p align="left">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 |
Полимер | Продолжительность синтеза, ч | ?отн. | ?уд. | ?пр. | [?] | Мn | Кн | | Стандартный* | 28 | 2,48 | 1,48 | 2,96 | - | 22000 (n=195) | 0,25 | | Синтезируемый в присутствии H2O | 3 | 1,09 | - | - | - | 19200 | - | | Синтезируемый в присутствии H3PO4 | 3 | 2,23 | 1,23 | 1,24 | 0,72 | 14012 | 1,003 | | |
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 |
Продолжи-тельность полимеризации, ч. | Относительная вязкость | Удель-ная вязкость | Приведен-ная вязкость | Характеристи-ческая вязкость | | 1 | 2,78 | 1,78 | 1,78 | - | | 2 | 2,17 | 1,17 | 1,17 | 0,18 | | 3 | 2,23 | 1,23 | 1,24 | 0,72 | | 4 | 2,07 | 1,07 | 1,07 | 0,58 | | 5 | 2,10 | 1,10 | 1,23 | 0,53 | | 6 | 1,72 | 0,72 | 0,72 | 0,55 | | |
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 |
Продолжительность полимеризации,ч. | Содержание НМС,% | Молекулярная масса | Константа Хагинса | | 1 | 21,9 | - | - | | 2 | 12,3 | 1769 | 14,390 | | 3 | 7,9 | 14012 | 1,003 | | 4 | 8,0 | 10145 | 1,337 | | 5 | 12,4 | 8867 | 1,110 | | 6 | 13,0 | 9374 | 0,959 | | |
Прочность при межслоевом сдвиге |
Продолжительность синтеза, ч | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | | ПТР | 6,5 | 4,8 | 26,8 | 18,6 | 7,6 | 3,9 | | Вязкость | | | | | | | | Прочность при межслоевом сдвиге, ?сдв., МПа | 16,3 | 14,1 | 17,1 | 9,7 | 14,3 | 14,6 | | |
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: Содержание полимера, % 15-20Содержание НМС, % не более 2Остаточная магнитная индукция, Тл не менее 0,3Коэрцитивная сила, кА/м не менее 320-350Прочность при межслоевом сдвиге, МПа не менее 5Готовым 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, % 15-20Содержание НМС, % не более 2Остаточная магнитная индукция, Тл не менее 0,3Коэрцитивная сила, кА/м не менее 320-350Прочность при межслоевом сдвиге, МПа не менее 52.2. Описание технологического процессаПри получении магнитопластов методом полимеризационного наполнения предложена следующая схема производства.Капролактам в виде кристаллов, размером 2 мм из емкости для хранения поз.1 поступает в смеситель поз.5. Туда же из бункера поз.2 подается фосфорная кислота. Компоненты поступают в смеситель с помощью весовых дозаторов. Смешение проводится в среде инертного газа - азота для предотвращения окисления смеси. Смеситель обогревается горячей водой, температура в смесителе 90°С. Капролактам расплавляется, смешивается с добавками и с помощью насоса поз.7 подается в следующий смеситель поз.6. Из герметичной емкости для хранения поз.4 в смеситель поз.6 с помощью весового дозатора подается феррит Ba. Смешение происходит также в инертной среде, при той же температуре. Затем подготовленная смесь поступает в автоклав поз.11, где происходит полимеризация капролактама на поверхности и в объеме наполнителя при температуре 250°С. После завершения процесса полимеризации из полученного материала формуется жилка, диаметром 2 мм, при продавливании через фильеру, которая проходит через ванну поз.17 с холодной умягченной водой. С помощью тянущих валков поз.15 и направляющих поз.14 жилка направляется на резательный станок поз.18.Синтезированный ПКА - полимерная основа магнитопласта - содержит большое количество НМС. Поэтому полученный после резки гранулят поступает в промежуточный бункер поз.20, а затем - в промыватель-экстрактор поз.25 для удаления НМС. Экстракция проводится горячей водой (температура воды 80°С) не менее 4-5 раз. Остаточное содержание НМС составляет около 2%. Промывные воды далее после экстракции направляются насосом поз.10 на регенерацию: вначале на установку для улавливания феррита Ba поз.9, снабженную магнитом, а затем - на фильтр поз.8 для удаления несполимеризовавшегося капролактама. В качестве материала фильтра можно использовать композиционные ионообменные волокнистые массы. Затем насосом поз.12 чистая вода возвращается в цикл.Отмытый гранулят транспортером поз.24 направляется в промежуточную емкость с дозатором поз.13, а затем - в барабанную сушилку поз.16 для удаления избыточной влаги, поглощенной на стадии экстракции. Сушка проводится при температуре 105°С с помощью горячего воздуха. После завершения сушки материал собирается в бункере для хранения с весовым дозатором поз.23.Изготовление изделий из магнитопласта осуществляется методом литья под давлением при температуре пластикации до 300°С, удельном давлении литья 1400 кгс/см2 на термопластавтомате поз.19 с последующим намагничиванием на установке поз.21 с применением импульсных магнитных полей. На термопластавтомат материал также поступает с помощью транспортирующего устройства поз.22.2.3. Основные параметры технологического процессаПараметры полимеризации· Соотношение компонентов:|
Капролактам | 20% | | Вода | 1% от М капролактама | | Уксусная кислота | 1% от М капролактама | | Феррит бария | 80% | | | · Температура полимеризации: Т = 250 ± 5°С· Время полимеризации: t = 6 часовПараметры изготовления изделий· Температура литья: Т = 230 ± 5°· Давление литья: Р = 140 МПаВремя выдержки под давлением: t выд = 14 сек2.4. Материальные расчетыМатериальный 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. 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.
Страницы: 1, 2
|