166519 (Разработка технологии полимеризационного наполнения ПКА дисперсными наполнителями)

Федеральное агентство по образованию РФ

Министерство образования и науки РФ

технологический институт

Кафедра «Химическая технология»

Курсовая работа

по дисциплине

«Химия и технология полимерных композиционных материалов»

на тему

«Разработка технологии полимеризационного наполнения ПКА дисперсными наполнителями»

2007

Введение

В настоящее время рынок потребления высоконаполненных композиционных магнитотвёрдых материалов, к которым относятся так называемые магнитопласты, является одним из самых динамичных в промышленно развитых странах мира (рост 12,5% в год). Согласно результатам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ магнитопласты (МП) по своей энергоёмкости почти вплотную приблизились к металлокерамическим магнитам, а за счёт своей высокой технологичности стали более эффективными. Это обусловлено относительно простой технологией готовых изделий из магнитопластов в сравнении со спеченными материалами, что связано, прежде всего, с отсутствием в процессе изготовления таких дорогих и сложных операций, как спекание, длительная термическая обработка, шлифование с удалением значительного количества материала.

Отлитые под давлением заготовки из магнитопластов выпускаются с малыми допусками и, как правило, не нуждаются в доводочных операциях.

Магнитопласты используют в шаговых двигателях принтеров и факсимильных аппаратов, офисной электроники, аудио- и видеооборудовании, в особо компактных двигателях постоянного тока мощностью до 1 кВт.

В России промышленное производство высоконаполненных магнитотвердых материалов практически отсутствует, и в этой области страна значительно отстает от передовых промышленно развитых стран. Широкое масштабное освоение эффективной технологии магнитопластов в значительной степени сдерживается недостаточной разработанностью теоретической базы, определяющей закономерности формирования эксплуатационных и технологических свойств высоконаполненных магнитных композиционных материалов и отсутствием необходимого для реализации технологии оборудования и дешевой сырьевой базы.

В качестве связующего в магнитопластах могут быть использованы Различные реакто- и термопласты. Использование реактопластов в качестве связующих для МП оправдано только в тех случаях, когда другие полимеры не обеспечивают необходимые требования к технологии их изготовления и эксплуатации. Основной недостаток реактопластов – длительная стадия высокотемпературного отверждения. Поэтому в производстве МП наиболее широко используются полимеры, перерабатываемые высокопроизводительными методами: литьем под давлением, экструзией и прессованием.

Особый интерес представляет разработка технологии микрокапсулирования частиц наполнителя в полимерной матрице. Микрокапсулирование может быть выполнено различными способами, в частности методом осаждения полимера на поверхность наполнителя из раствора, методом полимеризационного и поликонденсационного наполнения, т.е. синтезом полимера непосредственно на поверхности наполнителя. Метод полимеризационного наполнения является наиболее перспективным по сравнению с традиционным (смешение) и методом поликонденсационного наполнения ПКМ, так как эти методы имеют ряд недостатков.

Поэтому целью дипломного проекта является разработка технологии полимеризационного наполнения ПКА дисперсными наполнителями.

1. Цель и задачи работы, объекты исследования

Цель: Разработка технологии полимеризационного наполнения ПКА дисперсными наполнителями.

Задачей является изучение влияния продолжительности синтеза на свойства полученного ПКА.

Сырьем для получения магнитопласта является:

• ε - капролактам,

• вода,

• уксусная кислота,

• фосфорная кислота

• сплав Nd-Fe-B.

Выбор данных компонентов обусловлен доступностью и низкой стоимостью сырья, а также требованиями предъявляемыми к магнитопластам.

Капролактам

Капролактам - ГОСТ 7850-86

NH (CH₂)₅CO

Таблица 1

Свойства капролактама

ε -капролактам хорошо растворим в воде (525 г в 100 г Н₂О), спирте, эфире, бензоле, плохо - в алифатических углеводородах.

Уксусная кислота

CH₃COOH

• Температура плавления, °С 16,6

• Температура кипения, °С / мм рт. ст. 118,1

• Плотность при 20 °С, г/см³ 1,0492

• Константа диссоциации в водных растворах при 25 °С 1,76·10^-5

Уксусная кислота растворяется в воде.

Фосфорная кислота

Фосфорная кислота-Н₃РО₄

Таблица 2

Вода дистиллированная

Вода дистиллированная (H₂O) – ГОСТ 6709 – 72.

Сплав Nd-Fe-B

В качестве магнитного наполнителя используется сплав Nd-Fe-B производимый ГУП НТЦ «ВНИИНМ имени академика А.А. Бочвара» (г.Москва). Основные характеристики сплава Nd-Fe-B приведены в табл.2.

Таблица 2. Свойства магнитных наполнителей

Готовым изделием являются кольцевые магниты с наружным диаметром 6 см, внутренним диаметром 5 см и высотой 5 мм.

Магнитопласт, получаемый на основе сплава Nd-Fe-B и полиамидного связующего имеет следующие основные характеристики:

Содержание полимера, % 15-20

Содержание НМС, % не более 2

Остаточная магнитная индукция, Тл не менее 0,3

Коэрцитивная сила, кА/м не менее 320-350

Прочность при межслоевом сдвиге, МПа не менее 5

2. Методы и методики эксперимента

Целью данной работы являлась оценка основных качественных характеристик полимеризационнонаполненного поликапроамида сплавом Nd-Fe-B.

В основу метода получения ПКМ заложен принцип синтеза поликапроамида путем полимеризации капролактама, осуществляемый в промышленном масштабе.

2.1. Синтез ПКА

ε-Капролактам растирают в фарфоровой ступке. В предварительно взвешенную сухую ампулу берут навеску капролактама с точностью до 0,0002 г. С помощью микропипетки вводят в ампулу расчетное количество активатора. Ампулу быстро запаивают. Затем ампулу помещают в песчаную баню с температурой 260°С для полимеризации капролактама; время полимеризации 6 часов.

2.2. Определение НМС

Для определения содержания НМС полученный полимер измельчают и кипятят со 100 мл воды в течение 2-х часов в круглодонной колбе с обратным холодильником для удаления мономера и низкомолекулярных примесей. Фильтруют, промывают и сушат. Выход полимера рассчитывают по формуле:

,

где m₀ – навеска полимера до кипячения, г,

m₁ – навеска полимера после кипячения, сушки, г.

2.3. Определение вязкости растворов ПКА

Экспериментальные методы определения сводятся к измерению значений для ряда концентраций раствора. Рассчитанные значения η_уд/С=f(С) и экстраполируют полученные данные к С=0.

Измерение значений η_о и η проводят в капиллярных вискозиметрах типа ВПЖ-4. Определенное с помощью экстраполяции значение характеристической вязкости [η] позволяет рассчитать молекулярную массу (М_n) полимера по формуле Марка – Куна – Хаувинка:

[η]=КМ_n²

Константа Хаггинса определяется из соотношения:

2.4. Определение температуры плавления

Температура плавления полученного волокнонаполненного поликапроамида определяется на песчаной бане. Полученный полимер помещают в пробирку, туда же опускается термометр на 500°С, и нагревается до полного расплавления. Записывают две температуры: одну, при которой появляется жидкая фаза; а другая при которой все вещество превратилось в расплав. Интервал температур между началом плавления и его окончанием называется температурой плавления.

2.5. Метод инфракрасной спектроскопии (ИКС)

Для изучения взаимодействия модифицирующих добавок с полимерным связующим применялся метод ИК-спектроскопии. ИК-спектры регистрировались на спектрофотометре «Specord» М-80 в области 400 4000 см^-1. Исследуемые образцы наполнителя, связующего и композиционных материалов измельчались в вибрационной шаровой мельнице до тонкодисперсного состояния, добавлялось несколько капель иммерсионной жидкости, тщательно растирались в агатовой ступке и далее полученную пасту помещали между двумя пластинами (одна - из NaCl, другая из KBr). Для записи высококачественных спектров поглощения в качестве иммерсионной жидкости в области 4000 2000 и 1500 1300 см^-1 использовали гексахлорбутадиен; в области 2000 1500 и 1300 400 см^-1 - вазелиновое масло.

2.6. Метод термогравиметрического анализа (ТГА)

[Рабек Я. Экспериментальные методы в химии полимеров. В 2-х.:Пер. с англ. - М.: Мир, 1983. - 480 с.].

Термостабильность образцов оценивали по температурному интервалу области интенсивных потерь массы методом термогравиметрического анализа на дериватографе «Паулик - Паулик - Эрдей» фирмы МОМ марки Q-1500D в соответствии с инструкцией к прибору.

Условия эксперимента:

навеска - 200 мг;

среда - воздух;

интервал нагрева - до 600С;

скорость нагрева (V_м) - 10С/мин.;

чувствительность - 200.

Относительная ошибка не превышает 1%.

Энергию активации термодеструкции материалов определяли методом Пилояна по кривой ДТА по формуле:

(1)

где Е - энергия активации, ккал/моль; R - универсальная газовая постоянная, кал/градмоль; t - разность температур образца и эталона, С;

С’ - константа.

Уравнение (1) можно представить в виде:

,

где 2,3 -коэффициент перевода натурального логарифма в десятичный.