СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ФОРМУЮЩЕЙСЯ НАПОЛНЕННОЙ КОМПОЗИЦИИ Российский патент 1994 года по МПК C04B40/00 G01N33/38 

Изобретение относится к испытаниям и определению свойств материалов и может быть использовано в технологии огнеупоров, технической керамики, композитов, строительных конгломератов и в других производствах, где требуется регулирование плотности и формирование упорядоченной зерновой структуры материала, содержащего наполнитель или заполнитель.

Подбору составов и формированию структуры многокомпонентных систем большое внимание уделяют во многих отраслях промышленности, но универсальных способов приготовления наполненных композиций, основанных на учете физических закономерностей уплотнения и формирования упорядоченной структуры системы на стадии приготовления наполненных систем, в технической и патентной литературе не обнаружено.

Известен способ повышения плотности упаковки систем, состоящих из ряда фракций порошков.

Однако известный способ не учитывает точного соотношения размеров зерен фракций, используемых для получения сложных сыпучих смесей, основан на использовании метода подбора состава эмпирическим путем, поэтому является трудоемким и осуществляется в течение длительного времени. Кроме того, не являясь строго научно обоснованным, не обеспечивает достижение требуемой точности определения расхода каждого ингредиента и, как следствие, получение материала со стабильным комплексом физико-механических свойств.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ определения соотношения фракций для получения системы с максимально плотной упаковкой частиц, включающий следующую последовательность операций: выбор фракций порошков с наибольшими и наименьшими размерами частиц, определение пустотности фракций, расчет коэффициента К (d_s/d₁), определение числа фракций по графику, расчет среднего размера частиц, определение объемной доли пустот в мелкозернистых фракциях, расчет объема частиц каждой фракции, их общего объема и объемной доли каждой фракции, расчет для смеси фракций максимальной объемной доли частиц и объемной доли пустот, определение массы частиц каждой фракции и расчет массовой доли каждой фракции.

Известный способ подготовки и приготовления смеси наполнителя композиционных материалов является многооперационным, недостаточно точным, требует большой перечень исходных физических показателей сырьевых компонентов. Кроме того, в известном способе не учитывается изменение соотношения фракций в приготовленном составе в связи с физическим явлением раздвижки частиц полимером как связующим веществом, а также порядок совмещения компонентов в процессе приготовления композиции.

Изобретение обеспечивает снижение трудозатрат и времени на проведение испытаний сырьевых компонентов, точное определение расхода каждого компонента для приготовления 1 м³ наполненной композиции, получение состава композиции с максимальной плотностью и минимальной пустотностью при данном соотношении размеров зерен (частиц) во фракциях, применяемых для приготовления композиции, формирование упорядоченной скелетной зерновой структуры наполненной системы в процессе приготовления композиции с обеспечением максимального числа контактов между зернами (частицами), минимально возможный расход связующего вещества при конкретном сочетании обоснованно выбранных фракций.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе приготовления формующейся наполненной композиции, включающем проведение гранулометрического анализа, определение пустотности фракций, расчет коэффициентов раздвижки зерен связующим веществом по данным гранулометрического анализа, расчет расхода компонентов для приготовления 1 м³ композиции и их смешение, используют фракции с размерами зерен d₁, d₂, . . . d_n, удовлетворяющими условию ≅ ≅. . . ≅ ≅ 0,063, определяют коэффициенты раздвижки зерен прослойкой связующего вещества по формуле
α_1,2...n= , определяют расход каждого компонента для приготовления композиции по формулам в последовательности:
V₁= 1м³ α^-1₁,
V₂= (α₁·α₂)^-1 ,
V₃= k(α₁·α₂·α₃)^-1,
V₄= K₁·K₂·(V_п3+ α ₃-1)·( α₁·α₂·α₃·α₄)^-1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

V_n-1= k₁·k₂·. . . ·K(α₁·α₂·. . . ·α_n-1)^-1 ,
V_n= K₁·K₂·. . . ·K_n-2·(V_пn-1+α_n-1-1)·(α₁·α₂·. . . . ·α_n)^-1,
V_св= K₁·K₂·. . . ·K_n-1·(V_пn+α _n-1)·(α₁·α₂·. . . ·α_n)^-1 где 1 - объем формующейся наполненной композиции, м³, V₁, V₂, . . . V_n, V_св- насыпной объем фракций с размерами зерен соответственно d₁, d₂, . . . , d_n, объем связующего вещества, м³,
V_п1, V_п2, . . . V_пn - пустотность фракций с размерами зерен соответственно d₁, d₂, . . . d_n, безразмерная величина,
α₁, α₂, . . . α _n - коэффициенты раздвижки зерен соответственно размером d₁, d₂, . . . , d_n прослойкой связующего вещества толщиной h, безразмерные величины, фракцию V_n с размерами зерен d_n диспергируют в связующем веществе, дисперсию V_n+V_св используют для совмещения с фракциями с большими размерами зерен в последовательности V_n-1, . . . V₂, V₁, сопровождая каждое совмещение операцией смешения. Величина 0,063 получена теоретически и проверена экспериментально и показывает, что все фракции с размерами зерен меньше этой величины обладают возможностью заполнять объем межзерновых пустот смежной фракции с большими размерами зерен подобно жидкостью.

Отличие предложенного технического решения от прототипа выражается приведенной совокупностью признаков и операций.

Исследование известных в науке и технике решений по приготовлению формующейся наполненной композиции показало, что приготовление композиции, включающее проведение гранулометрического анализа, определение пустотности фракций, расчет коэффициентов раздвижки зерен связующим веществом по данным гранулометрического анализа, расчет расхода компонентов для приготовления 1 м³ композиции и их смешение, использование фракций с размерами зерен d₁, d₂, . . . , d_n, удовлетворяющими условию ^{≅≅...≅≅0,063}, определение коэффициентов раздвижки зерен прослойкой связующего вещества по формуле:
α_1,2...n= ,
Определение расхода каждого компонента для приготовления композиции по формулам в последовательности
V₁= 1 м³· α₁^-1,
,
V₃= k(α₁·α₂·α₃)^-1,
V₄= K₁·K₂·(V_п3+α₃-1)·(α₁·α₂·α₃·α₄)^-1,
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

V_n-1= k₁·k₂·. . . ·K ·(α₁·α₂·. . . ·α_n-1)^-1 ,
,
V_св= K₁·K₂·. . . ·K_n-1·(V_пn+α_n-1)·(α₁·α₂·. . . ·α _n)^-1 диспергирование фракции V_n с размерами зерен d_n в связующем веществе V_св, использование дисперсии V_n+V_св для совмещения с фракциями с большими размерами зерен в последовательности V_n-1. . . V₂, V₁, сопровождающее каждое совмещение операцией смешения, не было обнаружено.

Это свидетельствует о том, что заявляемое решение соответствует критерию "изобретательский уровень". Сущность предлагаемого способа иллюстрируется следующими примерами.

П р и м е р 1. Из полидисперсной смеси фракционированием выделены стеклянные сферы с диаметрами d₁= 203 мм, d₂= 12,7 мм, d₃= 0,8 мм, d₄= 50,4 мкм, d₅= 3,17 мкм, d₆= 0,2 мкм. На основе сферофракций с указанными диаметрами сфер можно приготовить формующиеся наполненные композиции с любым связующим веществом и с любым сочетанием сферофракций, если будет соблюдено условие
≅ ≅. . . ≅ ≅ 0,063.

Получение композиций на основе бинарной смеси сферофракций и полиэфирной смолы ПН-1.

Бинарная смесь сферофракций на основе сфер диаметром d₁= 203 мм и d₂= 12,7 мм, =0,0626<0,063 , значит сферы диаметром d₂ заполнят объем межзерновых пустот сферофракции с диаметром сфер d₁= 203 подобно жидкостью.

Определяют коэффициент раздвижки сфер d₁= 203 и d₂= 12,7 мм прослойкой полимера (смола ПН-1) по формуле:
α_1,2= , принимают h= 0,01 d₁, h= 0,01 d₂,
α₁= 1,030;
α₂= 1,030.

Определяют расход компонентов для приготовления 1 м³наполненной композиции по формулам V₁= V₂₀₃= 1м³·α₁^-1= 1м³·1,030^-1= 0,971 м³, V₂= V_12,7= (V_п1+α₁-1)(α₁·α₂)^-1= (0,4+1,030-1)(1,03·1,03)^-1= 0,43·1,061^-1= 0,405 м³. V_св= К·(V_п2+ α₂-1)(α₁·α₂)^-1= 0,43·(0,4+1,030-1)·(1,03·1,03)^-1= = 0,43·0,43·1,061^-1= 0,185·1, 61^-1= 0,174 м³.

V_см= (0,971-0,971·0,4)+(0,405-0,405·0,4)+0,174= = 0,583+0,243+0,174= 1,000 м³ (расчет произведен правильно).

Сферофракцию объемом V₂= 0,405 м³ диспергируют в смоле ПН-1 объемом V_св= 0,174 м³, а полученную дисперсию вводят в сферофракцию объемом V₁= 0,971 м³, в результате получают 1 м³ наполненной композиции, где сферы диаметром d₂= 12,7 мм размещаются в пустотах сфер диаметром d₁= 203 мм, причем все сферы капсулированы смолой ПН-1 толщиной прослойки, равной 0,01 диаметра сфер.

При толщине прослойки смолы 0,005 диаметра сфер расход этих же компонентов составит:
;
α₂= 1,015 ,
V₁= V₂₀₃= 1м³·1,015^-1= 0,985 м³, V₂= V_12,7= (0,4+1,015-1)·(1,015·1,015)^-1= 0,415·1,03^-1= 0,403 м³, V_св= 0,415·(0,4+1,015-1)·(1,015·1,015)^-1= 0,172·1,03^-1= 0,167 м³. V_см= (0,985-0,985·0,4)+ (0,403-0,403·0,4)+0,167= 0,591+0,242+0,167= = 1,000 м³.

П р и м е р 2. Получение наполненной композиции на основе тернарной смеси сферофракций и полиэфирной смолы ПН-1.

Тернарная смесь сферофракций на основе сфер диаметром d₁= 203 мм, d₂= 12,7 мм и 0,8 мм (d₃).

^==0,0626;
^==0,0629;
0,0626 и 0,0629<0,063, значит, указанные сферофракции можно использовать для приготовления наполненной композиции.

Определяют коэффициент раздвижки сфер диаметром 0,8 мм прослойкой смолы по формуле:
^1,030.

Определяют расход компонентов для приготовления 1 м³наполненной композиции по формулам
V₁= V₂₀₃= 1м³·α1^-1= 1м³·1,030^-1= 0,971 м³,
= (0,4+1,03-1)·(1,03·1,03)^-1= 0,405м³ ,
, V_св= К₁·К₂·(V_п3+α₃-1)·(α₁·α₂·α₃)^-1= 0,43·0,43·(0,4+1,03-1)·(1,03·1,03·1,03)^-1= 0,08·1,093^-1= 0,073 м³. V_см= (0,971-0,971·0,4)+(0,405-0,405·0,4)+(0,169-0,169·0,4)+0,073= = 0,583+0,243+0,101+0,073= 1,000 м³ (расчет произведен правильно).

Для получения композиции сферофракцию объемом V₃= 0,169 м³диспергируют в смоле объемом V_св= 0,073 м³, дисперсию V₃+V_св вводят во фракцию объемом V₂= 0,405 м³ (перемешивание), и смесь (V₃+V_св+V₂) вводят в сферофракцию объемом V₁= 0,971 м³, после перемешивания получается состав с максимально выраженной плотностью для данного набора компонентов. В композиции, приготовленной по предлагаемому способу, имеет место равномерное распределение сфер в объеме и формирование на поверхности всех сфер прослойки смолы со средней заданной толщиной.

П р и м е р 3. Получение наполненной композиции на основе кватернарной смеси сферофракций и полиэфирной смолы ПН-1.

Кватернарная смесь сферофракций на основе сфер диаметром d₁= 203 мм, d₂= 12,7 мм, d₃= 0,8 мм и d₄= 0,0504 мм. = = 0,0626 ; = = 0,0629; = = 0,063. По соотношению диаметров сфер фракции пригодны для получения наполненной композиции по предлагаемому способу.

Определяют коэффициенты раздвижки сфер прослойкой смолы при толщине прослойки 0,009 203 мм, 0,007 12,7 мм, 0,005 0,8 мм и 0,003 0,0504 мм.

;
α₂= 1,021,
;
.

Определяют расход компонентов для приготовления 1 м³наполненной композиции по формулам в следующей последовательности:
V₁= V₂₀₃= 1м³·α ₁^-1= 1м³·1,027^-1= 0,974 м³, . . , V_св= K₁·K₂·K₃·(V_п4+α₄-1)·(α₁·α₂·α₃·α₄)^-1= = 0,427·0,421·0,415·(0,4+1,01-1)·1,075^-1= 0,427·0,421·0,415·0,410·1,075^-1=
= 0,031·1,075^-1= 0,029 м³. V_см= (0,974-0,974·0,4)+(0,407-0,407·0,4)+(0,169-0,169·0,4)+ (0,070-0,070·0,4)+0,029= 0,584+0,244+0,101+0,042+0,029= 1,000 м³ (расчет произведен правильно).

Диспергированием V₄= 0,07 м³ в V_св= 0,029 м³ получают дисперсию (V₄+V_св), которую вводят в V₃= 0,169 м³ (перемешивание), эту смесь вводят в V₂= 0,407 м³ (перемешивание), полученный состав вводят в V₁= 0,974 м³(перемешивание). Полученная наполненная композиция объемом 1 м³ для данного набора компонентов имеет максимально возможную плотность и оптимальное распределение сфер в объеме.

П р и м е р 4. Получение наполненной композиции на основе квинарной смеси сферофракций и полиэфирной смолы ПН-1.

Квинарная смесь сферофракций на основе сфер диаметром d₁= 203 мм, d₂= 12,7 мм, d₃= 0,8 мм, d₄= 0,0504 мм, d₅= 3,17 мкм.

_==0,0626;
_==0,0629;
= = 0,063;

По coотношению диаметров сфер фракции пригодны для приготовления наполненной композиции по предлагаемому способу, т. к. . Определяют коэффициенты раздвижки сфер прослойкой смолы при толщине прослойки 0,009 d₁; 0,007 d₂; 0,005 d₃; 0,003 d₄ и 0,002 d₅.

α₁= = = 1,027 ,
^1,021 ,
,
,
^=1,019
Определяют расход компонентов для приготовления 1 м³наполненной композиции по формулам в следующей последовательности: V₁= V₂₀₃= 1м³·α₁^-1= 1м³·1,027^-1= 0,974 м³,

, , . V_св= K₁·K₂·K₃·K₄·(V_п5+α₅-1)·(α₁·α₂·α₃·α₄·α₅)^-1= = 0,427·0,421·0,415·0,410·(0,4+1,019-1)(1,027·1,021·1,015·1,01·1,019)^-1= = 0,4 7·0,421·0,415·0,410·0,419·1,095^-1= 0,013·1,095^-1= 0,012 м³. V_см= (0,974-0,974·0,4)+(0,407-0,407·0,4)+(0,169-0,169·0,4)+ +(0,07-0,07·0,4)+(0,028-0,028·0,4)+0,012= 0,584+0,244+ 0,101+0,042+0,017+0,012= 1,000 м³ (расчет произведен правильно).

Приготовление наполненной композиции производится в последовательности, изложенной в примере 3.

П р и м е р 5. Приготовление наполненной композиции на основе сенарной смеси сферофракций и полиэфирной смолы ПН-1.

Сенарная смесь сферофракций на основе сфер диаметром d₁= 203 мм, d₂= 12,7 мм, d₃= 0,8 мм, d₄= 50,4 мкм, d₅= 3,17 мкм, d₆= 0,2 мкм.

= = 0,063 . Все фракции удовлетворяют условию 0,063 , поэтому приготовление композиции может производиться по предлагаемому способу.

Толщина прослойки смолы ПН-1 для сфер d₆= 0,2 мкм принимается равной 0,002 d₆, т. е. 0,0004 мкм.

α₆= = = 1,061.

Определяют расход компонентов для приготовления 1 м³наполненной композиции по формулам в следующей последовательности:
(цифровые величины до V₅ включительно - из примера 4)
. V_св= К₁·К₂·К₃·К₄·К₅·(0,4+1,061-1)·1,162^-1= = 0,427·0,421·0,415·0,419·0,461·1,162^-1 0,006·1,162^-1= 0,005 м³. V_см= (0,974-0,974·0,4)+(0,407-0,407·0,4)+(0,169-0,169·0,4) + +(0,07-0,07·0,4)+(0,028-0,028·0,4)+(0,011-0,011·0,4)+0,005= = 0,584+0,244+0,1 1+0,042+0,017+0,007+0,005 = 1,000 м³ (расчет произведен правильно).

Приготовление наполненной композиции производится в последовательности, изложенной в примере 3.

Расчет составов наполненных композиций с использованием зерен, отличающихся по форме от сферической производится аналогичным образом, для улучшения реологических свойств наполненной системы, для получения которой используются наполнители или заполнители с неправильной формой зерен (частиц), увеличивают толщину прослойки связующего вещества, вводят его в систему в количестве, превышающем пустотность сыпучих компонентов, на большую величину чем для сферофракций. Кроме того, для фракций с неправильной формой зерен (частиц) требуется более точное определение величины пустотности, которая зависит от размера зерен (частиц) измельченного материала.

Для фракций, отличающихся по зерновому составу от монодисперсных, допускается использование диаметров сфер и размеров зерен с усредненными величинами.

Рекомендации, связанные с приготовлением композиции, сохраняются и при использовании сыпучих материалов с неправильной формой зерен (частиц), форма частиц или зерен не влияет на формирование зернового скелета наполненной системы, хотя различия в прочности на сжатие у сфер и зерен неправильной формы имеются, они зависят только от формы зерен.

Применение предлагаемого способа приготовления формирующейся наполненной композиции по сравнению с прототипом обеспечивает снижение трудозатрат и времени на испытание исходных компонентов, точное определение их насыпных объемов и объемов для приготовления 1 м³наполненной композиции, возможность регулирования плотности смеси числом вводимых в систему фракций, формирование оптимально упакованного зернового скелета, в котором имеет место равномерное распределение зерен в объеме композиции, придание в связи с этим изотропных свойств композиционному материалу. Кроме того, предлагаемый способ обеспечивает возможность расчета сложных составов при любом сочетании зерновых фракций и при наличии любого, обоснованно выбранного для приготовления данной композиции, связующего вещества, создания материалов с заранее заданным комплексом физико-механических и потребительских свойств оптимизацией состава и структуры системы.

(56) Химическая технология керамики и огнеупоров. /Под ред. Будникова П. П. М. : Стройиздат, с. 54-55.

Наполнители для полимерных композиционных материалов.

Справочное пособие/Под ред. Бабаевского П. Г. М. : Химия, 1981, с. 27-33 (прототип).

Использование: область испытаний и определения свойств материалов в технологии огнеупоров, технической керамики, композитов, строительных конгломератов и других производствах, где трубуется регулирование плотности и формирование упорядоченной зерновой структуры материала, содержащего наполнитель или заполнитель. Сущность изобретения: проводят гранулометрический анализ. Используют фракции с размерами зерен d₁, d₂...d_n, удовлетворяющие условию d₂/d₁≅ d₃/d₂≅ ...≅ d_n/d_n-1≅ 0.063. Определяют пустотность фракций. Рассчитывают объемные коэффициенты раздвижки зерен прослойкой связующего вещества и расход компонентов для приготовления композиции. Диспергируют фракцию V_n с размерами зерен d_n в связующем веществе V_св. Дисперсию V_n+V_св используют для совмещения с фракциями с большими размерами зерен в последовательности V_n-1...V₂, V₁. После каждого совмещения компоненты смешивают.

СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ФОРМУЮЩЕЙСЯ НАПОЛНЕННОЙ КОМПОЗИЦИИ, включающий проведение гранулометрического анализа, определение пустотности фракций, расчет расхода компонентов для приготовления 1 м³ композиции и их смешение, отличающийся тем, что для приготовления композиции используют фракции с размерами зерен d₁, d₂, . . . , d_n, удовлетворяющими условию
d₂/d₁ ≅ d₃/d₂ ≅ . . . ≅ d_n/d_n-1 ≅ 0,063,
объемные коэффициенты раздвижки зерен прослойкой связующего вещества рассчитывают по формуле
α_1,2,...,n =
где α _2,...,n - объемные коэффициенты раздвижки зерен прослойкой связующего вещества, безразмерные величины;
d_1,2,...,n - размеры зерен, м;
h - толщина прослойки связующего вещества, м;
расход компонентов для приготовления композиции рассчитывают по формулам
V₁= 1м³˙α₁^; V₂= (V_п1+α₁-1)˙(α₁˙α₂) ^; V₃= (V_п1+α₁-1)˙(V_п2+α₂-1)×
×(α₁˙ α₂˙α₃) ^; V_n= (V_п1+α₁-1)˙(V_п2+α₂-1)×
×. . . ˙(V ×(α₁˙α₂˙, . . . , α_n) ^; V_св= (V_п1+α₁-1)˙(V_п2+α₂-1)×
×. . . ˙(V_пn+α_n-1)×
×(α₁˙α₂. . . α_n) ^, где V₁, V₂, V₃, . . . , V_n - насыпные объемы фракций с размерами зерен соответственно d₁, d₂, d₃, . . . , d_n, м³;
V_св - объем связующего вещества, м³;
V_n1,V_n2,...,Vnn - пустотность фракций с размерами зерен соответственно d₁, d₂, . . . , d_n, безразмерные величины;
диспергируют фракцию V_п с размерами зерен d_п в связующем веществе V_св, дисперсию V_п + V_св используют для совмещения с фракциями с большими размерами зерен в последовательности V_n-1, . . . , V₂, V₁, при этом после каждого совмещения компоненты смешивают.