Способ получения органоминеральных композиций

Способ получения органоминеральных композиций

Реферат

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 1Способ 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 2Способ 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
400600	1,0/0,32,0/0,5	10001200	6,0/1,09,0/1,4	15001600	18,0/2,420,0/3,0	10001200	4,0/0,66,0/0,8	15001600	12,6/1,816,0/2,1
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.