Способ получения органоминеральных композиций
Изобретение относится к области производства композиционных материалов на основе органоминеральных смесей и может быть использовано для получения строительных и др. материалов с заранее заданными свойствами. Способ получения органоминеральных композиций включает смешение полимерной матрицы и наполнителя, включающий активацию смеси путем СВЧ-нагрева смеси на частотах от 915 до 5200 МГц до температуры от 90 до 120°С при потоке мощности от 50 до 500 Вт/см2 с глубиной проникновения СВЧ-поля от 20 до 100 мм в течение промежутков времени от 60 до 240 с. Технический результат - получение высококачественных композиционных материалов. 2 табл.
Изобретение относится к области производства композиционных материалов на основе органоминеральных смесей - органических полимеров с наполнителями и может быть использовано для получения строительных и др. материалов с заранее заданными свойствами.
Получение высококачественных композиционных материалов на основе органоминеральных смесей - матриц органических и наполнителей требует применения активации основных компонентов смеси для обеспечения их физико-химического взаимодействия между собой, необходимого для образования нового конечного продукта. Между тем известные способы активации таких смесей, применяемые для получения продукта с необходимыми свойствами (механохимические, термические и др.), эффективно влияют обычно либо на органическую часть композиции, либо на неорганическую и получить в этих условиях даже на основе хорошо механически гомогенизированной смеси исходных компонентов новый конечный изотропный материал с одинаковыми свойствами в любой точке и по всем направлениям изделия часто бывает невозможно.
Известны два основных типа композиций такого рода.
Первый тип - в нем основным элементом структуры является матрица органического полимера (например, поливинилхлорид ПВХ), а наполнители - неорганические типа опоки, диатомита, мела, каолина, асбеста, слюды, двуокиси титана или древесные опилки и др.
Известны практические способы изготовления таких композиций, например строительных материалов, из смеси органического полимера типа поливинилхлорида ПВХ (матрица) и наполнителя (древесных опилок), включающие механическое смешение этих компонентов, активацию - обычный электронагрев до 130-220°С и формование изделий (патенты РФ 1562145, кл. В 27 Н 3/02, 1991 г., №16666306, кл. В 27 N 3/02, 1991 г.).
Недостатками этих способов являются низкие значения физико-механических свойств этих изделий (особенно при уменьшении количества вводимого полимера), вызванные плохой пропиткой древесины полимером и, как следствие, анизотропией свойств изделия.
Второй тип - в нем матрицей служат неорганические полимеры (например, смеси цементов и песка), а наполнителями - кремнийорганические полимеры типа ГКЖ-94.
Известен практический способ изготовления композиций такого рода, например облегченных (пеноцементных) строительных и тампонажных растворов из смеси, неорганического полимера (цемент) - матрица и кремний-органической полимерной добавки - а.с. СССР №726306 Бюлл. Изобр., 1980 г., №13. Основным недостатком этого способа (тип активации - механическое перемешивание) являются снижение прочности изделий в 1,3-2,7 раза при введении полимерной добавки и высокие значения водо-газопроницаемости, обусловленные неоптимальной поровой структурой изделий с большим количеством проницаемых капиллярных пор, не заполненных полимером.
Наиболее близким по технической сущности и достижимому эффекту является способ изготовления материалов и изделий из высоконаполненных пластмасс на основе термопластического полимерного связующего и дисперсного наполнителя, включающий сушку, обработку, смешение и формование при нагревании, отличающийся тем, что обработку и смешение компонентов осуществляют методом трибоактивации в потоке со скоростью частиц от 10 до 40 м/с, а формование - при пределе текучести от 0,1 до 5,5 г / 10 мин (патент РФ №2133254, МПК С 08 J 5/04 от 17.10.1997 г.). Основным недостатком этого способа является высокое водопоглощение изделий (3-15% за 24 часа), вызванное низкими значениями пропитки полимером древесины из-за неоптимальной поровой структуры последней, а также сравнительно невысокие прочностные и эксплутационные свойства изделий (прочность, долговечность и др.).
Цель предлагаемого изобретения - получение качественных органоминеральных композиций из смеси полимерной матрицы и наполнителя.
Поставленная цель достигается тем, что в способе получения органоминеральных композиций из смесей полимерной матрицы и наполнителя, включающем смешение компонентов, активацию сырьевой смеси и производство изделий, активацию сырьевой смеси исходных компонентов осуществляют путем СВЧ-нагрева до температуры от 90 до 120°С при потоке СВЧ-мощности от 50 до 500 Вт/см2 на частотах от 915 до 5200 МГц с глубиной проникновения СВЧ-поля от 20 до 100 мм в течение промежутков времени от 60 до 240 с.
Способ осуществляется следующим образом.
Пример 1.
Состав композиции: матрица - органический полимер поливинилхлорид марки С-6768 М - 70-85 в.ч.; возможны добавки 15-30 в.ч. дробленых отходов ПВХ-профиля, сополимеров ПВХ с винилацетатом, пропиленом, полистиролом и т.п.; наполнитель - типа опоки, диатонита, мела, рутила, каолина, талька, асбеста, слюды; древесных опилок - до 30 в.ч.
Смешение компонентов композиции происходит в вихревой мельнице ВМ-350 производства НПК «Вихревые технологии» (г.Новосибирск) по патенту РФ №2057588 от 22.11.1991 г. производительностью 500 кг/час при расходе воздуха 3000 м3/час и рабочем давлении компрессора 6 атм.
Активацию смеси исходных компонентов с влажностью от 15 до 100% и ее предварительную пластикацию осуществляют путем ее СВЧ-нагрева до 120°С с последующим быстрым охлаждением до 40°С и выдерживанием в течение 24 час при 20°С; применяется СВЧ-нагрев с использованием СВЧ-генераторов с потоком мощности от 50 до 100 Вт/см2 с глубиной проникновения СВЧ-поля от 20 до 100 мм на частотах от 915 до 5200 МГц в течение промежутков времени от 60 до 240 с.
Производство изделий из активированной таким образом смеси (ПВХ профиля, сайдинга, половой доски, полимерпаркета и др.) осуществляется методом экструдирования на двухшнековых экструдерах типов Arqos-114 и Titan-68. Управление процессом производится с помощью компьютерной программы; при этом температура расплава полимерной смеси составляет 180-210°С, а давление - 150-350 бар, что обеспечивает оптимальную окончательную пластикацию формовочной массы.
Основные технологические свойства ПВХ профиля с добавками 30% отходов ПВХ производства и 20% древесных опилок (способ активации - СВЧ-нагрев, способ производства - экструзионный) приведены в таблице 1. Применение матричной СВЧ-активации оптимизирует поровую структуру наполнителя, его пропитка полимером возрастает до максимума, свойства материала (предел прочности при растяжении и сжатии, модуль упругости, прочность сварных угловых соединений, ударная вязкость, коррозионная стойкость, водопоглощение) улучшаются и усредняются по всему объему из-за активного взаимодействия матрицы и наполнителя, что позволяет даже с использованием до 50% наполнителя получить соответствующий ГОСТу качественный и дешевый материал с изотропными свойствами для самых различных областей применения. Применение матричной СВЧ-активации является технико-экономически эффективным.
Пример 2.
Состав композиции: поливинилацетатная дисперсия ПВАД, дисперсии сополимеров ПВА с этиленом, винилхлоридом и др., редиспергируемые порошки на их основе типа VINNAPAS (пр-во Германии, ф. Ваккер-Полимер-Системс), полиакриламид, кремнийорганические полимерные жидкости типа ГКЖ-94, алкилполисилоксаны, этиловый эфир ортакремниевой кислоты и др. - от 1,5 до 3,5% от веса сухой смеси, наполнитель - неорганический (портландцемент марки «500-Д-О» завода Вольск-цемент - 85-150 в.ч.) в смеси с неорганическими добавками (песок и опока Вольских карьеров, зола, отходы Вольского асбоцемкомбината и низкие сорта асбеста, гальваношлам - конечный продукт нейтрализации промстоков, зола - 0-400 в.ч.) и жидкостью затворения (вода - 50-60 в.ч. с растворенным в ней пенообразователем - ИТАЛМАС, АРЕКОМ-И, ПБ-2000, FOAMCEM (0,3-0,5 в.ч.) и ускорителем твердения - Простон Д-18 (0,1-1,5 в.ч.).
Смешение компонентов происходит следующим образом - в аэраторе (генератор пены, состоит из компрессора производительностью 613 л/мин, пенопроизводящего механизма из 2-х резервуаров по 150 л каждый) готовится пена, которая подается в смеситель (цистерну объемом 800 л с горизонтальным двойным шнеком), куда подаются компоненты с добавками и наполнитель. После окончания процесса смешения компонентов и получения однородной смеси компонентов и наполнителя (3-4 мин), смесь винтовым насосом мощностью 5,5 кВт (статор - резиновый, ротор - металлический «червяк», производительность - 13 м3/час) высасывается из смесителя и поступает на СВЧ-активацию, осуществляемую в течение 120-240 с на кольцевом участке продуктопровода, изготовленного из полимерных труб (ПВХ, полипропилен, тефлон) ⊘ 60 мм, длиной 15 м путем СВЧ-нагрева раствора до температуры 90°С с применением СВЧ-генераторов с потоком мощности от 50 до 500 Вт/см2 с глубиной проникновения СВЧ-поля от 60 до 100 мм на частотах от 915 до 5200 МГц; после СВЧ-активации раствор идет на изготовление изделий путем заливки форм или опалубок (на высоту до 10 этажа). Один полный цикл длится 12-15 мин, за 1 смену установка, которую обслуживают 3 человека, дает 20-30 м3 СВЧ-активированной безавтоклавной органоминеральной композиции, отверждение которой происходит при нормальной температуре в течение 3-6 час.
Основные технологические свойства изделий, полученных с применением матричной СВЧ-активации, приведены в табл.2. Данные табл.2 подтверждают практическую полезность применения способа матричной СВЧ-активации органоминеральных композиций. В данном случае СВЧ-активация оптимизирует поровую структуру матрицы, делая ее в момент разжижения и полимеризации более проницаемой, что резко увеличивает интенсивность пропитки матрицы полимером и приводит к улучшению изотропности и других важнейших свойств формирующейся прочностной структуры изделий на основе полимерпенобетона.
| Таблица 1 Способ получения органоминеральных композиций. | |||||||||
| № п/п | Основные технологические свойства | Композиция | |||||||
| Стандартный ПВХ-профиль на основе смолы С-6768М без добавок ПВХ-отходов и наполнителя (ГОСТ 30673-99). Способ активации - электронагрев в экструдере | ПВХ-профиль на основе смолы С-6768М с добавкой 10% ПВХ-отходов и 30% древесных опилок. Способ активации - электронагрев в экструдере | ПВХ-профиль на основе смолы С-6768М (50%) с добавкой 30% ПВХ-отходов и 20% древесных опилок. Способ активации - СВЧ-нагрев | |||||||
| а | б | в | |||||||
| (для сравнения с графой «в») | |||||||||
| 1 | Модуль упругости при растяжении, МПа (по ГОСТу 9550-81 - не менее 2100) | 2240 | 1980 | 2270 | |||||
| 2 | Прочность сварных угловых соединений, Н (по ГОСТу 30673-99 - не менее 2000) | 2350 | 1840 | 2050 | |||||
| 3 | Ударная вязкость по Шарли, кДж/м2 (по ГОСТу 4647-80% снижение после старения - не более 50) | Исх. | После старения | % | Исх. | % | После старения | ||
| 41,3 | 29,3 | 29,0 | 32,5 | 51,1 | 15,9 | ||||
| 4 | Стойкость к слабоагрессивному воздействию кислот, щелочей и солей (по ГОСТу 12020-72 снижение прочности - не более 10% от исх.) | 3% р-р H2SO4 | 3% р-р NaOH | 3% р-р NaCl | 3% р-р H2SO4 | 3% р-р NaCl | 3% р-р NaOH | ||
| 2,7 | 1,4 | 1,1 | 9,7 | 8,2 | 8,5 | ||||
| Заключение | Материал соответствует ГОСТу 30673-99 | Материал не соответствует ГОСТу 30673-99 | Несмотря на введение 50% добавок (наполнителя), благодаря применению СВЧ-активации материал соответствует ГОСТу 30673-99 | ||||||
| Таблица 2 Способ получения органоминеральных композиций. | |||||||||
| 1. | Предел прочности σ на сжатие/растяжение (изгиб), МПа при γ-плотности, кг/м3: | СВЧ-активированные органоминеральные композиции безавтоклавного твердения | Обычная органоминеральная композиция безавтоклавного твердения | ||||||
| легкие (теплоизоляция) | средние, (кон-струкц. - теплоизоляц.) | тяжелые (конструкционные) | Средние (теплоизоляционно-конструкционные) | Тяжелые (конструкционные) | |||||
| γ | σ | γ | σ | γ | σ | γ | σ | γ | σ |
| 300 | 0,8/0,2 | 800 | 4,0/0,8 | 1400 | 10,0/1,8 | 800 | 2,5/0,5 | 1400 | 7,5/1,0 |
| 400 600 | 1,0/0,3 2,0/0,5 | 1000 1200 | 6,0/1,0 9,0/1,4 | 1500 1600 | 18,0/2,4 20,0/3,0 | 1000 1200 | 4,0/0,6 6,0/0,8 | 1500 1600 | 12,6/1,8 16,0/2,1 |
| 2. | Модуль статической упругости Е, кг/см2 | для γ=1400 кг/м3 | для γ=1400 кг/м3 | ||||||
| 80000 | 60000 | ||||||||
| 3. | Морозостойкость, число циклов | 35 | 35 | ||||||
| 4. | Коэфф-т теплопроводности, Вт/м·К | 0,1-0,3 | 0,25-0,45 | ||||||
| 5. | Min сопротивление теплопередаче (по ТСН 23-340-2004), м2·°С/Вт | 3,066 | 2,085 | ||||||
| 6. | Нормируемая воздухопроницаемость σn, не более (СНиП 23-02-2004), кг/м2·ч | 0,5 | 0,56 | ||||||
| 7. | Сопротивление паропроницанию Rп (СНиП 23-02-2004), м2·ч·Па/мг | 3,53 | 2,25 | ||||||
| 8. | Звукоизоляция (при 500 Гц), дБ | 32,0 | 21,5 | ||||||
| (панель толщ. 8 см с плотностью ППБ γ=800 кг/м3 | |||||||||
| 9. | Коэфф-т теплового расширения, мкм/м·°С | 5,0 | 4,9 | ||||||
| 10. | Усадка, мкм/м | 450,0 (за период 0-365 сут) | 620,0 (0-365 сут) |
Способ получения органоминеральных композиций из смеси полимерной матрицы и наполнителя, включающий их смешение с последующей активацией полученной смеси, отличающийся тем, что активацию смеси осуществляют путем СВЧ нагрева до температуры от 90 до 120°С при потоке СВЧ мощности от 50 до 500 Вт/см2 на частотах от 915 до 5200 МГц с глубиной проникновения СВЧ поля от 20 до 100 мм в течение промежутков времени от 60 до 240 с.
