивного композита в виде лент получали на хлопчатобумажной основе путем иммобилизации композиции толщиной 0,25 мм в хлопчатобумажную ткань.
Как видно из представленных в таблице результатов, прочность образцов ткани с нанесенной на ее поверхность разработанной композиции существенно выше прочности исходной ткани и материала композиции. Из этого следует, что между разработанной композицией и тканью возникают прочные физико-химические связи. Наряду с повышенной прочностью разработанной композиции в сравнении с прототипом, характерна повышенная в 3 раза деформация перед разрушением. Повышенные релаксационно-деформационные способности предлагаемой композиции обеспечивают ее эластичность и сопротивляемость хрупкому разрушению. Низкое значение сил сцепления композиции с хлопчатобумажной тканью - 189 Н/м, как следует из приведенного анализа поверхности ткани после отделения затвердевшего материала композиции, обусловлено фрагментарностью взаимодействия материала композиции с материалом ткани. Отсюда следует: материалы ткани и композиции взаимодействуют между собой, но для реализации их взаимодействия по всей поверхности компактирования необходима подготовка материала ткани.
Как видно из таблицы, разработанной высококоэрцитивной композиции и способу ее получения характерны повышенные значения коэрцитивной силы и максимальные значения энергетического произведения, что, видимо, обусловлено анизотропностью расположения частиц высококоэрцитивного материала в волокнистой основе.
Были также получены следующие композиты, в которых использованы композиции с граничными значениями содержания компонентов в ней. Характеристики прочностных и магнитных свойств этих композитов превосходят соответствующие характеристики композиций, полученных в соответствии с прототипом, в 1,5-2 раза.
Таблица.
№ п/п
ХАРАКТЕРИСТИКИ*
ВИД МАТЕРИАЛА
Материал высококоэрцитивной композиции толщиной 0,25 мм
Хлопчатобумажная ткань с иммобилизованной высококоэрцитивной композицией по заявляемому изобретению толщиной 0,25 мм по всей поверхности ткани
Хлопчатобумажная ткань**
Прототип
1.
Разрывная нагрузка на растяжение (полоска 25 мм),Н
298
446
395/316
182
2.
Относительная деформация, %
12
6/11
8/14
4
3.
Усилие отделения слоя композиции от ткани, Н/м
-
189
-
61
4.
Модуль деформирования, ГПа
28
25
19
21
5.
Коэрцитивная сила, кА/м
68
61
-
56
6.
Максимальное энергетическое произведение (ВН)<sub>mах</sub>, кДж/м<sup>3</sup>
14,8
16,2
-
12,8
* Средние значения по данным испытания 10 образцов.** Числитель - характеристики по основе, знаменатель - по утку.