Полимерная композиция
Владельцы патента RU 2428442:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московская государственная академия тонкой химической технологии имени М.В. Ломоносова" (RU)
Изобретение относится к полимерной композиции для изготовления фенопластов, используемых в качестве конструкционных материалов для изготовления тонкостенных деталей сложной конфигурации. Полимерная композиция выполнена на основе новолачной фенолоформальдегидной смолы и уротропина и включает древесную муку, углеродный наполнитель и смазку. В качестве углеродного наполнителя она содержит шунгит, а новолачную фенолоформальдегидную смолу и уротропин используют в виде порошкообразного фенольного связующего с содержанием свободного фенола не более 1,0 мас.% при следующем соотношении компонентов, мас.%: связующее - 38,4-43,7; древесная мука - 3,0-10,2; шунгит - 45,2-56,6; смазка - 1,0-2,0. Технический результат - снижение удельного объемного электрического сопротивления полимерной композиции и повышение прочностных характеристик. 1 табл.
Изобретение предназначено для изготовления фенопластов, используемых в качестве конструкционных материалов для изготовления тонкостенных деталей сложной конфигурации, например антистатической тары и деталей газовых счетчиков.
Известна полимерная композиция - графитопласт АТМ-1, включающая фенолоформальдегидную смолу и углеродный наполнитель в виде искусственного электродного графита. Известная композиция обладает высокой электропроводностью: удельное объемное электрическое сопротивление материала составляет ρυ=9*10-5 Ом*м [Шембель Н.Л. Электропроводные пластмассы с углеродными наполнителями / Н.Л.Шембель, Ю.В.Рыбкина, Л.П.Тащилова, В.Н.Кулезнев // Работоспособность полимерных материалов для низковольтной изоляции. - М., МДНТП им. Ф.Э.Дзержинского. - 1985. - С.66-70].
Недостатком известной композиции является относительно низкая механическая прочность при сжатии (80 МПа) и изгибе (26 МПа), а также высокая хрупкость (а=1,6 кДж/м2) и низкая текучесть расплава (менее 40 мм).
Высоконаполненные графитопласты и углеродопласты на основе термореактивных смол являются электропроводными жесткими, хрупкими прессовочными материалами, что ограничивает возможность изготовления тонкостенных изделий и деталей сложной конфигурации.
Известна полимерная композиция, содержащая фенолоформальдегидную смолу, углеродный наполнитель в виде графита, каолин, тальк и измельченную древесину при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Резольная фенолоформальдегидная смола | 18-20 |
| Графит | 10-20 |
| Каолин | 2-5 |
| Тальк | 2-5 |
| Измельченная древесина | До 100 |
Известная композиция имеет следующие свойства: прочность при сжатии 104-119 МПа, твердость 18,2-19,8 МПа, удельное объемное электрическое сопротивление: ρυ=1010-1012 Ом*м [А.с. СССР № 1643574, МКИ C08L 61/10, Антифрикционная самосмазывающаяся пресс-композиция, опубл. 23.04.91. Бюл. № 15].
Недостатком известной композиции является относительно низкая механическая прочность при сжатии и твердость, а также высокое значение ρυ, что ограничивает возможности ее применения для деталей, требующих защиты от статического электричества.
Наиболее близким техническим решением является полимерная композиция, включающая новолачную фенолоформальдегидную смолу, уротропин, древесную муку, углеродный наполнитель в виде двух марок графита, смазку и другие добавки: СаО и тальк [ТУ 2253-052-05015227-96. «Массы прессовочные фенольные марок АФ3-010-72 и АФ3В-010-72»].
Состав и свойства композиции приведены в таблице в графе - прототип.
Недостатком известного технического решения является относительно невысокая прочность и высокое удельное объемное электрическое сопротивление ρυ=1011 Ом*м, что не обеспечивает защиту деталей от возникновения статического электричества.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение удельного объемного электрического сопротивления полимерной композиции и повышение прочностных характеристик.
Данный технический результат достигается тем, что полимерная композиция на основе новолачной фенолоформальдегидной смолы и уротропина, включающая древесную муку, углеродный наполнитель и смазку, в качестве углеродного наполнителя содержит шунгит, а новолачную фенолоформальдегидную смолу и уротропин используют в виде порошкообразного фенольного связующего с содержанием свободного фенола не более 1 мас.%, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Связующее | 38,4-43,7 |
| Древесная мука | 3,0-10,2 |
| Шунгит | 45,2-56,6 |
| Смазка | 1,0-2,0 |
Полимерную композицию и изделия из нее готовят известными приемами, принятыми в производстве фенопластов и изделий из них. [Кацнельсон М.Ю., Балаев Г.А. Пластические массы: Свойства и применение: Справочник. - 3-е изд., перераб. - Л.: Химия, 1978. - 384 с.].
Пример 1. Связующее, стеарат цинка и шунгит в соответствии с рецептурой, приведенной в таблице, взвешивают, загружают в барабан смесителя и смешивают в течение 1 ч, после чего вальцуют на горячих вальцах. Вальцованную массу измельчают, просеивают через сито №2, стандартные образцы изготавливают методом литьевого или компрессионного прессования при температуре 150-170°С, давлении 30 МПа и времени выдержки под давлением 5 мин. Свойства композиции 1 приведены в таблице.
Примеры 2-5 выполняют, как описано выше, с тем отличием, что компоненты берут в количествах, указанных в таблице.
| Состав и свойства полимерных композиций | ||||||
| Примеры | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | Прототип |
| 1. Состав, мас.% | ||||||
| Фенолоформальдегидная смола | - | - | - | - | - | 42,4 |
| Уротропин | - | - | - | - | - | 6,4 |
| СаО | - | - | - | - | - | 0,9 |
| Тальк | - | - | - | - | - | 4,0 |
| Графит ГЛС-3 | - | - | - | - | - | 17,0 |
| Графит ЭУТ-11 | - | - | - | - | - | 18,4 |
| Древмука | 1,0 | 3,0 | 6,1 | 8,9 | 10,2 | 10,0 |
| Смазка | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0* | 1,0* | 0,9* |
| Связующее | 32,0 | 38,4 | 43,0 | 43,7 | 43,6 | - |
| Шунгит | 65,0 | 56,6 | 48,9 | 45,4 | 45,2 | - |
| 2. Свойства: | ||||||
| Плотность, 103 кг/м3 | 178 | 1,65 | 1,60 | 1,59 | 1,58 | 1,6 |
| λизг, МПа | 66 | 63 | 69 | 80 | 70 | 60 |
| а, кДж/м2 | 1,6 | 2,7 | 2,9 | 4,0 | 3,5 | 2,5 |
| ρυ, Ом*м | 0,14 | 2,1 | 3,3 | 3,7 | 4,0 | 1011 |
| W за 24 ч, % | 0,04 | 0,05 | 0,06 | 0.11 | 0,11 | 0,16 |
| Текучесть, мм | 15 | 140 | 180 | >200 | 160 | 110 |
| Тм, °С | 170 | 163 | 160 | 155 | 156 | 150 |
| ПРИМЕЧАНИЕ (к таблице). σизг - изгибающее напряжение при разрушении; а - удельная ударная вязкость; ρυ - удельное объемное электрическое сопротивление; W - водопоглощение за 24 ч; Тм - теплостойкость по Мартенсу. Смазка - стеарин, в остальных примерах смазка - стеарат цинка. |
В качестве смазки используют стеарин или стеарат цинка.
Применение порошкообразного фенольного связующего исключает необходимость применения операции измельчения фенолоформальдегидной смолы и уротропина, а также улучшает санитарно-гигиенические условия производства благодаря содержащейся в связующем малотоксичной новолачной фенолоформальдегидной смолы с содержанием свободного фенола не более 1 мас.% (ТУ 2257-074-05015227-2002. «Связующие фенольные порошкообразные»).
Введение древесной муки в количестве выше указанного приводит к снижению текучести расплава и повышению водопоглощения.
Снижение содержания смазки приводит к ухудшению технологических свойств, а повышение содержания смазки приводит к снижению теплостойкости.
Применение шунгита, представляющего собой измельченный в порошок природный минерал, содержащий углерод, обеспечивает высокие технологические, физико-механические и электрические свойства композиций при оптимальном соотношении компонентов. Это позволяет использовать их в качестве конструкционных материалов для изготовления тонкостенных деталей сложной конфигурации.
Благодаря высокой электропроводности детали не подвержены электризации, что важно хранении и транспортировке электронных схем, комплектующих современные электронные приборы, а также при проведении операций обезжиривания в пожаро- и взрывоопасных растворителях, работе на трение в среде горючего газа или нефти.
Таким образом, предлагаемая полимерная композиция позволяет изготавливать методом литья под давлением, литьевого или компрессионного прессования детали сложной конфигурации, например антистатическую тару и детали газовых счетчиков.
По сравнению с прототипом предлагаемая полимерная композиция обеспечивает защиту изделий от возникновения статического электричества и таким образом повышает безопасность применения деталей из нового материала. Она также имеет более высокие механические свойства, содержит всего 4 компонента против 8 компонентов прототипа, что снижает затраты на исходное сырье, трудоемкость процесса получения материала и изделий. При этом улучшаются экологические условия работы при производстве и переработке фенопластов в изделия, так как вместо используемой в прототипе новолачной фенолоформальдегидной смолы СФ-010, в которой по ТУ допускается содержание свободного фенола до 8%, в предлагаемой композиции используют порошкообразное фенольное связующее, в состав которого входит новолачная фенолоформальдегидная смола с содержанием свободного фенола не более 1,0 мас.%.
Полимерная композиция для изготовления фенопластов на основе новолачной фенолоформальдегидной смолы и уротропина, включающая древесную муку, углеродный наполнитель и смазку, отличающаяся тем, что в качестве углеродного наполнителя она содержит шунгит, а новолачную фенолоформальдегидную смолу и уротропин используют в виде порошкообразного фенольного связующего с содержанием свободного фенола не более 1,0 мас.% при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Связующее | 38,4-43, |
| Древесная мука | 3,0-10,2 |
| Шунгит | 45,2-56,6 |
| Смазка | 1,0-2,0 |
