SU681869A1 - Способ получени высоконаполненных материалов - Google Patents

Description

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОНЛПОЛНЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относитс  к области химической технологии и может найти применение в промышленности дл  получени  однородных высококонцентрированных микрогетерогенных в зкопластичных композиций.

Известен способ получени  высоконаполненных материалов, например бетонных смесей, заключающийс  в том, что материал подвергают воздействию механической низкочастотной (42 Гц) ударной вибрации при сдвиговом деформировании с одновременным наложением колебаний более высокой частоты (84 Гц) 1 .

Недостатком известного способа  вл етс  неоднородность распределени  наполнител  по всему объему материала и, как следствие, его низкие прочностные характеристики.

Известен также способ получени  аналогичных систем с использованием ультразвуковых колебаний 2 , однако он также не обеспечивает равномерного распределени  наполнител  и полученные материалы обладают относительно низкой прочностью.

Цель изобретени  состоит в повышении прочностных характеристик материала за счет однородности распределени  наполнител  в в зком св зующем .

Цель достигаетс  тем, что в способе получени высоконаполненных материалов , включающем использование ударной механической вибрации при сдвиговом деформировании материала, его одновременно с ударной механической вибрацией подвергают воздействию

0 колебаний ультразвукового диапазона частот.

В зависимости от вида микронаполнител , его дисперсности, типа образующейс  структуры и в зкости дис5 персионной среды (в зкого св зующего ) частота виброударных колебаний может варьироватьс  в пределах 10200 Гц при амплитуде от .0,2 до 1 NW, а частота ультразвуковых колебаний

0 в пределах 20-100 кГц с интенсивностью 50-100 Вт/см.

Необходимость получени  выооконаполненных дисперсных материалов с однородным распределением наполни5 тел  диктуетс  тем, что в р де отраслей промышленности (производство композиционных полимерных материалов, различных минеральных клеющих составов ферромагнитных и полупроводнико0 вых материалов и т.п.) качество изцелий определ етс  однородностью их структуры. В известном способе это частично решаетс  использованием низкочастот ной ударной механической вибрации, котора  обеспечивает относительную однородность обрабатываемой композиции во всем объеме системы, Добит с  однородного распределени  микрогетерогенных твердых фаз в жидких путем перехода в область больших величин интенсивностей вибрации известным способом технически, не пред ставл етс  возможным. Это обусловлено тем, что крупные агрегаты, состо щие из частиц высоко дисперсной твердой фазы, не во всех случа х разрушаютс  при увеличении интенсивностей механических колебан так как не возникают необходимые градиенты скорости между отдельными группами близлежащих агрегатов из-з высокой в зкости дисперсионной среды Без достижени полного разрушени  агрегатов до первичных частиц, высвобождени  иммобилизованной в них жидкой дисперсионной среды (св зующ го) , а также последующего распределени  компонентов смеси в объеме ди персной системы при поддержании наименьшего уровн  в зкости предельно разрушенной структуры невозможно создать максимально однородную струк туру композиционного материала. Вследствие того, что высоконапол ненные в зкопластичные дисперсные системы характеризуютс  широким спе ром времен релаксации, предельное разрушение структуры таких систем наиболее эффективно обеспечиваетс  путем использовани  широкого спектра вибрационных колебаний, включа  колебани  ультразвукового диапазона частот. . Известный способ- обработки рассматриваемых в зкопластичных композиций с использованием ультразвуковы колебаний позвол ет разрушать агрегаты из частиц Еысокодисперсной твер дой фазы, но вследствие быстрого затухани  высокочастотных колебаний ультразвукового диапазона в в зкой среде вблизи источника колебаний этот способ также не обеспечивает однородного распределени  наполнител  во всем объеме материала. Дл  достижени  предельного разру шени  таких структур во всем объеме системы, отвечающего минимальному уровню в зкости, в данном способе получени  высоконаполненных дисперсных материалов низкочастотные механические колебани  совмещаютс  с высокочастотными колебани ми ультразвукового диапазона. Совместное действие этих двух видов механических колебаний (с заданными интенсивност  ми на обрабатываемую систему) позвол ет реализовать предельное разрушение структуры системы и, тем самым, обеспечить равномерное распределение твердой фазы во всем объеме жидкого св зующего. Этот способ, устран   недостатки, присущие известным способам воздействи , дает более высокий общий положительный эффект, чем проста  сумма эффектов, достигаемых в результате их применени  в,отдельности, так как он позвол ет получить такую однородность структуры во всем объеме системы, котора  не может быть достигнута как в. случае использовани  . низкочастотной механической виброударной вибрации, так и при использовании ультразвуковых колебаний в отдельности или поочередно, в любом пор дке. Нова  совокупность известных приемов позвол ет реализовать новое качество , состо щее в получении высокой степени однородности во всем объеме обрабатываемого материала и улучшении всех его структурно-механических характеристик. При осуществлении этого способа на выcoкoнaпoJJнeнныx дисперсных системах следует учитывать, что в результате большого акустического сопротивлени  среды прохождению ультразвуковых колебаний, температура обрабатываемой системы повышаетс  на 5-50°с в зависимости от продолжительности ультразвуковой обработки и интенсивности излучени  колебаний. Однако повышение температуры системы во врем  ее получени  может быть использовано дл  ускорени  прохождени  реакций полимеризации (отвержде-, ни ) олигомерного св зующего в производстве наполненных отверждаемых олигомерно-полимерных композиционных материалов, исключа  тем самым дополнительную операцию подогрева материала , используемую дл  достижени  этого эффекта. Поскольку в зкость жидкого св зующего с повышением температуры уменьшаетс , соответственно возрастает коэффициент диффузии и увеличиваетс  скорость массообменных процессов. Следовательно, суммарное врем , необходимое дл  проведени  всего процесса получени  однородных высоконаполненных дисперсных систем, уменьшаетс . Способ может быть практически осуществлен на любой системе, включающей твердые и жидкие фазы. Параметры воздействи  (как низкочастотных , так и высокочастотных колебаний) выбираютс  в з.ависимости от типа образуемой частицами наполнител  структуры и в зкости дисперсионной среды жидкого св зующего.

Дл  водной дисперсии кальциевоггг бентонита (СаВ) с водотвердым отношением В/Т О,4 с «елью получени  однородной дисперсной системы параметры механических воздействий выбирают в интервале средних величин частот и интенсивностей механических колебаний, т.е. частота виброударных воздействий составл ет 10100 Гц при амплитуде 1-0,5 мм, и, соответственно, частота ультразвуковых колебаний в пределах 20-50 кГц при интенсивности 50-70 Вт/см. В этих услови х обеспечиваетс  смещение частиц наполнител  друг относительно /друга, т,е; возникают градиенты скорости между частицами,позвол ющие реализовывать равномерное распределение твердой фазы в жидкой

Дл  более прочных структурированных систем с целью получени  однородной высококонцентрированной дисперсной композиции, например на основе эпоксидного св зующего, параметры механических воздействий выбирают в интервале болььшх величин частот и интeнdивнocтeй, т.е. частота виброударных воздействий составл ет 100200 Гц при амплитуде 0,5-0,2 мм и, соответственно, частота ультразвуковых колебаний в пределах 40-100 кГц при интенсивности излучени  60100 Вт/см.

Дл  получени  однородного распределени  наполнител  в сложных наиболее в зких жидких св зующих может возникнуть необходимость использовани  ультразвуковых воздействий в области еще более высоких величин частот и интенсивностей, а именно 100200 кГц при интенсивности колебаний 300-500 Вт/см.

Из сказанного следует, что при получении однородных высоконаполненных дисперсных систем параметры механических воздействий необходимо выбирать дл  каждой конкретной системн.

Данный способ разработан и проверен в лабораторных услови х. Положительный эффект подтвержден результатами электронномикроскопических исследований полученных образцов высоконаполненных дисперсных материалов, а также результатами прочностных испытаний этих образцов. Полученные результаты свидетельствуют о значительном повышении однородности и про ности высоконаполненных дисперсных систем и, следовательно, указывают на повышение качества получаемых материалов .

Пример 1. В качестве наполнител  используют кварцевый порошок с удельной поверхностью 1,5 (по БЭТ), а в качестве дисперсионной среды (жидкого св зующего) эпоксидну смолу марки ЭД-20 с аминным отвердителем - полиэтиленполиамином, вводимом в количество 10% от веса смолы; концентраци  твердой фазы в жидкой составл ет 300%. Смеситель, в котором осуществл ют процесс получени  однородной высоконаполненной дисперсной системы, жестко закрепл ют на источнике низкочастотных механических вивроударных колебаний - ударном вибростенде эксцентрикового типа. НсточНИКОМ ультразвуковых колебаний служит ультразвуковой диспергатор типа УЭДН-1.

Получение высоконаполненной однородной эпоксидной системы провод т

при 20°С следующим образом. В цилиндрический смеситель объемом 100 мл заливают 40 г эпоксидной смолы и 4 г отвердител  и после предварительного их перемешивани  мешалкой в смесь вво порошкообразного наполнител  и процесс смешени  продолжают в течение 5 мин до получени  относительно однородной массы. Предварительно перемешанной системе, наход щейс  в услови х непрерывного сдвигового деформировани , затем сообщают одновременно низкочастотную механическую ударную вибрацию с частотой 10 Гц при амплитуде, равной 1 мм и колебани  ультразвукового диапазона частот путем погружени  накЪнечника ультразвукового излучател  в обрабатываемую систему с частотой 20 кГц при интенсивности излучени  колебаний 50 Вт/см и стадию гомогенизации

осуществл ют в течение 4 мин.

Полученную композицию заливают в форму дл  ее последующего отверждени . Отверждение провод т при 50°С в течение 3 ч с последующей выдержкой формы при в течение 24 ч. Приготовленные таким образом отвержденные эпоксидные образцы подвергают испытани м на одноосное раст жение и сжатие. Прочность образцов в среднем составл ет 595 кгс/см в случае деформации одноосного раст жени  и 2000 кгс/см при одноосномJсжатии.

Контрольные образцы, полученные в тех же температурно-временных услоВИЯХ , но в отсутствие ультразвуковых воздействий на обрабатываемую систему, имеют следующие величины прочности: в среднем 450 кгс/см при деформации одноосного раст жени  и 1700 кгс/см

при одноосном сжатии образца.

Пример 2. В качестве высокодисперсного наполнител  используют белую сажу марки БС-50 с поверхностью 50 м2-/г (по БЭТ) , дисперсионна 

среда та же, что и в примере 1; концентраци  твердой фазы 30% от веса эпоксидного св зующего.

Процесс получени  высоконаполненной однородной системы осуществл ют

в той же последовательности операций.

.что и в предыдущем примере при следующих параметрах механических воздействий: частота источника вибро- : ударных колебаний равна 200 Гц с амп литудой 0,2 мм, а частота накладываемых ультразвуковых колебаний 100 кГц, ., при интенсивности излучени  100 Вт/см. Стадию предварительного смешени  исходных компонентов провод т за 5 мин, а гомогенизации течение 4 мин. Отверждение готовой однородной системы осуществл ют в температурно-временных услови х, аналогичных примеру 1. Прочность отвержденных эпоксидных образцов, испытанных на одноосное раст жение , составл ет в среднем 380 кгс/см, и соответственно,,контрольных 287 кгс/см.

Пример 3. Дл  приготовлени  высоконаполненной водной дисперсии (коллоидного цементного кле  примен ,ют.тонкоизмельченный портландцемент |Марки 400 с уд. поверхностью 0,5 (по БЭТ) следующего минерало ческого ростава, %: 3CaOSi02 54; 2 CaO-SiO is; ЗСаО. Afc2O.j 7; 4СаО к ifFc Oj 1Ь. В качестве заполнител  используют молотый кварцевый песок с удельной поверхностью 0,3 {по БЭТ), соотношение цемента и песка по весу соответственно 70 и 30%. ВодотвердГой отношение ,3,

Высоконаполненную однородную водную дисперсию коллоидного цементного кле  получают следующим образом.

, .

) Молотую смесь цемента и кварцевого

песка в количестве 300 г перемешивают с 90 г воды в цилиндрическом смеси теле вручную в течение 4 мин. Предварительно перемешанной системе, наход щейс  в услови х непрерывногосдвигового деформировани , затем сообщают одновременно низкочастотную механическую ударную вибрацию с частотой 10 Гц при амплитуде равной 1 мм и колебани  ультразвукового диапазона частот путем погружени  наконечника

ультразвукового излучател  в обрабатываемую систему с «астотой 20 кГц при интенсивности излучени  колебаний 50 Вт/см,   стадию равномерного .распределени  фаз в объеме смеси i (т.е. гомогенизацию) провод т в теIчение 3 мин.

f

Полученную массу заливают вформу с размером  чеек 20«2020 мм, в которой осуществл ют твердение минеральнрго в жущего в течение 168 ч при 20G и относительной влажности 90% до проведени  испытаний. Приготовлен ,ные отвержденные образцы подвергают испытани м на одноосное раст жение и сжатие. Прочность образцов в среднем составл ет 76 кгс/см в случае де .формации одноосного раст жени  и „7.10 кгс/см при одноосном сжатии.

Контрольные образцы, полученные ,в тех же температурно-временных услови х , но в отсутствие ультразвуковых воздействий на обрабатываемую систему имеют следующие величины прочности: в среднем 58 кгс/см при де|формации одноосного раст жени  и 520 кгс/см при одноосном сжатии образца..

П р и м е р 4. Дл  приготовлени  высоконаполненной водной дисперсии коллоидного цементного кле  примен ют тонкоизмельченный портландцемент марки 500 с уд.поверхностью 1 следующего минералогического состава, %: 3CaOSi02 60/ 2СаОХ XSi02 18; ЗСаОЛ О 4; 4CaO-ht O- x 14. Заполнитель используют тот же, что и в примере 3, при тех же весовнх соотношени х цемента и песка. Водотвердое отношение ,3 Получение однородной водной дисперси коллоидного цементного кле  осуществл ют в той же последовательности, что и в примере 3, при следующих параметрах механических воздействий: частота виброударных колебаний равна 200 Гц с амплитудой 0,2 мм, а частота накладываемых улБ-тразвуковых колебаний 100 кГц при интенсивности излучени  100 Вт/см. Стадии предварительного смешени  исходных компонентов смеси провод т за 4 мин, а гомогенизации э течение 3 миН. Отверждение готовой однородной массы смеси провод т в температурно-временных услови х , описанных в примере 3. Прочность отвержденных образцов коллоидного цементного кле , испытанных на одноосное раст жение, составл ет 88 кгс/см, а при деформации одноосного сжат   860 кгс/см и соответственно контрольных образцов 62 кгс/см и 580 кгс/см. . .

Приведенные примеры показывают, что использование данного способа : обеспечивает увеличение прочностных характеристик материала на 30-40% по сравнению с величинами прочности конрольных образцов, что указывает на значительное повышение однородности системы в целом. Кроме того, врем , необходимое дл  получени  высоконаполненных однородных дисперсных систем предлагаемом способом не превышает 15 мин, что значительно (в 47 раза) меньше времени получени  дисперсных материалов известными способами .

Claims (2)

1. Указанные в примерах режимы воздействи  на аналогичные системы неисчерпывают других возможных параметров , как низкочастотной механической ударной вибрации, так и колебаний ультразвукового диапазона. Приведенные примеры .не ограничивают также применение способа эпоксидными и ми96818 Унеральными св зукидими. Способ может быть реализован и на других дисперсных системах с различными жидкими дисперсионными средами (св зующими)- органическиеiи водные растворы, эмульсии, мйоЛа и др. Дл  каждой конкретной систег ы кроме указанных в примерах может потребоватьс  подбор подход щих параметров механических воздействий, чтобы исключить возможность разложени  дисперсионной Ю среды или изменени  фазового состо ни  системы за счет интенсивного ультразвукового воздействи . Формула изобретени  . Способ получени  высоконаполненных материалов, включающий использо15 6910 вание ударной механической вибрации при сдвиговом деформировании материзла , отличающийс  тем, что, с целью повышени  прочностных характеристик путем однородности раепределени  наполнител  в в зком св зук цем , материал одновременно с ударной механической вибрацией подвергают воздействию колебаний ультразвуково го диапазона частот. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Шукман В.Д, и др. Исследование вибрационного уплотнени  дисперсных структур. Доклады Академии наук СССР, 1970, т. 193, 5, сери  Химическа  технологи , с. 114 (прототип).
2. 2. Корнилович Ю.Е., Белохвостикова В.И. Ультразвук в технологии бетона . Киев, 1964.