ГРАНУЛЫ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА С УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБОЛОЧКОЙ И СПОСОБ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
FOAM POLYSTYRENE PELLETS WITH REINFORCING SHELL AND METHOD OF THEIR PRODUCTION

Изобретение относится к литейно-металлургическому производству, в частности к получению пористых литых заготовок (отливок, слитков) из металлов и сплавов с невысокой температурой плавления и легкоплавких металлов и сплавов, используемых для изготовления деталей в машиностроении и других областях промышленности.
Известны подвспененные гранулы пенополистирола, полученные предварительным вспениванием с помощью тепловой обработки гранул полистирола (бисерного) теплоносителями - горячей водой, водяным паром или горячим воздухом при температуре 95-110°С. При этом подвспененные (подвспученные) гранулы пенополистирола сохраняют вспучивающую способность (потенцию), необходимую при изготовлении из них пенополистироловых (пенопластовых) изделий, форма которых соответствует конфигурациям пресс-форм. Высушенная подвспененная гранула пенополистирола состоит из поверхностной пленки, внутри которой расположены ячейки, наполненные изопентаном и воздухом. Рабочая температура пенополистирола 60-70°С (Павлов В.А. Пенополистирол. - М.: «Химия». - 1973. - 240 с.; с.41 - 46, с.56 - 59).
Гранулы пенополистирола (гранулированный пенополистирол) широко применяются для литья по газифицируемым моделям (ЛГМ). При тепловом воздействии происходит термодеструкция (размягчение - 80 - 110°С, переход в жидкоподвижное состояние - 164°С, образование летучих веществ - 350 - 420°С, интенсивное газовыделение - 561°С, горение - при более высоких температурах) пенополистирола (Литье по пенополистироловым моделям. Озеров В.А., Шуляк В.С., Плотников Г.А. - М.: Машиностроение - 1969. - 183 с.; с.59 - 62).
Недостатком гранул, пенополистирола является невозможность использования их в качестве порообразователя для получения пористых (пенометаллических) заготовок (отливок, слитков), так как гранулы не имеют внешних оболочек, выполняющих упрочняющую (защитную) функцию предотвращения их от преждевременного разрушения и разложения (термодеструкции) при контактном взаимодействии с металлическим расплавом.
Наиболее близкими к предлагаемым по технической сущности являются гранулы, покрытые наружной функциональной оболочкой из полимерной композиции с добавлением различных функциональных добавок, включающих огнеупорные составы, гидрофобные материалы, антибактериальные агенты, красители, ароматизаторы и т.д., благодаря которым сохраняются свойства, присущие гранулам пенополистирола: легкость, термоизоляционные свойства, герметичность и т.д. и обеспечиваются дополнительные свойства за счет функциональных добавок: огнеупорность, ароматичность, несмачиваемость и т.д. (Евразийский патент №008604, п.п. 1, 4, МПК C08J 9/16; опубл. 29.06.2007, Бюл. №3 - прототип).
Недостатками данных гранул являются покрытие их полимерной композицией, которая подвержена термодеструкции при контактном взаимодействии с расплавленным металлом, в числе функциональных добавок отсутствует упрочняющая защитная добавка, гранулы с полимерным покрытием нельзя использовать для получения пористых литых заготовок.
пл
пл
пл
пл
Техническим результатом заявляемых гранул пенополистирола с упрочняющей оболочкой является создание гранул, покрытых внешней оболочкой, выполняющей упрочняющую (защитную) функцию от преждевременного (раннего, спонтанного) разрушения и разложения (термодеструкции) пенополистирола динамическими и тепловыми нагрузками, возникающими при контактном взаимодействии с металлическим расплавом, что позволит использовать их в качестве порообразователя для получения качественных пористых заготовок из металлов и сплавов с невысокой температурой плавления и легкоплавких металлов и сплавов: алюминия (t=660°C), магния (t=651°C), цинка (t=419°C), свинца (t=327°C) и их сплавов (термины «металлы с невысокой температурой плавления (Al, Mg, Zn, Pb)» и «легкоплавкие металлы (Zn, Pb и др.)» и температуры их плавления заимствованы из источника - Производство отливок из сплавов цветных металлов. Курдюмов А.В., Пикунов М.В., Чурсин В.М., Бибиков Е.Л.: учебник для вузов. - М.: Металлургия, 1986. - 416 с. Страницы: 100, 101, 159, 308, 315, 319.
Указанный технический результат достигается тем, что в гранулах пенополистирола с упрочняющей оболочкой, состоящих из поверхностной пленки, содержащей внутри ячейки, наполненные изопентаном и воздухом, покрытые внешней функциональной оболочкой с функциональными добавками, внешняя упрочняющая оболочка выполнена слоистой, содержащей один, или два, или три слоя, при этом каждый слой содержит связующее с функциональными добавками, где связующее содержит, мас. %: жидкое стекло - 50, вода - 49, поверхностно-активное вещество - 1, и добавку дисперсного металлического порошка, выбранного из алюминиевого, магниевого, цинкового и свинцового порошка, или порошка огнеупорного материала, выбранного из глинозема, магнезита и порошка кремнезема, с размерами частиц не более 100 мкм.
В качестве поверхностно-активного вещества (ПАВ) берут жидкое мыло «Фэйри» (производство ООО «Проктер энд Гэмбл-Новомосковск»; 301650, г. Новомосковск Тульской обл., Комсомольское шоссе 64, Россия. ТУ/ТШ 2383-075-00204300; для продаж на территории РФ).
Также в качестве ПАВ может быть использована эмульсия состава, мас. %: тальк - 2,5, хозяйственное мыло - 2,5, вода - 95 (Шуляк B.C. «Литье по газифицируемым моделям». - СПб.: НПО «Профессионал», 2007. - С. 54-56. Павлов В.А. «Пенополистирол». - М: Химия, 1973. - С. 72-73).
Известен способ изготовления гранул пенополистирола с огнестойким покрытием, заключающийся в смешивании гранул с раствором силиката натрия (жидкого стекла) и отделением гранул от раствора по средствам подачи их во взвешенном состоянии воздушным потоком на колеблющийся экран с последующей вибрацией на решетке (А.С. №465229 СССР. МПК В07b 7/04, С04b 31/44; опубл. 30.03.75, Бюл. №12 - прототип).
Недостатками данного способа являются следующие: покрытие гранул пенополистирола не содержит функциональных добавок металлических и огнеупорных порошков, предохраняющих пенополистирол от преждевременного разложения (термодеструкции), такие гранулы нельзя использовать при получении пористых отливок пропиткой металлическим расплавом в условиях вакуума.
Предлагаемыми гранулами пенополистирола с упрочняющей оболочкой, так же как и способом их изготовления, решается задача получения пористых заготовок из металлов и сплавов с невысокой температурой плавления и легкоплавких металлов и сплавов в литейно-металлургическом производстве вакуумной пропиткой и применения их в машиностроении и других отраслях промышленности.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления гранул пенополистирола с упрочняющей оболочкой, включающем нанесение на гранулы функционального покрытия, с последующей сушкой подогретым воздухом, покрытие формируют в виде слоистой оболочки, содержащей один, или два, или три слоя, при этом каждый слой содержит связующее с функциональными добавками, где связующее содержит, мас. %: жидкое стекло - 50, вода - 49, поверхностно-активное вещество - 1, и добавку дисперсного металлического порошка, выбранного из алюминиевого, магниевого, цинкового и свинцового порошка, или порошка огнеупорного материала, выбранного из глинозема, магнезита и порошка кремнезема, с размерами частиц не более 100 мкм, нанесением на гранулы связующего с добавкой поверхностно-активного вещества пульверизацией и дисперсного металлического порошка или порошка огнеупорного материала обсыпкой с ворошением на сетчатом виброподдоне, с последующей сушкой в потоке подогретого до 70°C воздуха в течение 10 мин, а затем охлаждения для скрепления частиц порошка между собой и получения упрочняющей оболочки.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображено строение гранулы пенополистирола (в разрезе).
На фиг. 2 изображен слой упрочняющей оболочки (вырыв «А»), содержащий связующее с поверхностно-активным веществом (ПАВ) и добавку дисперсного металлического порошка (увеличено).
На фиг. 3 изображен слой упрочняющей оболочки (вырыв «Б»), содержащий связующее с ПАВ и добавку дисперсного порошка огнеупорного материала (увеличено).
На фиг. 4 изображена гранула пенополистирола с упрочняющей однослойной оболочкой, содержащей в слое связующее с ПАВ и добавку дисперсного металлического порошка (в разрезе).
На фиг. 5 изображена гранула пенополистирола с упрочняющей двухслойной оболочкой, содержащей в каждом слое связующее с ПАВ и добавку дисперсного металлического порошка (в разрезе).
На фиг. 6 изображена гранула пенополистирола с упрочняющей трехслойной оболочкой, содержащей в каждом слое связующее с ПАВ и добавку дисперсного металлического порошка (в разрезе).
На фиг. 7 изображена гранула пенополистирола с упрочняющей однослойной оболочкой, содержащей связующее с ПАВ и добавку дисперсного порошка огнеупорного материала (в разрезе).
На фиг. 8 изображена гранула пенополистирола с упрочняющей двухслойной оболочкой, содержащей в каждом слое связующее с ПАВ и добавку дисперсного порошка огнеупорного материала (в разрезе).
На фиг. 9 изображена гранула пенополистирола с упрочняющей трехслойной оболочкой, содержащей в каждом слое связующее с ПАВ и добавку дисперсного порошка огнеупорного материала (в разрезе).
На фиг. 10 изображены гранулы пенополистирола: а - диаметром 2-4 мм, без упрочняющей оболочки; б - диаметром 4-6 мм, без упрочняющей оболочки; в - с упрочняющей оболочкой, содержащей жидко-стекольное связующее с ПАВ и добавку порошка алюминия; г - то же, что и в, но с добавкой порошка глинозема; д - то же, что и в, но с добавкой порошка кремнезема.
На фиг. 11 представлен фотоснимок полученных пористых заготовок из алюминия с использованием в качестве порообразователя гранул пенополистирола с упрочняющей оболочкой: е, з, и - вид спереди, ж -вид в поперечном разрезе.
На фиг. 12 представлен фотоснимок полученных пористых заготовок из цинка (к) и свинца (л) с использованием в качестве порообразователя гранул пенополистирола с упрочняющей оболочкой (виды спереди).
Поскольку техническим результатом предлагаемых гранул пенополистирола является не только создание гранул с внешней функциональной упрочняющей слоистой оболочкой, но и обеспечение возможности использования их в качестве наполнителя (порообразователя) в виде засыпки гранул в литейной форме при получении пористых заготовок (отливок, слитков) вакуумной пропиткой из металлов и сплавов с невысокой температурой плавления, например алюминия или магния с температурой плавления соответственно 660°C и 651°C и температурой перегрева (для обоих) 750-800°C, и легкоплавких металлов и сплавов, например цинка и свинца с температурой плавления соответственно 419°C и 327°C и температурой перегрева соответственно 500-550°C и 400-450°C.
Упрочняющая (защитная) функция слоистой оболочки заключается в ее сопротивляемости разрушению и разложению (термодеструкции) пенополистирола от динамического и теплового (температурного) воздействия со стороны металлического расплава, имеющего различную температуру (перегрева) заливки в зависимости от вида металла или сплава получаемой пористой заготовки вакуумной пропиткой.
На прочностные, теплофизические (теплоизоляционные) характеристики слоистой оболочки, температурно-временной фактор формирования пористого строения заготовки влияют не только свойства связующего и порошковых материалов, но и количество слоев в оболочке (ее суммарная толщина).
С учетом влияния количества слоев в оболочке, свойств используемых порошковых материалов, температуры заливки (перегрева) металлов (и сплавов) получаемых пористых заготовок слоистую оболочку выполняют однослойной, двухслойной или трехслойной.
Гранулы пенополистирола с внешней упрочняющей (функциональной) однослойной оболочкой состоят из поверхностной пленки 1, внутри которой расположены ячейки 2 (фиг. 1), наполненные изопентаном и воздухом. Снаружи гранулы покрыты одним слоем связующего 3 состава, мас. %: жидкое стекло - 50, вода - 49 и ПАВ - 1 в виде жидкого мыла «Фэйри» или эмульсии состава, мас. %: тальк - 2,5, хозяйственное мыло -2,5, вода - 95, нанесенной пульверизацией, и дисперсным металлическим порошком 4 (фиг. 2 и фиг. 4) или дисперсным порошком огнеупорного материала 5 (фиг. 3 и фиг. 5), нанесенными обсыпкой с ворошением, прошедшими сушку и охлаждение.
Гранулы пенополистирола с внешней двухслойной оболочкой покрыты двумя слоями, каждый слой в которой (в оболочке) выполнен аналогично слою гранул пенополистирола с внешней однослойной оболочкой.
Гранулы пенополистирола с внешней трехслойной оболочкой покрыты тремя слоями, каждый слой в которой (в оболочке) выполнен аналогично слою гранул пенополистирола с внешней однослойной оболочкой.
Изготовление гранул пенополистирола с упрочняющей оболочкой предлагаемым способом осуществляется следующим образом.
При изготовлении гранул пенополистирола с внешней однослойной оболочкой на гранулах пенополистирола, состоящих из поверхностной пленки 1, содержащей внутри ячейки 2, наполненные изопентаном и воздухом, формируют один слой оболочки нанесением пульверизацией жидкостекольного связующего 3 состава, мас. %: жидкое стекло - 50, вода - 49, ПАВ - 1 в виде жидкого мыла «Фэйри» или эмульсии состава, мас. %: тальк - 2,5, хозяйственное мыло - 2,5, вода - 95, а затем обсыпкой с ворошением дисперсного металлического порошка 4 (фиг. 2 и фиг. 4) с размерами частиц не более 100 мкм, например порошка алюминия (или силумина) или дисперсного порошка огнеупорного материала 5 (фиг. 3 и фиг. 5), например глинозема. Нанесение на гранулы жидкостекольного связующего с ПАВ пульверизацией и порошковых металлических или огнеупорных материалов обсыпкой с ворошением производят на сетчатом виброподдоне. Избытки связующего и порошковых материалов удаляются через ячейки сетки виброподдона. Для отверждения, лучшего скрепления частиц порошка и получения упрочняющей оболочки (обеспечения упрочняющей функции) гранулы проходят сушку подогретым воздухом до 70°C в течение 10 мин, а затем охлаждение.
При изготовлении гранул пенополистирола с внешней двухслойной оболочкой формируют последовательно (один за другим) два слоя, аналогично слою гранул пенополистирола с внешней однослойной оболочкой, соответственно с дисперсным металлическим порошком (фиг. 5) и дисперсным порошком огнеупорного материала (фиг. 8).
При изготовлении гранул пенополистирола с внешней трехслойной оболочкой формируют последовательно три слоя, аналогично слою гранул пенополистирола с внешней однослойной оболочкой, соответственно с дисперсным металлическим порошком (фиг. 6) и дисперсным порошком огнеупорного материала (фиг. 9).
Прочностные, теплофизические характеристики и толщина упрочняющей оболочки зависят от количества нанесенных на гранулы слоев. В зависимости от температуры плавления (перегрева) металла (или сплава) получаемые пористые заготовки, гранулы пенополистирола изготавливают (формируют) с однослойной, двухслойной и трехслойной упрочняющей (защитной) оболочкой с функциональной добавкой металлических порошков (фиг.4, фиг.5 и фиг.6) или однослойной, двухслойной и трехслойной упрочняющей защитной оболочкой с функциональной добавкой порошков огнеупорных материалов (фиг.7, фиг.8 и фиг.9). Использование данных гранул в качестве наполнителя (порообразователя) позволяет получать пористые алюминиевые, цинковые, свинцовые (и др.) заготовки вакуумной пропиткой.
Гранулы пенополистирола, функциональные оболочки которых выполнены с добавкой дисперсных металлических порошков - алюминия, магния, цинка, свинца отличаются тем, что в большей степени соответствуют тем металлам (или сплавам), из которых изготавливают пористые заготовки пропиткой.
2
3
2
Гранулы пенополистирола, функциональные оболочки которых выполнены с добавкой дисперсных порошков огнеупорных материалов: глинозема AlO (глины), магнезита MgO, кремнезема SiO (маршалита), отличаются тем, что расширяют выбор материалов добавок в зависимости от их функции, наличия материальных затрат и возможности изготовления производителем пористых литых заготовок пропиткой.
Проводили эксперименты по получению пористых заготовок из различных металлов и сплавов с различным количеством слоев, выполненных из различных материалов, во внешних слоистых оболочках гранул пенополистирола. Результаты испытаний приведены в таблице.
Варьирование размерами гранул пенополистирола позволяет регулировать размеры пор в заготовках, получаемых вакуумной пропиткой (мельче гранулы - мелкие поры, крупные гранулы - крупнее поры). Например, в экспериментальной заготовке (фиг.11, з) поры мелкие, использовали гранулы диаметром 2-4 мм (фиг.10, а), а в заготовке (фиг.11, и) - крупные, использовали гранулы диаметром 4-6 мм (фиг.10, б).
Таблица
Влияние количества слоев в упрочняющей слоистой оболочке на внутреннее строение образцов пористых заготовок, полученных из различных металлов (сплавов)
Объект исследования
Материал образца пористой заготовки
Температура заливки (перегрева),°С
Компоненты слоя
Количество слоев в слоистой оболочке
Состояние внутреннего строения пористой заготовки (в разрезе)
Состояние оболочки
Связующее (состав, %)
Дисперсные порошки, н.б. 100 мкм
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Алюминий, его сплавы
750-800
Алюминиевый
Однослойная
-
-
Пор нет
Обломки
Двухслойная
Единичные поры, участки пор
Обломки
-
-
Трехслойная
Пористое
Единичные обломки
Цинк, его сплавы
500-550
Цинковый
Однослойная
-
-
Участки пор
Обломки
-
Двухслойная
-
Пористое
Единичные обломки
Гранулы пенополистирола
Свинец, его сплавы
400-450
Свинцовый
Однослойная
Пористое
Единичные обломки
Жидкое стекло -50, вода -49. ПАВ-1
Образец пористой заготовка
Алюминий, его сплавы
750-800
Глиноземистый, или магнезитовый, или
Однослойная
Пор нет
Единичные обломки
Продолжение таблицы
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
кремнеземистый
Двухслойная
Единичные поры, участки пор
Обломки
-
-
Трехслойная
Пористое
Единичные обломки
Цинк, его сплавы
500-550
Глиноземистый, или магнезитовый, или кремнеземистый
Однослойная
-
-
Участки пор
Обломки
Двухслойная
Пористое
Единичные обломки
Свинец, его сплавы
400-450
Глиноземистый, или магнезитовый, или кремнеземистый
Однослойная
Пористое
Единичные обломки
Получены вакуумной пропиткой пористые заготовки из алюминия (фиг.11) с использованием засыпки гранул пенополистирола с упрочняющей (трехслойной) оболочкой в качестве порообразователя в литейной форме, из цинка (фиг.12, к) с использованием гранул пенополистирола с упрочняющей (двухслойной) оболочкой и из свинца (фиг.12, л) с использованием гранул пенополистирола с упрочняющей (однослойной) оболочкой.
Проведенные эксперименты подтвердили работоспособность и технологичность гранул пенополистирола с упрочняющей оболочкой и способа их изготовления для получения пористых литых заготовок.
Таким образом, предложенные гранулы пенополистирола с упрочняющей оболочкой, изготовленные предложенным способом, могут служить наполнителем (порообразователем) при получении пористых литых заготовок вакуумной пропиткой из металлов (Al, Mg и их сплавов) с невысокой температурой плавления и легкоплавких металлов (Zn, Pb, Sn и их сплавов).