Разработка технологии полимеризационного наполнения ПКА дисперсными наполнителями

Разработка технологии полимеризационного наполнения ПКА дисперсными наполнителями

Федеральное агентство по образованию РФ

Министерство образования и науки РФ

технологический институт

Кафедра «Химическая технология»

Курсовая работа

по дисциплине

«Химия и технология полимерных композиционных материалов»

на тему

«Разработка технологии полимеризационного наполнения ПКА дисперсными наполнителями»

2007

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.

1. 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:

· ? - 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

? -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

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

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:

2.5. Метод инфракрасной спектроскопии (ИКС)

Для изучения взаимодействия модифицирующих добавок с полимерным связующим применялся метод ИК-спектроскопии. ИК-спектры регистрировались на спектрофотометре «Specord» М-80 в области 400 4000 см-1. Исследуемые образцы наполнителя, связующего и композиционных материалов измельчались в вибрационной шаровой мельнице до тонкодисперсного состояния, добавлялось несколько капель иммерсионной жидкости, тщательно растирались в агатовой ступке и далее полученную пасту помещали между двумя пластинами (одна - из NaCl, другая из KBr). Для записи высококачественных спектров поглощения в качестве иммерсионной жидкости в области 4000 2000 и 1500 1300 см-1 использовали гексахлорбутадиен; в области 2000 1500 и 1300 400 см-1 - вазелиновое масло.

2.6. 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 600С;

скорость нагрева (Vм) - 10С/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/градмоль; 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 lgl = (1/T10-3), где l - длина отрезка между нулевой линией и кривой ДТА.

Отсюда .

2.7. Определение показателя текучести расплава (ПТР)

Показатель текучести расплава определяют как массу полимера, проходящую через капилляр стандартных размеров при заданных температуре и давлении за 10 минут.

ПТР полимеров зависит от их влажности, с повышением содержания влаги ПТР возрастает.

Последовательно проводят два определения ПТР. Результаты испытания используют для расчёта ПТР, если расхождения по массе между срезанными образцами не превышает 5%.

Расчёт ПТР, г/10 мин., проводят по формуле:

ПТР (Т, F) = (m / t) tc,

где Т - температура испытания, К;

F - нагрузка, Н;

tc - стандартное время определения ПТР (600 с);

t - интервалы времени между двумя последовательными отсечениями отрезков, с;

m - средняя масса экструдированного образца за время t, г.

За результат испытаний принимают среднее арифметическое значение двух измерений. Скорость сдвига, напряжение и вязкость

2.8. Прочность при межслоевом сдвиге (ОСТ 190032-71)

Для испытания изготавливают образец размером 20104. Устанавливают образец в форму для испытаний, устанавливают выбранную скорость сближения опорных площадок (5 мм/мин).

Машину приводят в действие и записывают значение нагрузок (кгс).

Прочность при межслоевом сдвиге рассчитывают по формуле:

сдв=F/S,

где F - нагрузка;

S - площадь образца.

За результаты измерений принимают среднее значение всех параллельных испытаний.

3. Результаты эксперимента и их обсуждение

В настоящее время известны несколько механизмов полимеризации поликапроамида (ПКА): гидролитическая, катионная и анионная.

Наибольшее распространение для синтеза поликапроамида получила гидролитическая полимеризация, которая является очень продолжительной. Поэтому с целью уменьшения продолжительности процесса синтеза представляет интерес осуществление полимеризации по катионному механизму (табл.4).

Таблица 4

Зависимость свойств ПКА от вида катализатора

Как видно из табл.4 наиболее перспективным катализатором для синтеза ПКА является фосфорная кислота

Основным преимуществом полимеризации капролактама в присутствии фосфорной кислоты является протекание процесса при нормальном давлении в течение непродолжительного времени (3-4 часа). Наличие фосфорной кислоты, взаимодействующей с конечными аминогруппами макромолекул полиамида, стабилизирует молеку-лярный вес полиамида при последующем его плавлении.

Поэтому в работе синтез поликапроамида проводили в присутствии фосфорной кислоты в течение 3-6 часов.

Таблица 5

Зависимость вязкости растворов от продолжительности полимеризации

Как следует из экспериментальных данных (табл.5) с увеличением продолжительности процесса синтеза ПКА относительная вязкость снижается, а характеристическая увеличивается, что приводит к увеличению молекулярной массы полимера (табл.6).

ПКА, полученный по механизму катионной полимеризации, характеризуется низкой молекулярной массой и повышенной константой Хаггинса, что свидетельствует о неполной полимеризации и возможном окислении полимера в присутствии кислорода воздуха.

Результаты исследования образцов ПКА, полученного при различной продолжительности процесса показывают, что при продолжительности синтеза 3 часа происходит более полное превращение мономера в полимер с получением ПКА с молекулярной массой ~ 14000.

Таблица 6

Зависимость молекулярной массы и константы Хагинса от продолжительности полимеризации

Прочность при межслоевом сдвиге

Как следует из экспериментальных данных, образец, полученный гидролитической полимеризацией, характеризуется пониженной молекулярной массой и повышенной константой Хаггинса, что свидетельствует о неполной полимеризации и возможном окислении полимера в присутствии кислорода воздуха. В связи с этим рекомендуется провести синтез ПКА в среде инертного газа (азота или аргона) и увеличить продолжительность полимеризации.

Второй образец получали в присутствии фосфорной кислоты. Синтез проводили в течение трех часов. В присутствии небольших количеств этой кислоты капролактам полимеризуется достаточно быстро при нормальном давлении. Получена молекулярная масса 26734, которая приблизительно равна молекулярной массе стандартного поликапроамида. Константа Хаггинса больше стандартной, сто свидетельствует о сшивке ПКА в присутствии кислорода воздуха.

4. Выводы и практические рекомендации

1. Проведен синтез ПКА с использованием в качестве катализатора воды и фосфорной кислоты.

2. ПКА, полученный гидролитической полимеризацией, характеризуется пониженной молекулярной массой и повышенной константой Хаггинса, что свидетельствует о неполной полимеризации и возможном окислении полимера в присутствии кислорода воздуха.

3. Использование в качестве полимеризации катализатора фосфорной кислоты позволяет снизить продолжительность процесса синтеза до 3 часов. При этом молекулярная масса синтезируемого ПКА равна 26734, что соответствует требованиям к полиамидам.

4. Методом ИКС проведено исследование синтезированного ПКА. Установлено, что полученный полимер можно идентифицировать как полиамид-6.

5. Установлена возможность полимеризационного наполнения ПКА ферритом стронция.

2. Технологическая часть

2.1. Характеристика сырья, материалов и готовой продукции

2.1.1.Характеристика исходного сырья

Сырьем для получения магнитопласта являются: -капролактам, вода, уксусная кислота, фосфорная кислота и сплав Nd-Fe-B.

Капролактам ? ГОСТ 7850-86

Сплав Nd-Fe B - ТУ 14-123-97-92

Вода дистиллированная (H2O) - ГОСТ 6709 - 72.

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

2.1.2. Характеристика готовой продукции

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:

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:

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.

Список используемых источников

1. Устинова Т.П. Структура и свойства полимеризационно-наполненного поликапроамида / Т.П. Устинова, С.Е. Артеменко, М.Ю. Морозова // Химические волокна. - 1998. - № 4. - С.17-19.

2. Исследование эффективности модификации магнитопластов, сформированных способом поликонденсационного наполнения / Н.Л. Зайцева, С.Е.Артеменко, С.Г. Кононенко, А.А. Артеменко // Пластические массы. - 2001. - №1. - С. 11-14.

3. Мизеровский Т.Н. Действие системы H3PO4-H2O-полиэтиленгликоль при синтезе поликапроамида / Т.Н. Мизеровский, В.Г. Силантьева // Химические волокна. - 1983. - №3. - С. 22-23.

4. Силантьева В.Г. Полимеризация капролактама в присутствии активирующих систем на основе фосфорной кислоты / В.Г. Силантьева, Л.Н. Мизеровский, А.Н. Быков // Химические волокна. - 1987. - №2. - С.19.

5. Исследование процесса получения поликапроамида из продукта олигомеризации ?-капролактама / Д.Г. Запольский, Л.В. Кутьина, Т.Н. Биличенко, А.А. Конкин // Химические волокна. - 1974. - №2. - С. 8-9.

6. Никонов Н.Т. Зависимость качества поликапроамида от состава реакционной смеси при гидролитической полимеризации / Н.Т. Никонов, Е.И. Смирнова // Химические волокна. - 1981. - №6. - С. 27-29.

7. Реакции в полимерных системах / Под ред. Иванчева. - Л.: Химия, 1987. - 304 с.

8. Электропроводящие ПЭ-композиции, полученные полимеризационным наполнением / А.А. Баулин, А.И. Краснощеков, А.С. Деянова, Ю.И. Василенок // Пластические массы. - 1982. - №7. - С.6-7.

9. Переработка пластических масс. - Труды Свердловского научно-технического совещания по переработке и применению пластических масс в народном хозяйстве. - М.: Химия, 1966. - 254 с.

10. Физико-химические основы альтернативной технологии магнитопластов и рациональные области их применения. Обзор./ С.Е. Артеменко, С.Г. Кононенко, А.А. Артеменко, Л.Л. Семенов // Химические волокна. - 1998. - №3. - С.45-50.

11. Роговин З.А. Основы химии и технологии химических волокон. - В 2-х томах. - М.: Химия, 1974. - Т. 2. -344 с.

12. Альтернативные технологии магнитопластов на основе феррита бария и интерсплава неодим-железо-бор / С.Е. Артеменко, Л.Л.Семенов, С.Г. Кононенко, А.А. Артеменко // Электротехника. - 1966. -№12. - С.59-60.

13. Пат. 2084033 Россия, МКИ5 H01 F 1/133. Способ получения магнитопластов / Артеменко С.Е., Кардаш М.М., Кононенко С.Г. - №95106266/02; Заявл. 20.04.95; Опубл. 10.07.97.

14. Артеменко С.Е. Технологические принципы создания высокоэффективных магнитопластов / С.Е.Артеменко, Л.Л.Семенов, С.Г.Кононенко // Приводная техника. - 1997. - №5. - С.30-34.

15. Ким В.С. Диспергирование и смешение в процессах производства и переработки пластмасс / В.С. Ким, В.В. Скачков. - М.: Химия, 1988. - 240 с.

16. Технология высокоэффективных магнитопластов поликонденсационного способа наполнения / А.А. Артеменко, С.Г. Кононенко, С.Е. Артеменко, Н.Л. Зайцева // Пласт. массы. - 1999. - №9. - С.21-26.

17. Технологические свойства магнитопластов на основе оксидных ферритов и интерметаллического сплава Nd-Fe-B / Т.Ю. Хомутова, С.Е. Артеменко, С.Г. Кононенко, Н.Л. Зайцева, А.А. Артеменко // Пласт. массы. - 2000. - №5. - С. 16-18.

18. Технология магнитопластов с повышенными характеристиками / А.А. Артеменко, С.Е. Артеменко, А.В. Калатин, С.Г. Кононенко, Н.Л. Зайцева // Перспективные материалы. - 2002. - №5. - С. 54-58.

19. Галашина Н.М. Полимеризационное наполнение как метод получения новых композиционных материалов // ВМС. - 1994. - №4, Т. 36. - С. 640-650.

20. Исследование взаимодействия дисперсных частиц в процессе полимеризационного наполнения / В.В. Смирнов, Л.А. Ткаченко, Н.С. Когарко, Л.Н. Григоров, Т.Ф. Дорофеева, Л.А. Новокшонова, Н.С. Ениколопян //

21. Модификация магнитопластов на основе промышленного сплава Nd-Fe-B / А.А. Артеменко, Н.Л. Зайцева, С.Е. Артеменко, С.Г. Кононенко, О.М. Сладков, Ю.В. Щелоков // Пласт массы. - 2003. - №2. - С. 26-27.

22. Полимеризационное наполнение полиамида 6 /В.Г. Фролов, С.Г. Куличихин, Л.А. Гордеева, А.Я. Малкин // Пласт. массы. - 1985. - №6. - С.8-10.

23. Полимеризационно-поликонденсационный метод получения сетчатых полимеров и армированных пластиков/ /Пласт, массы. - 1983. - № 2. - С. 59.

24. Дьячковский Ф.С, Новокшонова Л.А. Синтез и свойства полимеризационнонаполненных полиолефинов/ /Успехи химии. - 1984. - № 2. - С. 200 - 223.

25. Липатов Ю.С. Физическая химия наполненных полимеров. - М.: Химия, 1977.-304 с.

26. Ефимова Е.П., Фролов O.K. Магнитные композиционные материалы - новые возможности и перспективы развития/ /Пласт, массы. - 1998. - № 5. - С. 6-7.

27. Вольфсон СА Новые пути создания композиционных материалов//Журн. Всесоюзн. хим. общества. - 1989. №5. - С.5310-536

28. Кардаш М.М. Новая технология поликонденсационного наполнения полимерных композиционных материалов/ /Автореф. дис. канд. техн. наук. - Саратов, 1995. - 18 с.

29. Охрана труда в химической промышленности/ Г.В. Макаров, А.Я. Васин, Л.К. Маринина, П.И. Софийский, В.А. Старобинский, Н.И. Торопов. - М.: Химия 1989. 496 с; ил.

30. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. - Л. : Химия, 1991.-432 с.