Цель и задачи работы, объекты исследования

Введение

 

В настоящее время рынок потребления высоконаполненных композиционных магнитотвёрдых материалов, к которым относятся так называемые магнитопласты, является одним из самых динамичных в промышленно развитых странах мира (рост 12,5% в год). Согласно результатам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ магнитопласты (МП) по своей энергоёмкости почти вплотную приблизились к металлокерамическим магнитам, а за счёт своей высокой технологичности стали более эффективными. Это обусловлено относительно простой технологией готовых изделий из магнитопластов в сравнении со спеченными материалами, что связано, прежде всего, с отсутствием в процессе изготовления таких дорогих и сложных операций, как спекание, длительная термическая обработка, шлифование с удалением значительного количества материала.

Отлитые под давлением заготовки из магнитопластов выпускаются с малыми допусками и, как правило, не нуждаются в доводочных операциях.

Магнитопласты используют в шаговых двигателях принтеров и факсимильных аппаратов, офисной электроники, аудио- и видеооборудовании, в особо компактных двигателях постоянного тока мощностью до 1 кВт.

В России промышленное производство высоконаполненных магнитотвердых материалов практически отсутствует, и в этой области страна значительно отстает от передовых промышленно развитых стран. Широкое масштабное освоение эффективной технологии магнитопластов в значительной степени сдерживается недостаточной разработанностью теоретической базы, определяющей закономерности формирования эксплуатационных и технологических свойств высоконаполненных магнитных композиционных материалов и отсутствием необходимого для реализации технологии оборудования и дешевой сырьевой базы.

В качестве связующего в магнитопластах могут быть использованы Различные реакто- и термопласты. Использование реактопластов в качестве связующих для МП оправдано только в тех случаях, когда другие полимеры не обеспечивают необходимые требования к технологии их изготовления и эксплуатации. Основной недостаток реактопластов – длительная стадия высокотемпературного отверждения. Поэтому в производстве МП наиболее широко используются полимеры, перерабатываемые высокопроизводительными методами: литьем под давлением, экструзией и прессованием.

Особый интерес представляет разработка технологии микрокапсулирования частиц наполнителя в полимерной матрице. Микрокапсулирование может быть выполнено различными способами, в частности методом осаждения полимера на поверхность наполнителя из раствора, методом полимеризационного и поликонденсационного наполнения, т.е. синтезом полимера непосредственно на поверхности наполнителя. Метод полимеризационного наполнения является наиболее перспективным по сравнению с традиционным (смешение) и методом поликонденсационного наполнения ПКМ, так как эти методы имеют ряд недостатков.

Поэтому целью дипломного проекта является разработка технологии полимеризационного наполнения ПКА дисперсными наполнителями.

Цель и задачи работы, объекты исследования

Цель: Разработка технологии полимеризационного наполнения ПКА дисперсными наполнителями.

Задачей является изучение влияния продолжительности синтеза на свойства полученного ПКА.

 

Сырьем для получения магнитопласта является:

· ε - капролактам,

· вода,

· уксусная кислота,

· фосфорная кислота

· сплав Nd-Fe-B.

Выбор данных компонентов обусловлен доступностью и низкой стоимостью сырья, а также требованиями предъявляемыми к магнитопластам.

 

Капролактам

Капролактам - ГОСТ 7850-86

NH (CH₂)₅CO

 

Таблица 1

Свойства капролактама

Показатели свойств	Значения
Внешний вид	Кристаллы белого цвета
Молекулярная масса, г/моль	113
Температура плавления, ^°С	68-70
Температура кипения, ^°С	262
Плотность, кг/м^3	1476

ε -капролактам хорошо растворим в воде (525 г в 100 г Н₂О), спирте, эфире, бензоле, плохо - в алифатических углеводородах.

Уксусная кислота

CH₃COOH

· Температура плавления, °С          16,6

· Температура кипения, °С / мм рт. ст.      118,1

· Плотность при 20 °С, г/см³                  1,0492

· Константа диссоциации в водных растворах при 25 °С  1,76·10^-5

  Уксусная кислота растворяется в воде.

 

Фосфорная кислота

Фосфорная кислота-Н₃РО₄

 

Таблица 2

Показатели свойств	Фосфорная кислота
Внешний вид	Бесцветные кристаллы
Молекулярная масса, г/моль	98
Температура плавления, ^0С	42,35
Температура кипения, ^0С	864
Плотность, кг/м^3	1,87

Вода дистиллированная

Вода дистиллированная (H₂O) – ГОСТ 6709 – 72.

 

Сплав Nd-Fe-B

В качестве магнитного наполнителя используется сплав Nd-Fe-B производимый ГУП НТЦ «ВНИИНМ имени академика А.А. Бочвара» (г.Москва). Основные характеристики сплава Nd-Fe-B приведены в табл.2.

Таблица 2. Свойства магнитных наполнителей

Характеристика	Значение свойств
Плотность, кг/м^3	7600
Остаточная магнитная индукция (Br), Тл	0,81
Коэрцитивная сила по намагниченности (Нсм), кА/м	1048
Коэрцитивная сила по индукции (Нсв), кА/м	504
Максимальное энергетическое произведение (ВН)max, кДж/м^3	101
Размер частиц, мм	0,05-0,2

 

Готовым изделием являются кольцевые магниты с наружным диаметром 6 см, внутренним диаметром 5 см и высотой 5 мм.

Магнитопласт, получаемый на основе сплава Nd-Fe-B и полиамидного связующего имеет следующие основные характеристики:

Содержание полимера, %           15-20

Содержание НМС, %           не более 2

Остаточная магнитная индукция, Тл    не менее 0,3

Коэрцитивная сила, кА/м      не менее 320-350

Прочность при межслоевом сдвиге, МПа   не менее 5

Синтез ПКА

ε-Капролактам растирают в фарфоровой ступке. В предварительно взвешенную сухую ампулу берут навеску капролактама с точностью до 0,0002 г. С помощью микропипетки вводят в ампулу расчетное количество активатора. Ампулу быстро запаивают. Затем ампулу помещают в песчаную баню с температурой 260°С для полимеризации капролактама; время полимеризации 6 часов.

 

Определение НМС

Для определения содержания НМС полученный полимер измельчают и кипятят со 100 мл воды в течение 2-х часов в круглодонной колбе с обратным холодильником для удаления мономера и низкомолекулярных примесей. Фильтруют, промывают и сушат. Выход полимера рассчитывают по формуле:

,

где m₀ – навеска полимера до кипячения, г,

m₁ – навеска полимера после кипячения, сушки, г.

Метод термогравиметрического анализа (ТГА)

 

[Рабек Я. Экспериментальные методы в химии полимеров. В 2-х.:Пер. с англ. - М.: Мир, 1983. - 480 с.].

 

Термостабильность образцов оценивали по температурному интервалу области интенсивных потерь массы методом термогравиметрического анализа на дериватографе «Паулик - Паулик - Эрдей» фирмы МОМ марки Q-1500D в соответствии с инструкцией к прибору.

Условия эксперимента:

навеска - 200 мг;

среда - воздух;

интервал нагрева - до 600°С;

скорость нагрева (V_м) - 10°С/мин.;

чувствительность - 200.

Относительная ошибка не превышает 1%.

Энергию активации термодеструкции материалов определяли методом Пилояна по кривой ДТА по формуле:

(1)

где Е - энергия активации, ккал/моль; R - универсальная газовая постоянная, кал/град*моль; D t - разность температур образца и эталона, °С;

С’ - константа.

Уравнение (1) можно представить в виде:

 ,

где 2,3 -коэффициент перевода натурального логарифма в десятичный.

Это уравнение можно представить в виде: ,

где а - угловой коэффициент, который равен тангенсу угла наклона прямой к оси абсцисс.

Графически энергию активации определяли по тангенсу угла наклона прямой, построенной в координатах lgDl = ¦(1/T*10^-3), где Dl - длина отрезка между нулевой линией и кривой ДТА.

Отсюда .

Технологическая часть

Материальные расчеты

 

Материальный баланс получения магнитов из поликапроамида.

Для получения 1 кг изделия расходуется следующее количество компонентов:

· капролактам – 0,2185 кг,

· феррит бария – 0,8234 кг,

· уксусная кислота – 0,0021 кг,

· вода – 0,021 кг.

Общая масса – 1,0461 кг.

Найдем расход каждого из компонентов на одну тонну продукта с учетом потерь:

1. Расход капролактама:

1,0461 кг – 0,2185 кг

Х ₁ = 208,87 кг

1000 кг – Х ₁ кг

С учетом 4,95% потерь: 208,87*0,0495 = 10,34 кг.

2. Расход феррита бария:

1,0461 кг – 0,8234 кг

Х ₂ = 787,11 кг

1000 кг – Х ₂ кг

С учетом 1,7% потерь: 787,11*0,017 = 13,38 кг.

3. Расход уксусной кислоты:

1,0461 кг – 0,0021 кг

Х ₃ = 20,07 кг

1000 кг – Х ₃ кг

С учетом 0,85% потерь: 20,07*0,0085 = 0,17 кг.

4. Расход воды:

1,0461 кг – 0,021 кг

Х ₄ = 20,07 кг

1000 кг – Х ₄ кг

С учетом 0,85% потерь: 20,07*0,0085 = 0,17 кг

Составляем материальный баланс:

Приход на тонну продукта:	Расход на тонну продукта:
	Магнитопласт - 1000 кг
1. Капролактам – 208,87 кг	1. Потери капролактама – 10,34 кг
2. Феррит бария – 787,11 кг	2. Потери феррита бария – 13,38 кг
3. Уксусная кислота – 20,07 кг	3. Потери уксусной кислоты – 0,17 кг
4. Вода – 20,07 кг	4. Потери воды – 0,17 кг
Итого: 1036,12 кг	Итого: 1024,06 кг

Невязка = (приход - расход)/приход*100%

 = (1036,12 – 1024,06)/1036,12*100% = 1,16%

Заключение

Для уменьшения продолжительности процесса синтеза ПКА целесообразно использовать катионную полимеризацию, когда в качестве катализатора используется минеральная кислота. Получение композиционного материала с равномерным распределением наполнителя в полимерной матрице возможно методом полимеризационного наполнения. Этот фактор является особенно важным, так как обеспечивает воспроизводимость эксплуатационных свойств полимерных магнитов.

Проведен синтез ПКА с использованием в качестве катализатора воды и фосфорной кислоты. Исследованы основные характеристики ПКА.

Установлено, что использование в качестве полимеризации катализатора фосфорной кислоты позволяет снизить продолжительность процесса синтеза. При этом молекулярная масса синтезируемого ПКА равна 26734, что соответствует требованиям к полиамидам.

Проведена идентификация синтезированного ПКА методом ИКС. Установлено, что полученный полимер можно идентифицировать как полиамид-6.

Установлена возможность полимеризационного наполнения ПКА ферритом стронция.

Разработана технологическая схема получения магнитопластов полимеризационного наполнения методом литья под давлением. Сделаны основные материальные расчеты.

Рассмотрены безопасность и экологичность проекта, предусмогтрены меры по защите окружающей природной среды.

Введение

 

В настоящее время рынок потребления высоконаполненных композиционных магнитотвёрдых материалов, к которым относятся так называемые магнитопласты, является одним из самых динамичных в промышленно развитых странах мира (рост 12,5% в год). Согласно результатам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ магнитопласты (МП) по своей энергоёмкости почти вплотную приблизились к металлокерамическим магнитам, а за счёт своей высокой технологичности стали более эффективными. Это обусловлено относительно простой технологией готовых изделий из магнитопластов в сравнении со спеченными материалами, что связано, прежде всего, с отсутствием в процессе изготовления таких дорогих и сложных операций, как спекание, длительная термическая обработка, шлифование с удалением значительного количества материала.

Отлитые под давлением заготовки из магнитопластов выпускаются с малыми допусками и, как правило, не нуждаются в доводочных операциях.

Магнитопласты используют в шаговых двигателях принтеров и факсимильных аппаратов, офисной электроники, аудио- и видеооборудовании, в особо компактных двигателях постоянного тока мощностью до 1 кВт.

В России промышленное производство высоконаполненных магнитотвердых материалов практически отсутствует, и в этой области страна значительно отстает от передовых промышленно развитых стран. Широкое масштабное освоение эффективной технологии магнитопластов в значительной степени сдерживается недостаточной разработанностью теоретической базы, определяющей закономерности формирования эксплуатационных и технологических свойств высоконаполненных магнитных композиционных материалов и отсутствием необходимого для реализации технологии оборудования и дешевой сырьевой базы.

В качестве связующего в магнитопластах могут быть использованы Различные реакто- и термопласты. Использование реактопластов в качестве связующих для МП оправдано только в тех случаях, когда другие полимеры не обеспечивают необходимые требования к технологии их изготовления и эксплуатации. Основной недостаток реактопластов – длительная стадия высокотемпературного отверждения. Поэтому в производстве МП наиболее широко используются полимеры, перерабатываемые высокопроизводительными методами: литьем под давлением, экструзией и прессованием.

Особый интерес представляет разработка технологии микрокапсулирования частиц наполнителя в полимерной матрице. Микрокапсулирование может быть выполнено различными способами, в частности методом осаждения полимера на поверхность наполнителя из раствора, методом полимеризационного и поликонденсационного наполнения, т.е. синтезом полимера непосредственно на поверхности наполнителя. Метод полимеризационного наполнения является наиболее перспективным по сравнению с традиционным (смешение) и методом поликонденсационного наполнения ПКМ, так как эти методы имеют ряд недостатков.

Поэтому целью дипломного проекта является разработка технологии полимеризационного наполнения ПКА дисперсными наполнителями.

Цель и задачи работы, объекты исследования

Цель: Разработка технологии полимеризационного наполнения ПКА дисперсными наполнителями.

Задачей является изучение влияния продолжительности синтеза на свойства полученного ПКА.

 

Сырьем для получения магнитопласта является:

· ε - капролактам,

· вода,

· уксусная кислота,

· фосфорная кислота

· сплав Nd-Fe-B.

Выбор данных компонентов обусловлен доступностью и низкой стоимостью сырья, а также требованиями предъявляемыми к магнитопластам.

 

Капролактам

Капролактам - ГОСТ 7850-86

NH (CH₂)₅CO

 

Таблица 1

Свойства капролактама

Показатели свойств	Значения
Внешний вид	Кристаллы белого цвета
Молекулярная масса, г/моль	113
Температура плавления, ^°С	68-70
Температура кипения, ^°С	262
Плотность, кг/м^3	1476

ε -капролактам хорошо растворим в воде (525 г в 100 г Н₂О), спирте, эфире, бензоле, плохо - в алифатических углеводородах.

Уксусная кислота

CH₃COOH

· Температура плавления, °С          16,6

· Температура кипения, °С / мм рт. ст.      118,1

· Плотность при 20 °С, г/см³                  1,0492

· Константа диссоциации в водных растворах при 25 °С  1,76·10^-5

  Уксусная кислота растворяется в воде.

 

Фосфорная кислота

Фосфорная кислота-Н₃РО₄

 

Таблица 2

Показатели свойств	Фосфорная кислота
Внешний вид	Бесцветные кристаллы
Молекулярная масса, г/моль	98
Температура плавления, ^0С	42,35
Температура кипения, ^0С	864
Плотность, кг/м^3	1,87

Вода дистиллированная

Вода дистиллированная (H₂O) – ГОСТ 6709 – 72.

 

Сплав Nd-Fe-B

В качестве магнитного наполнителя используется сплав Nd-Fe-B производимый ГУП НТЦ «ВНИИНМ имени академика А.А. Бочвара» (г.Москва). Основные характеристики сплава Nd-Fe-B приведены в табл.2.

Таблица 2. Свойства магнитных наполнителей

Характеристика	Значение свойств
Плотность, кг/м^3	7600
Остаточная магнитная индукция (Br), Тл	0,81
Коэрцитивная сила по намагниченности (Нсм), кА/м	1048
Коэрцитивная сила по индукции (Нсв), кА/м	504
Максимальное энергетическое произведение (ВН)max, кДж/м^3	101
Размер частиц, мм	0,05-0,2

 

Готовым изделием являются кольцевые магниты с наружным диаметром 6 см, внутренним диаметром 5 см и высотой 5 мм.

Магнитопласт, получаемый на основе сплава Nd-Fe-B и полиамидного связующего имеет следующие основные характеристики:

Содержание полимера, %           15-20

Содержание НМС, %           не более 2

Остаточная магнитная индукция, Тл    не менее 0,3

Коэрцитивная сила, кА/м      не менее 320-350

Прочность при межслоевом сдвиге, МПа   не менее 5