Способ получения наполненной композиции

 

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАПОЛНЕННОЙ КОМПОЗИЦИИ на основе полиолеф на , включающий измельчение напалнителя , его термообработку и смешение с полиолефином, отличающийс я тем, что, с целью упрощения способа и снижения энергетических затрат на егоосуществление, наполнитель сначала термообрабатывают до содержания влаги ,0,1-0,006 мас.%,а затем измельчают до увеличения удельной поверхности в 5-250 раз,причем все операщш способа осуществляют при 60-11,0°С.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

09) (11) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ABTOPCHOIVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3484213/23-05 (22) 10.09.82 (46) 15.09.84. Бюл. Ф 34 (72) Н.С. Ениколопов, В.A. Телешов, В.И. Кураченков, В.А. Точин и Н.А. Миронов (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт полимерных материалов н научно-производственное объединение "Норпласт" (53) 678. 023. 3 (088. 8) (56) 1. Кац Г.С. и др. Наполнители

-для полимерных композиционных материалов. М., "Химия", 1981, с. 183-199.

2. Патент США )) 3969314, кл. С 08 К 9/00, опублик. 1976 (прототип).

315)) С 08 3 3/20 В 29 В 1/00 (54) (57) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАПОЛНЕННОЙ КОМПОЗИЦИИ на основе полиолефИна, включающий измельчение наполнителя, его термообработку и смешение с полиолефином, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью упрощения способа и снижения энергетических затрат на его осуществление, наполнитель сначала термообрабатывают до содержания влаги,О, 1-0,006 мас .Х а затем измельчают до увеличения удельной поверхности в 5-250 раз,причем все операции способа осуществляют при 60-11,0 С.

1113390 2

Изобретение относится к композиционным полимерным материалам и может быть использовано при получении наполненных полимерных композиции. 5

Известен способ получения наполненных полимерных композиций, при осуществлении которого высушенный наполнитель определенного гранулометрического состава смешивают с порошком либо расплавом полимера и затем смесь подвергают грануляции И) .

Недостатком этого способа является то, что высушенный наполнитель в процессе транспортировки в смеситель вступает в контакт с атмосферой. При этом его влажность увеличйвается до равновесной с влажностью воздуха. Сорбированная 20 на поверхности частиц наполнителя влага при смешении его с полимером полностью не удаляется даже в процессе смешения наполнителя с расплавом полимера и, оставаясь на 25 поверхности частиц наполнителя, препятствует контакту полимера с напол- нителем. В результате физйко-механические свойства наполненной композиции, такие как прочность и удельная 30 ударная вязкость, резко ухудшаются.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является способ получения наполненной компози-g5 ции на основе полиолефинов, включающий измельчение наполнителя, его термообработку, подачу в смеситель и смешение с полиолефином.

В этом способе измельченный напол-40 нитель перед введением в термопласт сушат при температуре около 200 С и давлении 1 торр (133 Па) и смешивают с термопластом при 60-165 С и при давлении 1 торр 621.

Недостатком этого способа получения полимерной композиции из наполнителя и термопласта являются большие затраты э нер гии при сушке наполнит еля. Эти затраты обусловлены тем, 50 что для наполнения пластмасс, в частности термопластов, используют наполнители с размером частиц 30О, 1 мкм., Частицы такого размера имеют удельную поверхность О, 1- 55

30 м /г и, следовательно, могут сорбировать значительное количество влаги.

Цель изобретения " снижение энергетических затрат и упрощение процесса при сохранении высоких физикомеханических показателей композиЪ ции .

Указанная цель достигается тем, что согласно способу получения наполненной композиции на основе полиолефина, включающему измельчение наполнителя, его термообработку и смешение с полиолефином, наполнитель сначала термообрабатывают до содержания влаги О, 1-0, 006 мас . X, à затем измельчают до увеличения удельной поверхности в 5-250 раз и процесс осуществляют при 60-110 С.

Снижение энергетических затрат при использовании предлагаемого способа обусловлено тем, что основная часть энергии при сушке тратится на удаление влаги, тесно связанной с поверхностью наполнителя, т.е. адсорбционной пленки, состоящей из нескольких мономолекулярных слоев.

Большая часть влаги может быть удалена механическими способами (отжим, центрифугирование и т.д.) либо выдерживанием в атмосфере воздуха с влажностью менее 70Х. Эти способы не требуют больших затрат энергии. Остающаяся влага адсорбирована на поверхности и может быть удалена только в результате испарения, что связано с большими энергетическими затратами. Количество адсорбированной влаги пропорционально площади поверхности наполнителя.

Поэтому затраты энергии на сушку резко возрастают с уменьшением размеров частиц наполнителя. При использовании предлагаемого способа производится сушка неизмельченного (крупного) наполнителя, а измельчение, транспортировка и смешение производится в условиях, исключающих образование адсорбционной пленки на вновь образованной поверхности.

Характеристики использованных наполнителей, режимы их сушки и энергетические затраты приведены в табл.1.

Физико-механические показатели композиций, полученных с использованием предлагаемого способа и прототипа, приведены в табл.2.

Пример l. Кварц-силикатный наполнитель со средине размером частиц 570 мкм, удельной поверхностью

1113

390

60 см /г,рассчитанной по размеру частиц, и исходной влажностью

0,05 мас.7. в количестве 10 кг нагревают в барабанной сушилке до о

60 С, транспортируют в измельчающее устройство (дезинтегратор), измельчают до увеличения поверхности в

250 раэ (средний размер частиц

7,8 мкм) и смешивают с 15 кг порошка полиэтилена в быстроходном сме- !О сителе.

В процессе транспортировки, измельчения и смешения температуру контролируют и поддерживают равной д

60 С. Затем полученную смесь дози- 15 руют в двухчервячный смеситель и гранулируют.

Пример 2. Кварц, тот же, что и в примере 1, сушат в барабанной сушилке при 110 С до остаточной 20 влажности 0,006 мас.7 и при этой же температуре измельчают, смешивают с порошком полиэтилена и дозируют в двухчервячный смеситель, где смешивают. с расплавом полимера и гранули- 25 руют как и в примере 1.

Пример 3. Кварцевый песок со средним размером частиц 80 мкм, удельной поверхностью 2400 см /г и начальной влажностью 0,2 мас.7 в количестве 10 кг сушат при 110 С до остаточной влажности 0,05 мас.Х, транспортируют в дезинтегратор при

110 С ы измельчают до среднего размера частиц 7,8 мкм, удельная по35 верхность при этом увеличивается до

14800 см /г. Затем, как и в примере 1, его смешивают с 15 KF полимера и гранулируют.

Пример 4. Кварц, тот же, что и в примере 1, измельчают при комнатной температуре в дезинтеграторе до среднего размера частиц

7,8 мкм (удельная поверхность 1,48 м /г), засыпают в крафтмешок и 41 выдерживают сутки в закрытом помещении при комнатной температуре.

Полученный таким образом кварцевый порошок имеет влажность

1,12 мас.7.. Этот порошок в количестве59

10 кг сушат при 110 С до остаточной влажности 0,257., Затем при этой же температуре смешивают с 15 кг порошка полимера и далее проводят операции, описанные в примере 55

Пример 5. Кварцевый порошок с удельной поверхностью 1,48 м /г и влажностью 1,12 мас.7., полученный

4 как в примере 4, сушат в вакууме при 200ОC до остаточной влажности

0,005 мас.Ж и затем дозируют при этой же температуре во вторую зону загрузки двухчервячного экструдера.

При этом в первую зону загрузки дозируют высушенный гранулированный полимер. В результате на выходе экструдера получают композицию, содержащую 40 мас.X накопителя и

60 мас.Ж полимера. Из гранул полученной композиции готовят образцы.

В примерах 6, 7, 8, 9 и 1О вместо кварца используют карбонатный наполнитель — кальцит.Эти примеры ан-члогичны примерам 1, 2, 3, 4 и 5 соответственно. В качестве полимера используют полипропилен.

Сравнение физико-механических характеристик композиций, полученных по прототипу (примеры 5 и 10), с контрольными примерами (4 и 9) показывает, что использование глубокой вакуумной сушки позволяет значительно улучшить свойства композиций. Особенно существенно увеличение относительного удлинения при разрыве и удель-: ной ударной вязкости. В контрольных примерах, где используют предварительно измельченные наполнители и обычно применяемьпЪ режим сушки, влажность остается на уровне О, 25-О, 3 мас.Х, что приводит к ухудшению физико-механическихх характеристик композиций, Применение предлагаемого способа позволяет получить композиции с улучшенными свойствами. Это видно иэ сравнения физико.-механических характеристик композиций по примерам 2 и 3 с контрольным примером 4 и соответственно примеров 7 и 8 с приМером

9. Свойства композиций по примерам 2, 3 и 7, 8 практически не отличаются от свойств композиций, полученных по прототипу (примеры 5 и 10), несмотря на то, что конечная влажность наполнителя в примерах

3, 7, 8 выпе, чем влажность наполнителя, полученного по способу прототипа (примеры 5 и 10) . Этому неожиданному факту трудно дать однозначное объяснение, но практическая важность его несомненна, так как появляется дополнительная возможность уменьшения затрат на сушку.

При использовании крупного наполнителя с малой удельной поверхностью (примеры 1 и 6) исходная

1113390!

Та блица 1

Удельная поСредний размер частиц, мкм

Наполнитель

Измельчение до сушки

Пример, Я

ИсходВлажность после сушки при

100 С мас.7. ная верхность, см lr ность, мас.7

570

0,05

570

0 05

О, 006

Кварц (силикатвлажность достаточно низка и предлагаемый способ позволяет устранить стадию сушки. Если операции измельчения, последующей транспортировки и смешения осуществляют при температуре выше 60 С, то получаемые композиции имеют физико-механические свойства, близкие к свойствам композиций, полученных по прототипу.

Это видно из сравнения данных табл.2 для примера 1 с примером 5 и для примера 6 с примером 10.

Для анализа энергетических затрат табл. 1 представлена в форме, отражаю- 15 щей последовательность технологических операций. Из табл.1 видно, что основное отличие предлагаемого способа от прототипа заключается

) в изменении последовательности техно- 20 логических операций и условий сушки наполнителя. Дополнительные затраты по предлагаемому способу, связанные с необходимостью нагревания наполнителя, его транспортировки и смеше- 25 ния с полимером при повышенной температуре, незначительны, что видно из примеров 1 и 6 в табл.1 и из описания примера 1. В примерах 2, 3, 4 и соответственно 7, 8, 9 приведенные в табл.1 энергозатраты включают затраты энергии на сушку наполнителя и дополнительные затраты. Как видно из сопоставления энергозатрат по примерам 1, 2, 3 с примером 5 и по примерам 6, 7, 8 с примером 10, пред35 лагаемый способ позволяет достичь значительной. экономии энергозатрат по сравнению с прототипом.

Упрощение технологического процес-40 са является следствием того, что в предлагаемом способе все операции с измельченным наполнителем выполняются в замкнутой системе непосредственно после измельчения. Операции эатарки, транспортировки, хранения и т.д. производятся с наполнителями, размеры частиц которых относительно велики (0,08-0,5 мм).

Такие порошки не слеживаются при транспортировке и хранении, легко .сыпучи и практически не пылят.Эти свойства позволяют использовать упрощенные бункеры-хранилища наполнителей без ворошителей и фильтров тонкой очистки воздуха от пыли.

Таким образом, появляется возможность обеспечить выполнение санитарно-гигиенических норм и требований технически безопасности при уровне затрат существенно меньших, чем при использовании заранее измельченного наполнителя.

Устранение вакуумной сушки и транспортировки наполнителя в вакууме упрощает конструкцию загрузочных устройств и исключает использование сложной системы вакуумирования высокодисперсного наполнителя, а также упрощает систему дозирования наполнителя в расплав полимера. Кроме того, предлагаемый способ имеет более широкие функциональные возможности по сравнению с прототипом, так как позволяет не только вводить наполнитель в расплав полимера, но и проводить предварительное смешение порошка полимера с наполнителем.

Эта операция в ряде случаев обеспечивает более равномерное распределение наполнителя в полимере, их однородность состава композиции.

1113390

Продолжение табл.1 ный наполннтель) 3

0 05

4 (Контрольный) +

7,8

0,25

14800

5 (Прототип) 7,8

1,12

300

100

0,1

300

0,1

3200

0,23 наполнитель) 9 (Контрольный) +

7,2

16400 1,20

0,3

7,2

10 (Прототип) 16400

1 20

Продолжение табл. I

Наполнитель

Влажность

Влажность наполЗатраты нителя при смешении с полимером

0 05

0,5

0,006

3,4

0,05.9,4

48,0

0 005

580

0,1

0,5

0,01

4,8

0,06

9,5

0;3

48,0

0,008

0,008

610

II р и м е ч а н и е: Знак "+" означает наличие операции, знак "-" — отсутствие операции.

Кальцит (карбонатный

Кварц (силикатный наполнитель) Кальцит (карбонатный наполнитель) после сушки при 200 С в вакууме, мас.Ж

0,25

0,005

2400 . 0,20

14800 1, 12 энергии на сушку или ° нагрев кВт-ч/т

0,01

0,06

Измельчение после сушки или нагрева

1113390

Показатели

1,272

Плотность, г/см

1,268 1,251

1, 272

1, 269

Напряжение при пределе текучести, МПа 24,0

25,0

24,5

25,5

8,0

8,5

7 5

Разрывное напряжение, МПа

23,0

22,0

21,5

22,0

21,5

Относительное удлинение при разрыве,7

24,0

12,0.

21,0

23,5

20,5

24

43

Продолжение табл. 2

Кальцит + полипропилен

40 мас.ч. + 60 мас.ч.

Показатели

1,227

Плотность, г/см

1, 230

1, 228 1, 218

1,230

Напряжение при пределе текучести, МПа

26,5

26,5

26,0

27,0

27,0

6,8

7,0

7,3

7,0

Разрывное напряжение, МПа

28,0

29,5

28,5

24,0

29,0

Относительное удлинение при разрыве,X

36,0

50,0

42,0 19,0

47,0

34 32

17

Редактор Н. Киштулинец

Заказ 6525/20

Тираж 468 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4

Относительное удлинение при пределе текучести, %

Удельная ударная вя з кос т ь по Шар пи, кДж/м

Относительное удлинение при пределе текучести, Ж

Удельная ударная вязкость по Шарпи, кдж/М2 (Та блица 2

Кварц + ПЭВП 40 мас.ч. + 60 мас.ч.

Составитель Л. Ягодкина

Техред Л.Коцюбняк Корректор В. Бутяга