СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОНАПОЛНЕННОЙ ГРАФИТОСОДЕРЖАЩЕЙ КОМПОЗИЦИИ Российский патент 2003 года по МПК C08J3/20 C08K3/04 C08L23/12 

Изобретение относится к области переработки высоконаполненных графитосодержащих материалов на основе искусственного графита и полипропилена, которые применяются для изготовления конструкционных изделий биологической защиты от нейтронных излучений.

Известны способы приготовления смесей на основе полимерной матрицы, включающие перемешивание твердых сыпучих (порошкообразных) материалов: пневматический, гравитационный, механический, заключающиеся в перемешивании порошкообразных материалов в течение определенного времени в аппаратах различной конструкции, воздухом или газом, использованием сил тяжестей самих частей, а также различных перемешивающих устройств ("Оборудование для переработки пластмасс. Справочное пособие по расчету и конструированию" под редакцией В.К.Завгороднего, М., "Машиностроение", 1976 г., с. 62).

Известен способ приготовления высоконаполненной боросодержащей композиции, заключающийся в смешении в шаровом смесителе с металлическими шарами, ламинированными поликарбонатом порошка полипропилена с 10-80 мас.% аморфного бора с последующим прессованием заготовок из этой композиции, перевода заготовок в стружку и измельчением стружки в шаровом смесителе (а.о. 1685956).

Недостатком указанного способа является невозможность использования гранулированного полипропилена.

В высоконаполненных композициях в целях лучшей смешиваемости наполнителя необходимо использовать порошковые полимеры. Известен способ приготовления графитосодержащей композиции следующего состава, мас.%: графит - 10±4; полипропилен гранулированный - 90±1. (Инструкция приготовления смеси полипропилена с порошком графита. Комбинат "Электрохимприбор" г. Лесной Свердловской области, 1995 г.).

Недостатками данного способа являются невозможность получения высоконаполненной графитосодержащей композиции с содержанием графита до 85 мас.% с равномерным распределением компонентов в смеси и с требуемыми прочностными характеристиками.

Известен способ приготовления графитосодержащей композиции, заключающийся в предварительном смешении графита (75-90 мас.%) с порошковым полипропиленом, прессовании заготовки, переводом ее в стружку и дроблении до порошкового состояния, добавлении в измельченную стружку гранулированного полипропилена, смешении и экструдировании окончательной смеси. Количество гранулированного полипропилена добавляется с учетом порошкового полипропилена в стружке до получения необходимого содержания графита в конечной композиции (~10 мас.%) (RU) 2103286).

Недостатками способа являются невозможность получения высоконаполненной композиции с равномерным распределением компонентов в смеси, с высокими прочностными характеристиками, а также необходимость использования полипропилена двух модификаций порошкового и гранулированного.

Известен способ приготовления графитосодержащей композиции, заключающийся в введении в смесь графита и гранулированного полипропилена сечки, получаемой механической обработкой деталей из полипропилена и имеющей толщину 0,2-0,3 мм в соотношении, мас.% (RU 2162095):
Графит - 9-11
Сечка полипропилена - 30-50
Полипропилен гранулированный - Остальное
Недостатками способа являются невозможность получения высоконаполненной графитосодержащей композиции с равномерным распределением компонентов, с требуемыми прочностными характеристиками, необходимость использования полипропилена двух модификаций (сечка и гранулы).

Необходимо отметить, что для некоторых конструкционных изделий биологической защиты от нейтронных излучений, изготовленных из высоконаполненной графитосодержащей композиции требуется, кроме обеспечения высоких прочностных характеристик, высокая чистота, отсутствие посторонних твердых примесей, определяемых в процессе анализа как зола (<0,06 мас.%).

Известно, что существуют два основных типа графитов:
- естественный (природный) графит,
- искусственный графит
(А. Р.Уббелоде, Ф.А.Льюис. Графит и его кристаллические соединения. Пер. с англ. , М., "Мир", 1965 г.). Порошки из естественного графита содержат в своем составе достаточное количество посторонних примесных элементов (золу) до 13 мас. % (ГОСТ 5279 "Графит кристаллический литейный, ГОСТ 7478 Графит элементный, А.Р.Уббелоде, Ф.А.Льюис Графит и его кристаллические соединения. Пер. с англ., М., "Мир", 1965 г.).

Искусственные порошковые графиты достаточно чисты (содержание золы <0,5 мас. %), благодаря чему они используются для приготовления некоторых типов высоконаполненных графитосодержащих композиций, применяемых для изготовления конструкционных изделий биологической защиты от нейтронных излучений.

Искусственные марки графитов в отличие от естественных имеют более шероховатую структуру за счет крупности кристаллов и особенностей строения кристаллической решетки (Е. В.Чалых. Технология и оборудование электродных предприятий. М. , "Металлургия". 1972 г., с. 62, 63). Высокая степень наполнения композиции искусственным графитом (до 85 мас.%) резко увеличивает эффективную вязкость, что вызывает повышенное трение композиции о стенки экструдера и ее загрязнение металлическими примесями. По конструкторской документации допускается содержание примесей (золы) до 0,06 мас.%. Поэтому приготовление высоконаполненной графитосодержащей композиции с использованием искусственного порошкового графита с высокой степенью чистоты также не представляется возможным по указанным двум способам (RU 2103286, RU 2162095).

Известен способ изготовления высоконаполненной полимерной композиции состава, мас.%:
Графит искусственный - 85±5
Полипропилен порошковый - 15±5
Сущность способа заключается в смешении графита и полипропилена в барабанном смесителе с последующим экструдированием навески в двухшнековом экструдере при температуре плавления с последующим прессованием заготовки (детали) (технологический процесс изготовления графитосодержащей композиции комбинат "Электрохимприбор", г. Лесной. Свердловской обл., 1973 г.).

Указанный способ взят в качестве прототипа при изготовлении композиции состава, мас.%:
Графит искусственный - 85±5
Полипропилен гранулированный - 15±5
Недостатком способа изготовления является внесение примесей в процессе экструдирования графитосодержащей композиции.

Увеличение эффективной вязкости расплава композиции, изготовленной по способу-прототипу, при ее экструдировании вызывает деструкцию полимера.

На поверхности отпрессованной заготовки из такого экструдата наблюдается появление раковин, расслоений. Стандартные образцы, вырезанные из отпрессованной заготовки, имели показатель прочности на разрыв 8-11 МПа (по конструкторской документации требуется не менее 15 МПа).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка способа приготовления графитосодержащей композиции состава, мас.%:
Графит искусственный - 85±5
Полипропилен гранулированный - 15±5
которая позволила бы прессовать из нее заготовки без дефектов, при этом предел прочности на разрыв (σ_p) должен быть не менее 15 МПа.

Поставленная задача решается тем, что гранулированный полипропилен предварительно смешивают с искусственным графитом в соотношении, мас.%:
Графит искусственный - 38±5
Полипропилен гранулированный - 62±5
смесь экструдируют, прессуют предварительную заготовку, которую подвергают мехобработке на токарном станке, стружку дробят в шаровой мельнице до порошка, в порошок добавляют искусственный графит до получения состава, мас. %:
Графит искусственный - 85±5
Полипропилен гранулированный - 15±5
окончательно приготовленную композицию экструдируют.

Ниже приводятся примеры, иллюстрирующие данное изобретение.

Примеры 1-8 согласно заявляемому техническому решению (см. таблицу).

В барабанный смеситель загружают искусственный графит и гранулированный полипропилен.

Время перемешивания 2-3 часа. Смешанную композицию экструдируют при температуре 210-230^oС в пресс-форму. Из экструдированной композиции прессуют заготовку при удельном давлении 15-25 МПа. Заготовку переводят в стружку на токарном станке, стружку дробят в шаровом смесителе при соотношении - шары: композиция 4: 1 (по массе). В дробленную до порошка композицию добавляют искусственный графит до получения в ней графита до 85±5 мас.% и перемешивают в барабанном смесителе в течение 2-3 часов. Окончательно изготовленную композицию экструдируют и загружают в пресс-форму.

Примеры 9-10 (контрольные согласно прототипу).

Анализ таблицы показывает, что положительные результаты получаются при экструдировании первичной композиции состава, мас.%:
Графит искусственный - 38±5
Полипропилен гранулированный - 62±5
При содержании графита в этой композиции менее 33 мас.% не представляется возможным получить мелкодисперсную стружку при ее дроблении, что влечет за собой неоднородность структуры.

При содержании графита более 43 мас.% наблюдается загрязнение конечной композиции примесями и падение предела прочности на разрыв.

Заявляемый способ приготовления графитосодержащей композиции позволяет получать детали с повышенной прочностью и требуемым содержанием примесей.

Изобретение относится к области переработки высоконаполненных графитосодержащих материалов, которые используются для приготовления биологической защиты от нейтронных излучений. Смешивают графит искусственный в количестве (38±5) мас.% и гранулированный полипропилен - остальное, экструдируют и прессуют заготовку. Заготовку переводят в стружку, дробят до порошка, в который добавляют графит искусственный до получения композиции заданного состава, смешивают, прессуют окончательную заготовку. После чего окончательную заготовку переводят в стружку и дробят до порошка. Заявленный способ позволяет прессовать заготовки без дефектов - рыхлот, раковин, расслоений, повысить прочностные характеристики деталей. 1 табл.

Способ приготовления графитосодержащей композиции состава, мас.%:

Графит искусственный 85±5

Полипропилен гранулированный 15±5

включающий операции смешения и экструдирования, отличающийся тем, что графит искусственный и полипропилен гранулированный смешивают в соотношении, мас.%:

Графит искусственный 38±5

Полипропилен гранулированный 62±5

и экструдируют, прессуют заготовку, которую механическим путем переводят в стружку, дробят до порошка, в который добавляют искусственный графит до получения состава, мас.%:

Графит искусственный 85±5

Полипропилен гранулированный 15±5