Механохимическая активация

1.1.9 Механохимическая активация

Этот способ активации основан на способности твердого тела накапливать подводимую к нему механическую энергию. Результатом является изменение целого ряда характеристик твердого тела и, прежде всего химического потенциала.

Химическое превращение под воздействием поглощения упругой энергии в процессе механической обработки твердого вещества называют механохимической реакцией.

Механическое воздействие начинается с измельчения, а заканчивается сильноэкзотермической реакцией.

При измельчении под влиянием деформации сдвига увеличивается число точечных контактов, на поверхности материала появляются различные дефекты, трещины, которые постепенно все глубже проникают в объем тела. Миграция дефектов делает возможным перемешивание вещества на молекулярном уровне, что значительно интенсифицирует диффузионно-контролируемые реакции.

Наиболее вероятным местом реакции являются точки контакта частиц и «носок» движущейся трещины.

При механическом воздействии в отдельных участках твердого тела создается поле напряжений. В зависимости от свойств тела, типа и режима обработки релаксация такого поля может иметь ряд последствий: выделение тепла, образование новых поверхностей, дефектов в кристаллах, появление короткоживущих активных центров. Помимо этих эффектов трение, раскалывание, разрушение поверхностей вызывает ее статическую электризацию с такой концентрацией заряда, что в материале создается электрическое поле с напряженностью, достигающей 10⁷ В.см^-1. При ударе возникают локальные градиенты температур (600–800⁰С) и давлений (2–4 ГПА).

Все вместе взятое генерирует целый ряд химически активных цастиц (ионы, радикалы, и пр.).

Эффективность механического воздействия возрастает при сокращении длительности импульсов и увеличении частоты их следования.

С практической точки зрения эти требования реализуются при условии высокоскоростного удара и вибрационной обработки. Поэтому в качестве реакторов здесь используются аппараты планетарного типа: планетарные и центробежные мельницы, вибромельницы и проч. Эти аппараты работают по принципу гравитационного измельчения, которое осуществляется путем взаимодействия двух центробежных сил. Эти силы превосходят силу тяжести в сотни раз.

1.1.10 Межфазные явления в полимерах

Адгезия полимерных материалов к различным твердым телам (особенно к металлам) определяется интенсивностью молекулярного и химического взаимодействия на поверхности раздела.

Хорошую адгезию проявляют, поэтому полярные полимеры с большим числом химически активных функциональных групп в макромолекулах.

Значительно слабее адгезия в случае неполярных (гомоуглеродных) полимеров (полиэтилен, полипропилен). Для повышения адгезии в случае неполярного полимера вводят активные добавки, усиливающие адгезионную связь с поверхностью вследствие образования, ориентированного адсорбционного слоя, хемосорбционно-связанного полярными группами с наполнителем и углеводородными цепями, проникающего в пленку. [7]

Адгезия растет с уменьшением молекулярного веса и разветвленности цепей при сохранении гибкости и подвижности звеньев. В модельных композициях можно выделить три характерных типа веществ (рис.): вещество частицы – (Ч), связующего (С) и пограничный слой к частице (защитный слой, П). Известно, что даже при небольшой концентрации наноразмерных частиц модификатора (до 0,1% масс.) свойства композита на основе полимера существенно изменяются, (износостойкость, прочностные характеристики увеличиваются на 20–30%).

П

Ч

С

При создании композита трудно достичь равномерного распределения частиц по объему связующего.

Известно, что низкоразмерные частицы обладают собственным нескомпенсированным зарядом с большим временем релаксации. Тогда вокруг заряженной частицы модификатора возникает ансамбль (кластер) поляризованных частиц среды. Эти кластеры могут привести в движение большое количество нейтральных молекул жидкости, поскольку относительная концентрация зарядов в жидкости мала (10^-6 ч 10 ^-1).

Эти молекулы могут поляризоваться, находясь в электрическом поле частицы и вступать во взаимодействие с зарядом, образуя структуру «заряд-слой» диполей. Внешняя оболочка этой структуры создает вокруг себя новый слой диполей и т.д. до некоторого равновесного формирования – «зарядового кластера».

Расчеты показывают, что размер модифицированной частицы по толщине составляет -400 нм. Тогда для всего объема полимера радиус частицы модификатора может быть равным 25–30 нм. Эти размеры могут быть получены известными технологическими способами.

На рис. показана предполагаемая топологическая модель межфазных взаимодействий наполнителя с полимерной матрицей.

Рис. 1.2 – Предполагаемая топологическая модель межфазного взаимодействия

В основе формирования структуры композита лежит сложная совокупность химико-физических и физико-химических взаимодействий, приводящих к образованию межфазных областей и способствующих упрочению материала.

К первым следует отнести взаимодействия химически активных связей функциональных групп и радикалов между собой и фрагментами дисперсионной среды.

Ко вторым – адгезионные и адсорбционные взаимодействия полимера и наполнителя на активных центрах развитой поверхности раздела фаз и далее формирование одно- и многослойных пограничных слоев за счет диполь – дипольного взаимодействия соседних частиц.

При этом первый вид взаимодействия преимущественно происходит в пограничных слоях между частицами дисперсной фазы в дисперсионной среде.

Особую роль в упрочении структуры играют межфазные области. Межфазные области в полимерных композита являются важным элементом структуры, во многом определяющим макроскопические свойства этих материалов. [8]

Была сделана попытка анализа структурного механизма формирования межфазных областей для нанокомпозитов на основе ПП.

И полимерная матрица нанокомпозита, и поверхность частиц наполнителя, взаимодействующих при формировании межфазного слоя, являются фрактальными объектами.*При взаимодействии таких объектов существует только один линейный масштаб ℓ**, определяющий расстояние их взаимопроникновения.

Поскольку в полимерных композитах модуль упругости наполнителя обычно выше этого показателя для полимерной матрицы, считают что в этом случае происходит внедрение наполнителя в полимерную матрицу.

Наблюдается снижение прочности нанокомпозитов на основе ПП с ростом содержания наполнителя, так как прочность зависит от межфазных адгезионных сил на границе полимерная матрица-наполнитель.

Очевидно, что чем выше уровень межфазной адгезии, тем совершеннее структура межфазных областей в композитах. Так, прочность на сдвиг определяется именно адгезионной прочностью межфазного слоя. Увеличение сил межфазной адгезии приводит к росту относительной доли межфазных областей и, следовательно, к повышению прочности нанокомпозита.

Изменение объема, занимаемого межфазными областями в полимерных нанокомпозитах, оказывает такое же существенное влияние на вариации механических свойств, как и концентрация наполнителя. При этом важной является геометрия частиц наполнителя, точнее площадь контакта полимер-наполнитель. Важно, где реализуются межфазные явления и формируются межфазные области. Существенную роль в механизме упрочнения играют агрегация частиц наполнителя и молекулярная структура полимерной матрицы.

Обнаружено увеличение предела текучести примерно в 1.5 раза для нанокомпозита по сравнению с исходным ПП. Одновременно возрастает модуль упругости и увеличивается длинна линейных дефектов, ответственных за пластические деформации. [8]

2. Выводы по аналитическому обзору

1.  Мировое производство композиционных материалов возрастает, и их ассортимент непрерывно расширяется.

2.  Ассортимент композитов представлен двумя разновидностями материалов, изготовленных на их основе гомо- и гетероцепных полимеров.

3.  В качестве наполнителей применяют широкий спектр органических и неорганических соединений порошкового, волокнистого и слоистого типов.

4.  С целью повышения адгезии в рецептуру композитов вводят модификаторы, преимущественно для случая использования в качестве матрицы неполярных или малополярных полимеров.

5.  Возрастает число публикаций в отраслевой периодике, посвященных исследованию композитов, приготовленных методами нанотехнологии.

6.  Интенсивно внедряются новые методы активации систем, включающие сонно-, механо-, крио-, фото- и прочие воздействия.

3. Патентная проработка темы

Для проведения патентных исследований определяется предмет поиска по теме дипломной работы подлежащей исследованию.

Поиск проводится по данным сети Интернет (www.fips.ru).

Предмет поиска «Производство композиционных материалов».

Цель: установление уровня развития техники и анализ применимости прогрессивных решений в дипломном проекте.

В соответствии с содержанием темы выбраны следующие индексы:

С08L95/00; С08L97/02, С08L17/00, С08J5/00, B27L11/02, B29C49/12

Патентные исследования проводились по выбранному индексу Международной классификации изобретений МПК на глубину 10 лет (с 2007 вглубь без пробелов).

Номера охранных документов представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Номера охранных документов

После предварительного анализа были выбраны изобретения, представляющие интерес для рассматриваемой темы. К исследуемой теме наиболее близкое отношение имеют следующие изобретения:

1. (21) 2003118707, (22) 2003.06.25, (51) C08L97/02

(72) Стернин Ю.И., Юрченко И.В., Загоруйко А.Д.

(54) Композиция на древесной основе

(57) Композиция на древесной основе, включающая связующий компонент, отличающаяся тем, что в качестве древесной смолы используют предварительно разделенную на бересту и луб и измельченную до 0,1–59 ммберезовую кору, в качестве связующего компонента применяют экологически безопасные вещества при следующем соотношении составляющих масс, %:

Древесная основа 5–99%

Связующий компонент 1–95%

2. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что древесная основа выполнена из бересты.

3. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что древесная основа выполнена из луба.

4. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что древесная основа выполнена из смеси луба и бересты при заданном соотношении составляющих

5. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве связующего компонента используют таловое масло или талловый пек.

6. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что включает функциональную добавку.

2. (11) 2240334, (22) 2002.06.25, (51) C08L97/02

(72) Стернин Ю.И., Юрченко И.В., Загоруйко А.Д.

(54) Композиция на древесной основе

(57) Изобретение относится к производству экологически безопасных строительных элементов, материалов и покрытий, используемых в строительстве, мебельной промышленности, для производства тары, гранулированного и брикетного топлива и т.д. Изобретение может быть использовано для изготовления различных строительных элементов: прессованного конструкционного бруса, плит, блоков, панелей, черепицы, профильных и корпусных изделий, покрытия спортивных площадок, паркетной доски, засыпных материалов, теплоизоляции, звукоизоляции, влагоизоляции, для нанесения покрытия с помощью кисти, шпателя или другим известным способом на поверхности, для изготовления европоддонов, приспособлений для гольфа и т.д. Композиция на древесной основе включает экологически безопасный связующий компонент. В качестве древесной основы используют березовую кору, разделенную на бересту и луб, измельченные до 0,1–50 мм. Кроме того, древесная основа может быть выполнена только из бересты, или только из луба, или из смеси бересты и луба, при заданном соотношении компонентов. В качестве связующего компонента может быть использовано таловое масло или таловый пек. Определенное соотношение компонентов обеспечивает повышение плотности, прочности, водостойкости и стойкости против микроорганизмов и грибков изделий, полученных из предложенной композиции при одновременном снижении их токсичности при изготовлении и эксплуатации

3. (11) 2299124, (22) 2006.06.10, (51) В29С47/12

(72) Окулич Е.Г., Остриков Н.О., Глухов Д.А.

(54) Экструдер

(57) Изобретение относится к экструзионному оборудованию и может быть использовано для производства экструдированных пищевых продуктов, а также в других отраслях промышленности, применяющих экструзию.

Устройство содержит корпус, шнек с приводом вращения и формующую головку с мундштуком и коническим дорном. Конический дорн снабжен валом и выполнен сборным из двух частей. Каждая из частей дорна выполнена с направления и скорости вращения с помощью соосных валов и редуктора.

Один из валов выполнен сплошным и расположен в другом полом валу. Мундштук имеет возможность совершать возвратно-поступательное движение вдоль оси экструдера с помощью реечного механизма и шлицов. Шлицы находятся на внутренней поверхности мундштука. В них расположены направляющие, жестко соединенные с поверхностью выходного конца корпуса экструдера.

Форма направляющих на корпусе экструдера повторяет форму шлицов на мундштуке так, что направляющие входят в шлицевые пазы мундштука.

Зубчатое колесо реечного механизма, жестко закрепленное на своем валу, находится в зацеплении с рейкой, жестко прикрепленной к мундштуку. Углы конусности внутренней части мундштука и конического дорна подобраны так, чтобы зазор между ними имел форму конического кольцевого канала.

Внешняя поверхность последней части дорна и внутренняя поверхность конусной части мундштука имеют накатку для получения продукта требуемой формы. Изобретение позволяет получать экструдированный продукт, не требующий дальнейшего измельчения, повысить качество готового продукта.

Патентные исследования по фонду изобретений показали, что тема разработана достаточно хорошо. Однако, внимание разработчиков к исследуемой теме неравномерно по годам. Пик изобретательской деятельности приходится на 2004 год.

Изобретения, представленные в табл. 2 (10 шт.), касаются «способа вещества» (состав) и «устройства», как объект изобретений.

Для детального анализа отобрано три изобретения, имеющих непосредственное отношение к исследуемой теме. В них разработаны различные способы изготовления композиционных материалов, при этом решаются задачи усовершенствования этого способа путем модернизации оборудования, технологии получения материалов.

Из рассмотренных устройств интересен патент №2299124. Изобретение позволяет получать экструдированный продукт, не требующий дальнейшего измельчения, повышается качество готового продукта за счет усовершенствования установки.

Из рассмотренных способов интересен экологтчески безопасный метод (21) 2003118707 «Композиция на древесной основе», в котором применяют экологически безопасные вещества.

Наиболее усовершенствованным способом получения композиционных материалов, по сравнению с (21) 2003118707, является (11) 2240334 «Композиция на древесной основе», в котором применяют и экологически безопасные вещества, и одновременно снижается токсичность при изготовлении и эксплуатации.

4. Обоснование инженерных решений

4.1 Инженерные решения, положенные в основу проекта

В существующую технологическую схему производства композитов на основе полипропилена, внесены следующие изменения:

1.  использован, взамен добавок модификатора метод механохимической активации композитов исходного сырья, обеспечивающий наноразмерность наполнителя, полярность фрагментов полимерной цепи и упрочнение нанокомпозита за счет возросшей адгезии полимерной матрицы к наполнителю и образование химической связи между ними.

2.  использовано современное перерабатывающее оборудование:

  высокопроизводительный двухшнековый экструдер, обеспечивающий заданные параметры процесса для формирования структуры композита;

  режущее устройство, обеспечивающее экологичность среды для обслуживающего персонала, за счет подводной резки стренгов, а также предотвращающие потери композита при выполнении указанной операции;

  виброакустическая мельница, обеспечивающая механо-химическую активации. Полимера и наполнителя.

3.  предложен новый состав композита на основе ПМ и древесной муки, взамен талька (тип композита, органическое вещество – органическое вещество,), что помимо существенного удешевления обеспечивает более высокое качество продукта и декоративность будущих изделий, поскольку материал приобретает текстуру ценных древесных пород.

4.  возможность использования в рецептуре композита вторичных сырьевых материалов (отходов потребления полимерной химии и деревопереработки) без ухудшения качества композита.

5.  разработка двух технологических схем производства микрокомпозита (экструдер-режущее устройство-сушка-упаковка) и нанокомпозита (виброакустическая мельница – экструдер-режущее устройство).

5. Расчетно-технологическая часть

5.1 Техническая характеристика сырья и продукта

Готовой продукцией являются материалы на основе полипропилена.

Характеристика исходного сырья и вспомогательных материалов

Полипропилен. [СН₂ Ї СН]_n

_{‌‌‌‌‌‌‌}

‌СН₃

Мировое потребление полипропилена в 1997–2003 г. увеличилось почти на 11 млн. т. в результате его широкого применения взамен конструкционных пластмасс. Макомолекула полипропилена состоит из элементарных звеньев чередующихся вторичных и третичных атомов углерода, при этом каждый третичный атом углерода – асимметрический и может иметь D и L конфигурации. Атактический полипропилен, у которого асимметрический атомы углерода D и L конфигурации располагаются беспорядочно, характеризуется аморфной структурой и представляет собой каучукоподобный материал, растворимый во многих органических растворителях. Изотактический полипропилен, наоборот, – жесткий высококристалличный материал, растворяющийся только в расплавленном состоянии. Такой полимер сходен с ПЭВД.

Полипропилен отличается высокой теплостойкостью и хорошими диэлектрическими свойствами, он устойчив к действию кислот и оснований. Полипропилен используется для изготовления прочных пленок и волокон. Полипропиленовые пленки прозрачны и отличаются низкими газо- и влагопроницаемостью. Полипропилен применяется также при изготовлении посуды, теплоизоляционных покрытий, труб, емкостей, различных деталей.

Древесина-биополимер сложного состава. Древесная мука получается путем истирания древесных отходов. Составляющие древесной муки:

Основу древесины составляет целлюлоза до 50%, лигнин до 30%. далее в его состав входят пентазаны и гексозоны до 20%, содержание смол до 3%, остальное зола. В основном используются лиственные породы деревьев, т. к. хвойных породы имеют ограничение в использовании, они содержат большое количество очень смол, это снижает прочность полученного материала.

Ирганокс. Представляет собой белый или кремовый кристаллический порошок. Нерастворим в воде. Раздражающим действием не обладает. Используется в качестве термостабилизатора.

Тальк. Представляет собой порошок белого цвета. Используется для исключения слипания крошек каучука

Таблица 3.2-Характеристика готовой продукции

Таблица 3.3 – Отходы производства

Таблица 3.4 – Отходы производства при применении подводного гранулятора

Похожие работы

Полимерные композиты на основе диальдегилцеллюлозы и полигуанилинметакрилата

Скачать

59480

0

8

... исходных веществ. Свойства растворителей и реагентов Отметим, что все исследования проводились с одной партией исходных и синтезированных веществ. Ключевым фактором при создании композитов на основе целлюлозы хлопковой и биоцидного компонента явилась предварительная активация исходных компонентов для придания способности к структурной и химической взаимной иммобилизации и дополнительной ...

Композиционные триботехнические материалы на основе олигомеров сшивающихся смол

Скачать

88914

5

9

... коэффициент трения и удельный износ. Результаты исследований приведены на рис№10, №11. Рис.10. Рис.11 Глава IY. Технология изготовления триботехнических материалов на основе полимеров 4.1. Принципы создания композиционных материалов на основе полимеров Эксплуатационная долговечность машин и механизмов в ряде случаев определяется надежностью работы узлов трения. Применение ...

Поиск оптимального содержания пигмента в покрытиях на основе алкидного лака ПФ-060

Скачать

128585

25

8

... . В связи с вышеизложенным, цель данной работы заключается в исследовании свойств соосажденных манганат (IV) силикатов кальция, а также поиск оптимального содержания пигмента в покрытиях на основе алкидного лака ПФ-060 и грунтовочных композиций на его основе. 3 Объекты и методы исследования В работе использовали соосажденный манганат (IV) силикат кальция в соотношении 10% Na2SiO3. 3.1 ...

Исследование физико-химических и прикладных свойств новых полимерных композиционных материалов на основе слоистых силикатов и полиэлектролитов

Скачать

58196

10

4

... химическое, макроструктурное модифицирование и одновременное обогащение бентопорошка, позволяют повысить сорбционные свойства и качество готовой продукции. 3.4 Разработка полимерных композиционных материалов на основе органоглин на основе бентонита месторождения «Герпегеж» Объектами исследований в данной части работы являются нанокомпозиты, полученные на основе органомодифицированных ...