Композитный материал для производства мишеней и способ его переработки
COMPOSITE MATERIAL FOR PRODUCING TARGETS AND METHOD FOR PROCESSING THEREOF

Изобретение относится к переработке композитных материалов, а именно к поточному способу производства мишеней-тарелочек для стендовой стрельбы, и может быть использовано на предприятиях по переработке полимеров при производстве окрашенных мишеней-тарелочек из экологически безопасных материалов методом горячего прессования или литья под давлением.
Качество экологически безопасных мишеней характеризуется следующими показателями: радиальная прочность, разбиваемость металлическим шариком, содержание полиароматических углеводородов (ПАУ). Масса мишени не должна превышать 105±7 г при размерах мишени соответствующих типу «Стандартная» по актуальным межгосударственным стандартам ЕАЭС.
Технологичность производства экологически безопасных мишеней оценивается по следующим показателям: количество перерабатываемых компонентов, текучесть композита, термопластичность композита.
Экологическая безопасность мишеней согласно актуальным межгосударственным стандартам ЕАЭС и требованиям Международной федерации стрелкового спорта (МФСС) оценивается по содержанию ПАУ, их содержание не должно превышать значения, которые приведены в таблице 1.
Известен способ производства экологичных мишеней для стендовой стрельбы, описанный в патенте US 4124550 (от 20 июня 1975, Nippon Oil Co., Ltd), где предлагается использовать в качестве связующего комбинации экологически безопасных высоко- и низкомолекулярных нефтеполимерных смол различного фракционного состава с температурой размягчения от 60 до 80°С. В качестве наполнителей используются минеральные неорганические вещества мелкого помола.
Способ позволяет производить экологически безопасные мишени методом литья под давлением или горячего прессования из четырехкомпонентного композита.
Недостатком данного способа является использование нефтеполимерных смол с относительно низкой температурой начала размягчения, что неизбежно приведет к деформации мишеней под действием прямых солнечных лучей и разогреве до 60°С.
Другим недостатком данного способа является использование комбинированного связующего, состоящего из низкомолекулярных и высокомолекулярных смол, что требует дополнительной технологической операции смешения для изготовления такого связующего.
Известен способ производства экологичных мишеней для стендовой стрельбы, описанный в патенте US 6602337 В1 (от 9 августа 2001, Lawry Shooting Sports Inc), предлагающий нейтрализацию канцерогенных веществ связующего (термопластичные смолы) на стадии производства мишеней, либо использование экологически безопасного термопластичного связующего. В качестве наполнителя предполагается использование мела и известняка. Композитная смесь готовится в соотношении: 30-40% связующего и 60-70% наполнителя при температуре 200-260°С и формуется методом горячего прессования. Процесс производства включает в себя следующие технологические стадии: 1 - расплавление связующего, 2 - смешивание ингредиентов и нейтрализация канцерогенных веществ до предельного содержания, 3 - дозировка и формование.
Недостатком данного способа является высокий процент связующего 30-40% вследствие чего невозможно изготовить мишени с стандартных типоразмеров с массой 105±7 г без введения в композит дополнительных ингредиентов, повышающих его плотность.
Другим недостатком данного способа является высокая температура смешения ингредиентов для изготовления композита 200-260°С, которая выше температуры вспышки нефтеполимерных смол (180-200°С), что требует нестандартного технологического оборудования с повышенной взрыво-пожарозащитой.
Известен патент RU 2568116 C1 (от 11 декабря 2014, РХТУ им. Д.И. Менделеева) предлагающий использовать для производства мишеней экологичный композит, состоящий из: (1) нефтеполимерной смолы или смеси нефтеполимерных смол 17-19 мас. %, (2) нефтяного битума одного вида или смеси с температурой размягчения от 90 до 135°С 1-3 мас. %, (3) неорганического порошкового наполнителя 80 мас. % и (4) эфирного пластификатора 1 мас. % от суммы компонентов (1)-(3).
Недостатком данного композита являеются дополнительные технологические операции, которые связаны со смешением нефтеполимерных смол с нефтяным битумом.
Другим недостатком композита является зависимость качественных характеристик мишени от размера частиц минерального наполнителя.
Известен патент US 7625479 B1 (от 16 мая 1997, Reagent Chemical and Research Inc), где представлен композит содержащий 30-45% серы; от 30% до 14% наполнителя; и примерно 0,25% до 4% сульфоната лигнина от общей массы композиции.
К недостаткам данного композита является повышенный износ металлических частей оборудования в результате воздействия расплава серы и необходимость его герметизации для предотвращения попадания соединений серы в воздух рабочей зоны.
Известен патент RU 2578716 (от 20 марта 2015, РХТУ им. Д.И. Менделеева), где описана композиция для производства мишеней-тарелочек для стендовой стрельбы состоящая из: (1) омыленного талового пека с температурой размягчения 85-95°С 25 мас. %, (2) неорганического порошкового наполнителя 75 мас. % и (3) эфирного пластификатора 1 мас. % от суммы компонентов (1)-(2).
Недостатком данного композита является использование в качестве связующего водорастворимого омыленного талового пека, что делает невозможным хранение и использование мишеней в условиях повышенной влажности, а также обуславливает невозможность длительного нахождения мишеней в метательных машинках открытого типа.
Общим недостатком представленных выше технических решений является их ориентированность на экологические требования, которые представлены в устаревших стандартах, где содержание ПАУ по отдельным веществам не регламентируется. Однако для всех соревнований, связанных с профессиональным стрелковым спортом, мишени должны соответствовать требованиям международной федерации стрелкового спорта и актуальным межгосударственным стандартам ЕАЭС (таблица 1).
Задача, на осуществление которой направлено заявляемое техническое решение -создание способа производства мишеней-тарелочек для стендовой стрельбы из двух- или трехкомпонентного композита, соответствующего экологическим требованиям МФСС и актуальным межгосударственным стандартам ЕАЭС, с улучшенными технологическими и качественными характеристиками. Такой технический эффект возможен при использовании композита, состоящего из следующих ингредиентов:
1. Связующее - глицериновый или пентаэритритовый эфир канифоли с температурой размягчения 95-110°С 20-25% масс. (суммарное содержание ПАУ 0-6 мг/кг)
2. Минеральный наполнитель - молотый известняк или микромрамор, где средний размер частиц (d50%) составляет 10-60 мкм 75-80% масс.
3. Пластификатор - стеариновая кислота, или дибутилфталат, или диоктилфталат 0-1% от общей массы связующего и минерального наполнителя.
Заявляемый для решения поставленной задачи способ производства экологически безопасных мишеней методом горячего прессования осуществляется следующим образом.
Глицериновый или пентаэритритовый эфир канифоли подвергается нагреву до 160-170°С в расходном баке, при этой температуре он расплавляется и переходит в жидкое состояние.
Затем расплав эфира канифоли дозируется в смесительный бак лопастного типа, где происходит его смешивание с наполнителем и пластификатором при 170-180°С до однородной массы в соотношении 20-25% смолы, 75-80% наполнителя. С целью повышения текучести композита возможно добавление пластификатора до 1% от общей массы смешиваемых веществ. Получившаяся в результате смешивания композитная масса находится в вязкотекучем состоянии при температуре 175-185°С, что дает возможность ее транспортировки по подогреваемому трубопроводу в дозатор.
Дозированная композитная масса формуется в пресс-форме, охлаждаясь до 45-60°С в течение 10-25 секунд.
Сформованная мишень окрашивается любым способом с применением ярких водоэмульсионных красок.
3
В процессе производства мишеней из мешалки периодически отбираются образцы композитной массы для определения их плотности гидростатическим способом. Плотность композитной массы должна находиться в пределах 2,00-2,05 г/см.
Выбранные температурные режимы процесса позволяют получить высоконаполненную композитную массу в вязкотекучем состоянии на стадиях смешивания, дозирования и напряженную хрупкую мишень на стадии формования.
Способ, раскрытый в заявляемом техническом решении, имеет ряд преимуществ:
- производство мишеней-тарелочек осуществляется из экологически безопасных материалов, которые по содержанию ПАУ соответствуют требованиям актуальных межгосударственных стандартов ЕАЭС и МФСС;
- использование пластификатора позволяет повысить технологичность композиции, температурные режимы процесса позволяют регулировать технологические свойства смеси и эксплуатационные свойства мишени;
- разработанные параметры технологии производства мишеней позволяют получить мишень с минимальным разбросом эксплуатационных характеристик;
- окрашенная экологически безопасная мишень лучше видна в процессе эксплуатации;
- применение эфиров канифоли с температурой размягчения 95-110°С повышает термостабильность мишеней при воздействии прямых солнечных лучей.
Сравнительный анализ научно-технической и патентной литературы показывает отсутствие совпадения отличительных признаков заявляемого способа с признаками известных технических решений. На основе этого делается вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".
Заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения «Новизна».
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
В Основном механосборочном цехе ПАО «НЛМК» проведен опытный выпуск экологически безопасных мишеней для стендовой стрельбы и спортинга. Приготовление композиции осуществлялось при температуре 180°С в три стадии.
1. Из расходного бака в смесительный бак производилась загрузка предварительно разогретой до 160-170°С глицеринового эфира канифоли с температурой размягчения 100°С в количестве 250 кг. В смесительном баке он нагревался до 180°С, и включалось перемешивание.
2. В перемешивающийся глицериновый эфир канифоли порционно вносился наполнитель со средним размером частиц 10-18 мкм в количестве 800 кг.
3. Композиция гомогенизировалась в течение двух часов.
3
Получившаяся композиция была достаточно текуча для транспортировки по прогретому до 185°С трубопроводу. Содержание связующего в композиции составило 23,8%, средняя плотность 2,0 г/см. При открытии запорного клапана готовая композиция из смесительного бака по сообщающему трубопроводу перетекла в расходный бак (180°С), откуда по подогреваемому трубопроводу (185°С) перекачивалась шестеренчатым насосом в дозатор. Из дозатора необходимая масса композиции впрыскивалась в матрицу пресс-формы и прижималась пуансоном. Формование готовой мишени длилось около 10-20 секунд, за это время мишень успевала охладиться до 50-55°С.
Сформованная мишень выталкивалась из пресс-формы на ленточный конвейер и транспортировалась в камеру окрашивания.
Получившиеся мишени типа «Стандартная» были правильной формы и равномерно окрашены, их вес колебался от 102 до 110 г. Суммарное содержание ПАУ в мишени составило 0-1 мг/кг
Пример 2
В Основном механосборочном цехе ПАО «НЛМК» проведен опытный выпуск экологически безопасных мишеней для стендовой стрельбы и спортинга. Приготовление композиции осуществлялось при температуре 180°С в три стадии.
1. Из расходного бака в смесительный бак производилась загрузка предварительно разогретого до 160-170°С пентаэритритового эфира канифоли с температурой размягчения 100°С в количестве 250 кг. В смесительном баке он нагревался до 180°С, и включалось перемешивание.
2. В перемешивающийся пентаэритритовый эфир канифоли была введена стеариновая кислота в количестве 10 кг, а затем порционно вводился минеральный наполнитель со средним размером частиц 20-35 мкм в количестве 800 кг.
3. Композиция гомогенизировалась в течение двух часов.
3
Получившаяся композиция была достаточно текуча для транспортировки по прогретому до 180°С трубопроводу. Содержание связующего в композиции составило 23,8%, средняя плотность 2,0 г/см.
При открытии запорного клапана готовая композиция из смесительного бака по сообщающему трубопроводу перетекла в расходный бак (180°С), откуда по подогреваемому трубопроводу (180°С) перекачивалась шестеренчатым насосом в дозатор. Из дозатора необходимая масса композиции впрыскивалась в матрицу пресс-формы и прижималась пуансоном. Формование готовой мишени длилось около 10-20 секунд, за это время мишень успевала охладиться до 50-55°С.
Сформованная мишень выталкивалась из пресс-формы на ленточный конвейер и транспортировалась в камеру окрашивания.
Получившиеся мишени типа «Стандартная» были правильной формы и равномерно окрашены, их вес колебался от 102 до 110 г. Суммарное содержание ПАУ в мишени составило 0-2 мг/кг
Так как проведенные испытания предлагаемого решения продемонстрировали высокие показатели, следовательно, данное техническое решение соответствует критерию изобретения «Промышленная применимость».
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что задача, на решение которой направлен заявляемый способ, выполняется, при этом достигается получение вышеупомянутого технического результата.