Устройство для получения постоянных магнитов методом экструзии

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) методом экструзии. Устройство содержит источник подачи расплава композиционного полимерного материала с магнитным наполнителем под давлением, матрицу с заходным коническим формующим каналом. В формующем канале матрицы установлены один или несколько дорнов с формующими элементами. Формующие элементы простираются в направлении экструзии и обеспечивают разделение потока полимерного материала. Устройство включает также источник постоянного магнитного поля и магнитопроводы, создающие в формующем канале магнитное поле заданной топографии и ориентирующие его по нормали к направлению экструзии. Стенки матрицы, стенки формующего канала и элементы дорна выполнены из проницаемого для газа и жидкости пористого материала. Они соединены с устройством подачи газа или жидкости под давлением через систему распределительных каналов. Изобретение обеспечивает расширение технологических возможностей устройства, повышение магнитных свойств изделий и увеличение их ассортимента, а также возможность использования полимерных композиций с более широким набором наполнителей. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

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).

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/.

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.

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.

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.

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/.

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.

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.

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).

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/.

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.

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.

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.

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.

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.

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».

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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).

Согласно предлагаемым техническим решениям достигается основная цель предлагаемого изобретения - повышение магнитных свойств изделий и появляются дополнительные возможности для расширения их ассортимента.

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.

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.

1. Устройство для получения постоянных магнитов методом экструзии, включающее 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, отличающееся тем, что 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.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что формующие элементы дорна и стенки матрицы имеют одинаковую длину и одинаковый уровень в плоскости выхода материала из формующего канала.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система распределительных каналов соединена с источником подачи расплава немагнитного материала, а формующий канал на выходе снабжен системой охлаждения.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что передняя часть матрицы и передняя часть элементов дорна, выполненные из проницаемого для движения воздуха материала, отделены непроницаемой перегородкой от остальной 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.