Полимерный магнитный материал

Полимерный магнитный материал

Реферат

 

Изобретение относится к технологии получения магнитодиэлектриков, в частности, магнитопластов, применяющихся в бытовой технике, электротехнике, электронике, приборостроении и т.д. Предложен полимерный магнитный материал, содержащий полимерное связующее, магнитный наполнитель в виде частиц магнитного материала размером 1-500 нм и модифицирующую добавку, представляющую собой металлоколлоидную смазку, а именно смазочное масло с присадками коллоидного графита и коллоидного железа или висмута. Техническим результатом является повышение износостойкости и магнитных характеристик. 2 табл.

Изобретение относиться к технологии получения магнитодиэлектриков и конкретно касается получения полимерных магнитных материалов (магнитопластов), предназначенных для применения в бытовой технике, электронике, электротехнике, приборостроении, медицине, авиации и т.д.

Известен полимерный магнитный материал, содержащий в качестве полимерного связующего фенольную смолу и порошок магнитного материала (наполнитель), например порошок феррита стронция или сплава Nd-Fe-B, взятый в количестве 75-80 мас.%. Порошок магнитного материала (наполнитель) с размером частиц 2-300 мкм смешивают со связующим, прессуют под давлением ~500 МПа и выдерживают при 120-180С [US 3428603, 1969]. В результате получают магниты с невысокими магнитными характеристиками (остаточная индукция Br ~0,145 Тл, коэрцитивная сила Н_с=30-40 кА/м), что ограничивает область применения магнитного материала и, кроме того, для получения магнитов сложной формы необходима дополнительная механическая обработка, снижающая магнитные характеристики материала.

Известен полимерный магнитный материал, содержащий низковязкое полимерное связующее (например, синтетический дивинильный каучук) с отвердителем и магнитный порошкообразный наполнитель (степень наполнения до 75 мас.%), в качестве которого используют смесь не менее двух фракций магнитного порошка, различающихся одна от другой по дисперсности частиц не менее чем в 5 раз (например, фракции с размером зерна 2-5 мкм, 25-50 мкм, 250-300 мкм). Компоненты смешивают в вакуумном обогреваемом смесителе (температура до 80С), создают в нем вакуум (0,6-3 кПа) и после завершения смешения массу разливают в пресс-формы (изложницы), далее нагревают до 80-120С (полимеризация) и отверждают в магнитном поле напряженностью не ниже 1 Т в течение 2-24 ч, охлаждают и извлекают готовые магниты. В качестве магнитного наполнителя используют ферриты, например стронциевый феррит (RU 2057379, 27.03.1996). Однако такая технология достаточно сложна, т.к. для получения магнитопластов с остаточной магнитной индукцией до 0,75 Тл и коэрцитивной силой до 600 кА/м при перемешивании компонентов используют воздействие ультразвуковых колебаний частотой 20-45 кГц или переменного магнитного поля частотой 5-60 Гц.

Известен металлопластический постоянный магнит, полученный из шихты, содержащей полимерное анаэробное связующее типа Унитерм и магнитный наполнитель - сплавы SmCo₅ (31,5 мас.% Sm) или Nd₁₁Dy₆Fe₇₅B₈, размолотые в планетарной мельнице в присутствии анаэробного связующего с отвердителем [RU 2032495, 10.04.1995]. Полученную шихту прессуют под давлением в магнитном поле, обрабатывают спрессованные заготовки в кипящей воде, сушат в вакуумном термостате при температуре до 100С и намагничивают в постоянном магнитном поле напряженностью 20-25 кЭ. Получают магнитный материал с достаточно высокими магнитными и механическими характеристиками: остаточная магнитная индукция до 8500 Гс, коэрцитивная сила до 6800 Э, максимальная магнитная энергия (ВН)_mах ~ 12-13 МГсЭ, температура эксплуатации 90-100С, прочность на сжатие 16-20 кГс/см². Однако технология получения такого материала достаточно сложна, что связано, в первую очередь, с использованием анаэробного полимерного связующего, отверждающегося в отсутствии воздуха (кислорода). Кроме того, материал имеет недостаточно хорошие свойства по эластичности, а, следовательно, и по износостойкости, что приводит к снижению его магнитных характеристик в процессе длительной эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является эластичный полимерный магнитный материал, содержащий полимерное связующее, состоящее из термоэластопласта, эластомерного составляющего (полиизопропилен или поливинил-н-бутиловый эфир) и рубракса в качестве модифицирующей добавки и магнитный наполнитель - порошок феррита (до 90 мас.%) марки ПЯ 6030.017ТУ. Получают магнитный материал с термостойкостью до 100-115С, эластичностью (радиус огибания) 3-10 мм, остаточной магнитной индукцией порядка 0,24 Т и (ВН)_mах=10,8 кДж/м³ [RU 2015583, 30.06.1994]. Однако этот материал имеет магнитные свойства и износостойкость, не удовлетворяющие высоким требованиям, предъявляемым к этим материалам.

Технической задачей заявленного изобретения является получение полимерного магнитного материала с повышенными магнитными характеристиками (высокой коэрцитивной силой и остаточной намагниченностью) и повышенной износостойкостью.

Поставленная техническая задача достигается тем, что полимерный магнитный материал (магнитопласт), содержащий полимерное связующее, магнитный наполнитель и модифицирующую добавку, содержит в качестве магнитного наполнителя частицы магнитного материала с размерами 1-500 нм, а в качестве модифицирующей добавки содержит металлоколлоидную смазку, представляющую собой смазочное масло с присадками 0,1-0,2 мас.% коллоидного графита и железа или висмута при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

Полимерное связующее 100

Вышеуказанные частицы магнитного материала 40-1000

Вышеуказанная металлоколлоидная смазка 1-50

В качестве полимерного связующего в магнитопласте по изобретению используют эластомеры, такие как различные каучуки, например, фторкаучуки на основе сополимеров тетрафторэтилена или трифторхлорэтилена с винилиденфторидом (например, марки СКФ-26, СКФ-32 и др.) [В.М.Соболев и др. Промышленные синтетические каучуки. М., Химия, 1977, с.233-237]; кремнийорганические каучуки (силоксановые), например, диметилвинилсилоксановые СКТ, СКТВ, СКТФВ-803 [там же, с.203-218], силиконовые каучуки, например КС-5 (ТУ 381103483-80), силопреновые каучуки марок ППО и Е-18 (ТУ 2252-043-05808020-99) с добавками отвердителей метилтриацетоксилана или этилтриацетоксилана с возможной добавкой оловоорганического катализатора отверждения, взятых в обычных традиционных количествах (2-5 мас.ч. на 100 мас.ч. каучука); акрилатные каучуки, такие как, например, бутилакрилатный каучук марки БАК (ТУ 38-103-481-80) на основе сополимера бутилакрилата с 10-20 мас.% акрилонитрила; бутадиенакрилонитрильные каучуки, например, СКН-40, СКН-26 и др. [см, там же, с.151-155]; полиуретановые каучуки марки СКУ, хлорсульфированный полиэтилен, а также термопласты, такие как полиолефины (полиэтилен, полипропилен, полистирол), термопластичные акриловые смолы на основе сополимеров акриловой и метакриловой кислот и их эфиров, акрилонитрил, полиамид, поливинилхлорид и т.д.

В качестве магнитного наполнителя материал по изобретению содержит частицы с размером 1-500 нм различных магнитных материалов, например, Fe, Co, Ni, Cr; различные сплавы на основе этих элементов, такие как Fe-Co, Fe-Ni, Fe-Pt сплавы разных концентраций; сплавы на основе редкоземельных элементов, такие как NdFeB, Sm₂Co₁₇, Sm₂Fe₁₇N_x и другие; различные ферриты, такие как МОFе₂O₃, где М-Мn, Со, Ni, Сu, Zn, Mg, Cd, Ni-Zn и Mn-Zn ферриты, гексаферриты бария и стронция, вольфрамит FeMnWO₄ и другие.

Указанные наночастицы могут быть получены различными известными методами: распылением и испарением металлов и их сплавов в вакууме; измельчением больших частиц материалов с помощью соответствующих устройств (коллоидные мельницы, ультразвуковые генераторы и т.д.); химическими методами: восстановлением в растворе ионов металлов до атомов в условиях, благоприятных для последующего формирования малых металлических кластеров или агрегатов (химические восстановители - гидразин, боргидриды, водород; радиационное и электрохимическое восстановление), термическим разложением металлсодержащих соединений (карбонилов, формиатов, ацетатов и т.д.) в расплавах и растворах полимеров, с помощью образования обратных мицелл. Эти методы известны и достаточно хорошо описаны [см., например, Топорко А.В. и др. - Журнал физической химии, 1996, т. 70, №10, 1894; Пилени М. и др. - Лангмюр, 1997, т. 13, 3266; Помогайло А.Д. и др. Наночастицы полимеров в металлах.-М.: Химия, 2000, 672 с.]. Например, частицы металлического железа нанометрового размера получают восстановлением соединений железа водородом (при 250-400С) с последующей стабилизацией частиц поверхностно-активным веществом в углеводородном растворителе (гексане, ксилоле, ацетоне), фильтрацией и сушкой конечного продукта.

Используемую в заявленном изобретении металлоколлоидную смазку (смазочное масло, в котором суспендированны коллоидные частицы) получают суспендированием порошков коллоидного графита и железа или порошков коллоидного графита и висмута с содержанием в количестве 0,1-0,2 маc.%. Порошки коллоидного графита и металлов (железо, висмут) получают различными известными методами: методом диспергирования в присутствии поверхностно-активных веществ, электролитическим методом (процесс электролитического выделения металлов из водных растворов соответствующих солей в виде высокодисперсных катодных осадков с последующим их диспергированием в органической среде в присутствии поверхностно-активных веществ, выпариванием до полного удаления дисперсионной среды с получением сухой дисперсионной фазы коллоидных порошков); конденсацией металлов с образованием коллоидных частиц в жидкой среде в результате восстановления ионов металлов и т.д. [см., например, Натансон Э.М. Коллоидные металлы. Киев, изд. АН УССР, 1959, с.8-15, 25-50, 57-75].

В качестве смазочных масел используют различные смазочные масла на основе минеральных масел с различными добавками, например авиационное смазочное масло МС20.

Магнитодиэлектрик (магнитопласт) по изобретению получают смешиванием, например, эластомерного связующего с частицами магнитного материала с последующим введением в смесь металлоколлоидной смазки. Смешение осуществляют, например, в пластикодере “Врабендер” (тип PLV-150) при 130-150С при частоте вращения ротора 60-80 об/мин; смесь выгружают и подают на вальцы (листование), заготовки нужной толщины пропускают через каландр и прессуют. Смешение можно осуществлять на вальцах. Магнитный материал может быть получен в виде шнуров, длинных полос, листов, различных изделий сложной формы и т.д. прессованием, формованием, экструзией, последующей штамповкой, резкой.

В табл.1 представлены примеры осуществления изобретения.

Полученный магнитопласт (магнитный материал) обладает высокой коэрцитивной силой (1000-16000 Э) и остаточной магнитной индукцией (2500-7000 Гс), высокой износостойкостью (коэффициент трения 0,02-0,08) (см. табл.2).

Как следует из приведенных данных, магнитопласт по изобретению имеет высокие магнитные характеристики, высокую износостойкость, хорошую эластичность, что позволяет использовать его в различных областях народного хозяйства (для изготовления постоянных магнитов, компонентов электродвигателей и электроприборов, в рекламной индустрии и т.д.).

Формула изобретения

Полимерный магнитный материал, содержащий полимерное связующее, магнитный наполнитель и модифицирующую добавку, отличающийся тем, что содержит в качестве магнитного наполнителя частицы магнитного материала с размерами 1-500 нм, а в качестве модифицирующей добавки - металлоколлоидную смазку, представляющую собой смазочное масло с присадками 0,1-0,2 мас.% коллоидного графита и железа или коллоидного графита и висмута при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

Полимерное связующее 100

Вышеуказанные частицы магнитного материала 40-1000

Вышеуказанная металлоколлоидная смазка 1-50