RU2327563C2

RU2327563C2 - Device for preparation of permanent magnets by method of extrusion

Info

Publication number: RU2327563C2
Application number: RU2006106675/12A
Authority: RU
Inventors: Алексей Григорьевич Голубков (RU); Алексей Григорьевич Голубков; Иван Алексеевич Голубков (RU); Иван Алексеевич Голубков; Николай Викторович Еруков (RU); Николай Викторович Еруков; Полина Евгеньевна Карликова (RU); Полина Евгеньевна Карликова; Алексей Юрьевич Климанов (RU); Алексей Юрьевич Климанов; Алексей Анатольевич Фирсенков (RU); Алексей Анатольевич Фирсенков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Инновационный магнитный центр"
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2008-06-27
Also published as: RU2006106675A

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention is related to the field of polymer materials processing, namely to devices for preparation of profile items from polymer composite materials with magnet filler (plastomagnets and elastomagnets) by extrusion method. Device consists of source of supply of composite polymer material melt with magnet filler under pressure, matrix with lead-in conical forming channel. In matrix forming channel one or several mandrels are installed with forming elements. Forming elements stretch in direction of extrusion and provide division of polymer material flow. Device also includes source of permanent magnet field and magnetic paths, which create in forming channel magnetic field of preset topography and that orientate it along normal line in direction of extrusion. Walls of matrix, walls of forming channel and mandrels elements are made of porous material, which is penetrable for gas and liquid. They are connected with device for gas or liquid supply under pressure through system of distributing channels.

EFFECT: expansion of device technological resources; increase of magnet properties of items and increase of their assortment.

4 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к области переработки полимерных материалов, а именно к устройствам для получения профильных изделий из полимерных композиционных материалов с магнитным наполнителем (магнитопластов и магнитоэластов).The invention relates to the field of processing of polymeric materials, and in particular to devices for producing profile products from polymer composite materials with magnetic filler (magnetoplastics and magnetoelast).

Известные ранее способы получения профильных изделий из полимерных композиционных магнитных материалов (ПКММ) на традиционных экструзионных установках позволяли получать только изотропные магниты, например магнитные вставки для холодильников с уровнем магнитной энергии (ВН)_max не выше 5 kA·Tl/m /Алексеев А.Г., Корнев А.Е. Магнитные эластомеры. - М.: Химия, 1987. - с.81/.Previously known methods for producing profile products from polymer composite magnetic materials (PCMM) in traditional extrusion plants made it possible to obtain only isotropic magnets, for example, magnetic inserts for refrigerators with a magnetic energy level (VH) _max not higher than 5 kA · Tl / m / Alekseev A.G. ., Kornev A.E. Magnetic elastomers. - M.: Chemistry, 1987. - p. 81 /.

В связи с необходимостью повышения магнитных параметров появились технические решения, в которых обеспечивается создание ориентированной в нужном направлении текстуры, что достигается ориентацией наполнителя по оси, наиболее благоприятной для намагничивания. Получаемые таким образом анизотропные изделия отличаются более высоким уровнем магнитных свойств. Анизотропия свойств достигается наложением внешнего магнитного поля на композиционный материал в процессе переработки.Due to the need to increase magnetic parameters, technical solutions have appeared that provide for the creation of a texture oriented in the right direction, which is achieved by orienting the filler along the axis most favorable for magnetization. The anisotropic products thus obtained are characterized by a higher level of magnetic properties. Anisotropy of properties is achieved by applying an external magnetic field to the composite material during processing.

Магнитное текстурирование возможно для материала, находящегося в вязкотекучем состоянии, когда магнитные частицы приобретают нужную степень свободы и возможность изменять ориентацию под воздействием внешнего магнитного поля. К настоящему времени технология получения анизотропных магнитов реализована в таких технологических процессах, как прессование, литье под давлением, когда возможно наложение магнитного поля на материал, находящийся определенное время в вязкотекучем состоянии без течения, связанного с формообразованием.Magnetic texturing is possible for a material in a viscous flowing state, when magnetic particles acquire the desired degree of freedom and the ability to change orientation under the influence of an external magnetic field. To date, the technology for producing anisotropic magnets is implemented in such technological processes as pressing, injection molding, when it is possible to apply a magnetic field to a material that is in a viscous-flowing state for a certain time without flow associated with shaping.

Магнитная анизотропия профильно-погонажных изделий из магнитопластов, получаемых методом экструзии, не была эффективной из-за проблем, связанных прежде всего с наличием сдвигового течения композиции в формующем инструменте. Частицы магнитного наполнителя, ориентируемые магнитным полем в нужном направлении, разориентируются, вращаясь под действием приложенного напряжения сдвига. По этой причине анизотропные полимерные магниты, производимые непрерывным способом - экструзией и каландрованием, получают в основном методом механического текстурирования. Профильные анизотропные магниты, получаемые методом экструзии как при магнитной, так и при механической анизотропии, имеют более низкие магнитные свойства по сравнению, например, с изделиями, полученными методами литья или прессования в магнитном поле. К тому же метод механического текстурирования требует использования специального (и более дорогого) магнитного наполнителя с частицами пластинчатой формы.Magnetic anisotropy of molded products from magnetoplastics obtained by extrusion was not effective due to problems associated primarily with the presence of shear flow of the composition in the forming tool. Particles of magnetic filler, oriented by the magnetic field in the desired direction, are misoriented, rotating under the action of the applied shear stress. For this reason, anisotropic polymer magnets produced in a continuous manner — by extrusion and calendaring — are obtained mainly by mechanical texturing. Profile anisotropic magnets obtained by extrusion both in magnetic and mechanical anisotropy have lower magnetic properties compared, for example, with products obtained by casting or pressing in a magnetic field. In addition, the mechanical texturing method requires the use of a special (and more expensive) magnetic filler with plate-shaped particles.

Для решения указанной проблемы предложены различные устройства, в частности известно устройство для получения профильных изделий из магнитопластов путем смешения дисперсного магнитотвердого феррита с органическим связующим и экструзии полученной смеси при одновременном воздействии магнитного поля, ориентированного по нормали к направлению экструзии и электрического поля напряженностью 1-50 кВ/см /SU №1207629, В29F 3/20, Н01F 1/113, 30.01.86, Бюл. №4/.To solve this problem, various devices have been proposed, in particular, a device is known for producing profile products from magnetoplastics by mixing dispersed hard magnetic ferrite with an organic binder and extruding the resulting mixture under the influence of a magnetic field oriented normal to the direction of extrusion and an electric field of 1-50 kV / cm / SU No. 1207629, B29F 3/20, H01F 1/113, 01/30/86, Bull. No. 4 /.

Недостатком данного технического решения является низкая эффективность устройства, так как не устраняется основная причина низких магнитных свойств - невозможность значительной магнитной ориентации при наличии сдвигового течения. Механическая ориентация в таких устройствах также не обеспечивается.The disadvantage of this technical solution is the low efficiency of the device, since the main reason for the low magnetic properties is not eliminated - the impossibility of significant magnetic orientation in the presence of shear flow. Mechanical orientation in such devices is also not provided.

Известны конструкции формующего инструмента с пористыми формующими каналами (фильерами) для решения специфических задач, связанных с повышением качества конкретного вида изделий и расширения ассортимента продукции (Половина И.П. и др. Анализ процесса экструзии со смазкой. /Пластические массы. 1989, №3, с.59-61; US 6302679). Для получения анизотропных ПКММ методом экструзии такие устройства не применимы, так как не совмещаются с наличием магнитного поля.Known designs of the forming tool with porous forming channels (dies) for solving specific problems associated with improving the quality of a particular type of product and expanding the range of products (I.P. Half and others. Analysis of the extrusion process with lubricant. / Plastics. 1989, No. 3 , p. 59-61; US 6302679). To obtain anisotropic PCMM by extrusion, such devices are not applicable, since they do not combine with the presence of a magnetic field.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является «Устройство для получения постоянных магнитов методом экструзии», увеличивающее анизотропию экструдируемых композиционных полимерных магнитов, в присутствии ориентирующего магнитного поля благодаря элементам - одному или нескольким дорнам, установленным в формующем канале матрицы (прототип).The closest technical solution to the proposed one is “A device for producing permanent magnets by extrusion”, which increases the anisotropy of the extrudable composite polymer magnets in the presence of an orienting magnetic field due to the elements - one or more mandrels installed in the forming channel of the matrix (prototype).

Устройство имеет источник подачи расплава под давлением, матрицу, один или несколько дорнов, установленных в формующем канале матрицы, простирающемся в направлении экструзии, и обеспечивающих разделение потока полимера так, чтобы материал был разделен на несколько полос, которые вновь объединяются на выходе из головки, образуя единый профиль, источник постоянного магнитного поля и магнитопроводы, ориентирующие магнитное поле по нормали к направлению экструзии /US 3918867, H01F 1/113, H01F 41/02, 11.11.1975/.The device has a pressure melt supply source, a matrix, one or more mandrels installed in the forming channel of the matrix, extending in the direction of extrusion, and providing a separation of the polymer flow so that the material is divided into several strips, which are again combined at the exit of the head, forming a single profile, a constant magnetic field source and magnetic circuits orienting the magnetic field normal to the extrusion direction / US 3918867, H01F 1/113, H01F 41/02, 11/11/1975 /.

Благодаря данному техническому решению анизотропия магнитных свойств в результате магнитной ориентации возрастает за счет механической ориентации, так как напряжения и скорости сдвига в материале при его движении в формующем канале существенно возрастают.Due to this technical solution, the anisotropy of magnetic properties as a result of magnetic orientation increases due to mechanical orientation, since the stress and shear rate in the material during its movement in the forming channel increase significantly.

Недостатком известного устройства является то, что оно применимо только для магнитного наполнителя с частицами пластинчатой или игольчатой формы, у которых форма частиц жестко связана с вектором намагниченности. Магнитное поле в данном устройстве играет роль фактора, стабилизирующего ориентацию частиц, а эффективность непосредственно магнитной ориентации при этом даже уменьшается. С увеличением степени механического текстурирования магнитная ориентация падает и, наоборот, увеличение воздействия магнитного поля приводит при сдвиговом течении к снижению механической ориентации частиц. Высокоэффективного магнитомеханического текстурирования при этом не происходит и, как следствие, магнитные свойства недостаточно высоки. При такой конструкции устройства невозможно также получение анизотропных полых профилей.A disadvantage of the known device is that it is applicable only to a magnetic filler with lamellar or needle-shaped particles, in which the shape of the particles is rigidly connected with the magnetization vector. The magnetic field in this device plays the role of a factor stabilizing the orientation of the particles, and the efficiency of the direct magnetic orientation even decreases. With an increase in the degree of mechanical texturing, the magnetic orientation decreases and, conversely, an increase in the effect of a magnetic field during shear flow leads to a decrease in the mechanical orientation of the particles. Highly effective magnetomechanical texturing does not occur and, as a result, the magnetic properties are not high enough. With this design of the device, it is also impossible to obtain anisotropic hollow profiles.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение технологических возможностей устройства для получения постоянных магнитов методом экструзии, повышение магнитных свойств изделий и увеличение их ассортимента, а также обеспечение возможности использования полимерных композиций с более широким набором наполнителей.The objective of the proposed technical solution is to expand the technological capabilities of the device for producing permanent magnets by extrusion, increase the magnetic properties of products and increase their assortment, as well as providing the possibility of using polymer compositions with a wider range of fillers.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для получения постоянных магнитов методом экструзии, включающем источник подачи расплава композиционного полимерного материала с магнитным наполнителем под давлением, матрицу с заходным коническим формующим каналом, в котором установлены один или несколько дорнов с формующими элементами, простирающимися в направлении экструзии и обеспечивающими разделение потока полимерного материала, а также источник постоянного магнитного поля и магнитопроводы, создающие в формующем канале магнитное поле заданной топографии и ориентирующие его по нормали к направлению экструзии, согласно изобретению стенки матрицы, стенки формующего канала и элементы дорна выполнены из проницаемого для газа и жидкости пористого материала и соединены через систему распределительных каналов с устройством подачи газа или жидкости под давлением, а также тем, что формующие элементы дорна и стенки матрицы имеют одинаковую длину и одинаковый уровень в плоскости выхода материала из формующего канала, система распределительных каналов соединена с источником подачи расплава немагнитного материала, а формующий канал на выходе снабжен системой охлаждения. Поставленная цель достигается также тем, что передняя часть матрицы и передняя часть элементов дорна, выполненные из проницаемого для движения воздуха материала, отделены непроницаемой перегородкой от основной части матрицы и дорна и соединены через систему распределительных каналов с устройством для создания вакуума, а на выходе из формующего канала устройства устанавливается система охлаждения.The problem is achieved in that in a device for producing permanent magnets by extrusion, including a melt supply source of a composite polymer material with a magnetic filler under pressure, a matrix with an inlet conical forming channel in which one or more mandrels are installed with molding elements extending in the direction of extrusion and providing separation of the flow of polymer material, as well as a source of a constant magnetic field and magnetic cores, creating m in the forming channel the magnetic field of a given topography and orienting it normal to the direction of extrusion, according to the invention, the matrix walls, the walls of the forming channel and the mandrel elements are made of porous material permeable to gas and liquid and are connected through a distribution channel system to a gas or liquid supply device under pressure, and the fact that the forming elements of the mandrel and the matrix walls have the same length and the same level in the plane of exit of the material from the forming channel, the distribution channel system is connected with a source of supply of the melt of non-magnetic material, and the forming channel at the outlet is equipped with a cooling system. This goal is also achieved by the fact that the front part of the matrix and the front part of the mandrel elements made of air-permeable material are separated by an impenetrable partition from the main part of the matrix and mandrel and are connected through a distribution channel system to a device for creating a vacuum, and at the exit of the forming channel device is installed cooling system.

Предлагаемое техническое решение позволяет расширить технологические возможности устройства для получения постоянных магнитов методом экструзии, повысить магнитные свойства изделий и увеличить их ассортимент, в частности получить анизотропный полый профиль типа «труба» и изделия с размером поперечного сечения до 3000 кв.мм, а также обеспечить возможность использования полимерных композиций с более широким набором наполнителей.The proposed technical solution allows to expand the technological capabilities of the device for producing permanent magnets by extrusion, to increase the magnetic properties of the products and increase their assortment, in particular to obtain an anisotropic hollow profile of the "pipe" type and products with a cross-sectional size of up to 3000 sq. Mm, and also provide the opportunity the use of polymer compositions with a wider range of fillers.

При исследовании известного уровня техники не было выявлено аналогичных технических решений, которые характеризовались бы идентичной совокупностью существенных признаков с достижением такого же технического результата, какой получен в предлагаемом техническом решении, что позволяет сделать вывод о его соответствии критериям «новизна» и «изобретательский уровень». Заявляемое устройство может быть реализовано в промышленности для получения профильных изделий из магнитопластов и изготовлено с применением известных материалов и технических средств, что говорит о соответствии предлагаемого технического решения критерию «промышленная применимость».In the study of the prior art, no similar technical solutions were identified that would have been characterized by an identical set of essential features with the achievement of the same technical result as obtained in the proposed technical solution, which allows us to conclude that it meets the criteria of "novelty" and "inventive step". The inventive device can be implemented in industry to obtain core products from magnetoplastics and manufactured using known materials and technical means, which indicates the compliance of the proposed technical solution with the criterion of "industrial applicability".

На фиг.1, 2 изображено устройство получения анизотропных изделий из ПКММ. Формующий канал - свободное для прохождения материала пространство между дорном 1 и матрицей 2, причем дорн согласно предлагаемому техническому решению может иметь различные сечения и оканчиваться как на одном уровне с матрицей, как изображено на фиг.1, тогда формируется изделие с внутренней полостью, так и на расстоянии, достаточном для перестройки профиля скоростей и формирования сплошного сечения материала на выходе из канала. На фиг.3 изображен последний вариант, когда дорн имеет вид незавершенной перегородки внутри канала.Figure 1, 2 shows a device for producing anisotropic products from PCMM. The forming channel is the free space for the passage of material between the mandrel 1 and the matrix 2, and the mandrel according to the proposed technical solution can have different sections and end both on the same level with the matrix, as shown in figure 1, then the product is formed with an internal cavity, and at a distance sufficient to rebuild the velocity profile and form a continuous section of the material at the outlet of the channel. Figure 3 shows the last option, when the mandrel has the form of an unfinished partition inside the channel.

Стенки канала матрицы 2 и дорна 1 выполнены из пористого материала и соединены с системой подачи газа или жидкости под давлением через канал 3 и систему распределения 4.The walls of the channel of the matrix 2 and the mandrel 1 are made of porous material and are connected to the gas or liquid supply system through the channel 3 and the distribution system 4.

Устройство работает следующим образом. Полимерный композиционный материал с магнитным наполнителем в виде расплава подается под давлением на вход устройства 5, через каналы в дорне 1 попадает в формующий канал 6 между дорном 1 и матрицей 2, в котором происходит формирование требуемого сечения профильного изделия. Одновременно через систему распределительных каналов - канал 3 и каналы распределения 4 подается газ или жидкость под давлением от устройства для создания давления 7. На фиг.3 приведены схемы, иллюстрирующие механизм движения материала в формующем канале.The device operates as follows. The polymer composite material with a magnetic filler in the form of a melt is supplied under pressure to the inlet of the device 5, through channels in the mandrel 1 it enters the forming channel 6 between the mandrel 1 and the matrix 2, in which the required section of the profile product is formed. At the same time, through a system of distribution channels — channel 3 and distribution channels 4 — gas or liquid is supplied under pressure from a pressure generating device 7. FIG. 3 is a diagram illustrating a mechanism for moving material in a forming channel.

Между стенками канала и материалом создается тонкий слой газа или жидкости, который изменяет профиль скоростей при течении материала с параболического на прямоугольный. На фиг.3а показано распределение скоростей по сечению канала согласно известному техническому решению, а на фиг.3б - согласно предлагаемому изобретению. Сдвиговое течение в расплаве композиции отсутствует и связанное с этим вращение магнитных частиц не происходит. Это существенно улучшает условия магнитной ориентации частиц под действием магнитного поля заданной топографии.A thin layer of gas or liquid is created between the walls of the channel and the material, which changes the velocity profile when the material flows from parabolic to rectangular. On figa shows the distribution of speeds along the cross section of the channel according to the known technical solution, and on figb - according to the invention. Shear flow in the melt of the composition is absent and the rotation of magnetic particles associated with this does not occur. This significantly improves the conditions for the magnetic orientation of particles under the action of the magnetic field of a given topography.

Согласно схеме, приведенной на фиг.3, изделие на выходе имеет сплошное сечение. Согласно фиг.1 обеспечивается получение полых профильных магнитных изделий (п.2 формулы изобретения).According to the scheme shown in figure 3, the product at the outlet has a continuous section. According to figure 1, obtaining hollow core magnetic products is provided (claim 2 of the claims).

Поступающий в устройство расплав имеет температуру выше точки плавления и, следовательно, низкую вязкость, что обеспечивает требуемые для магнитной ориентации условия. При необходимости устройство может быть оснащено автономной системой обогрева, например с помощью жидкого теплоносителя, циркулирующего по каналам 8. По мере продвижения расплав охлаждается при контакте с жидкостью или газом и отверждается по наружной поверхности. Последнее условие необходимо для сохранения требуемого профиля на выходе из устройства. При недостаточном охлаждении от контакта с жидкостью или газом на выходе из устройства устанавливается дополнительная система охлаждения.The melt entering the device has a temperature above the melting point and, therefore, low viscosity, which provides the conditions required for magnetic orientation. If necessary, the device can be equipped with an autonomous heating system, for example, using a liquid coolant circulating through channels 8. As the melt advances, the melt cools by contact with a liquid or gas and solidifies on the outer surface. The last condition is necessary to save the desired profile at the output of the device. In case of insufficient cooling from contact with liquid or gas, an additional cooling system is installed at the outlet of the device.

Дополнительная система охлаждения выходной части устройства является неотъемлемой частью устройства, если с целью расширения ассортимента продукции и получения магнитных изделий с наружным покрытием из немагнитного материала система распределительных каналов соединена с устройством для подачи под давлением расплава немагнитного материала. В данном случае немагнитный материал, например расплав полимера, подается через систему распределительных каналов на поверхность магнитного материала и отверждается вместе с ним при понижении температуры по мере продвижения по формующему каналу, образуя двухслойный профиль (п.3 формулы).An additional cooling system for the output part of the device is an integral part of the device if, in order to expand the product range and obtain magnetic products with an external coating of non-magnetic material, the distribution channel system is connected to a device for supplying non-magnetic material melt under pressure. In this case, a non-magnetic material, for example, a polymer melt, is fed through a system of distribution channels to the surface of the magnetic material and cures with it with decreasing temperature as it moves along the forming channel, forming a two-layer profile (claim 3 of the formula).

Согласно предлагаемым техническим решениям достигается основная цель предлагаемого изобретения - повышение магнитных свойств изделий и появляются дополнительные возможности для расширения их ассортимента.According to the proposed technical solutions, the main goal of the invention is achieved - to increase the magnetic properties of products and there are additional opportunities to expand their range.

Вместе с тем, в отдельных случаях предъявляются повышенные требования к точности и качеству поверхности изделий. С целью удовлетворения данных требований, а именно с целью дальнейшего расширения ассортимента продукции и повышения размерной точности изделий передняя часть матрицы 9 и передняя часть элементов дорна 10, выполненные из проницаемого для движения воздуха материала, отделены непроницаемыми перегородками 11 от основной части матрицы и дорна и соединены через систему распределительных каналов с устройством для создания вакуума 12, а на выходе из формующего канала устройства устанавливается система охлаждения.However, in some cases, increased demands are placed on the accuracy and quality of the surface of the products. In order to satisfy these requirements, namely, with the aim of further expanding the product range and increasing the dimensional accuracy of the products, the front of the matrix 9 and the front of the elements of the mandrel 10, made of material permeable to air movement, are separated by impermeable partitions 11 from the main part of the matrix and the mandrel and are connected through a system of distribution channels with a device for creating a vacuum 12, and at the exit from the forming channel of the device, a cooling system is installed.

Согласно данному техническому решению обеспечивается отсос подаваемого газа в выходной части устройства без выхода его наружу вместе с экструдируемым телом. Таким образом создается направленный воздушный поток вдоль стенок формующего канала в направлении экструзии. Это облегчает движение экструдируемого материала, что в свою очередь уменьшает износ рабочих органов экструдера. Увеличение размерной точности изделий достигается за счет более плотного прилегания магнитного материала к стенкам формующего канала. Для облегчения скольжения материала в передней части устройства также требуется дополнительное охлаждение на выходе из формующего канала.According to this technical solution, a suction gas is provided in the output part of the device without exiting it outward together with the extrudable body. This creates a directed air flow along the walls of the forming channel in the direction of extrusion. This facilitates the movement of the extrudable material, which in turn reduces the wear of the working bodies of the extruder. The increase in dimensional accuracy of the products is achieved due to a more tight fit of the magnetic material to the walls of the forming channel. To facilitate sliding of the material in the front of the device, additional cooling is also required at the outlet of the forming channel.

Claims

1. A device for producing permanent magnets by extrusion, including a melt supply source of a composite polymer material with a magnetic filler under pressure, a matrix with a lead-in conical forming channel, in which one or more mandrels are installed with forming elements extending in the direction of extrusion and providing separation of the polymer flow material, as well as a source of a constant magnetic field and magnetic circuits that create a magnetic field in a forming channel of a given topography and orientation tiruyuschie its normal to the extrusion direction, characterized in that the walls of the matrix, the wall elements forming the channel and mandrel are made of a gas permeable and porous material and are connected through a liquid distribution channel system with a device for supplying pressurized gas or liquid.

2. The device according to claim 1, characterized in that the forming elements of the mandrel and the matrix walls have the same length and the same level in the plane of exit of the material from the forming channel.

3. The device according to claim 1, characterized in that the distribution channel system is connected to a non-magnetic material melt supply source, and the forming channel at the outlet is equipped with a cooling system.

4. The device according to claim 1, characterized in that the front part of the matrix and the front part of the mandrel elements made of a material permeable to air movement are separated by an impenetrable partition from the rest of the matrix and mandrel and are connected through a distribution channel system to a device for creating a vacuum, and at the exit from the forming channel of the device, a cooling system is installed.