Печать E-mail

ПРОИЗВОДСТВО  МАГНИТОПЛАСТОВ

Получение анизотропных полимерных композиционных материалов с магнитными свойствами
 

Получение и применение полимерных магнитов.

   Широкое распространение полимерных магнитов связано с разработкой технологии получения качественных  магнитных наполнителей, не требующей.  высокотемпературного обжига изделий. Только из таких материалов могут быть изготовлены магнитные профили с сечением сложной конфигурации, листовые магниты.  Несомненное достоинство полимерных магнитов – возможность получения изделий высокопроизводительными методами, характерными для переработки пластмасс - литьём под давлением, экструзией,  каландрованием. Благодаря этому их производство более экономично по сравнению с обычными керамическими или металлическими магнитами. Можно также отметить коррозионную устойчивость, возможность получать изделия сложной формы, например, типа зубчатых колес, изделия с резьбовыми отверстиями и т.д. При этом изделия отличаются высокой точностью и стабильностью размеров и магнитных параметров и не требуют дополнительной обработки.

   Наполнители для полимерных постоянных магнитов (ПКММ) - порошки из бариевого или стронциевого ферритов, сплавов на основе редкоземельных элементов (неодим-железо-бор, самарий-кобальт, самарий-железо, алнико); используются также смеси этих материалов. Для магнитомягких магнитных материалов применяют карбонильное железо, никель-цинковые и другие ферриты.

   Дальнейший прогресс в производстве полимерных магнитов связан с появлением так называемых
анизотропных магнитопластов и магнитоэластов. (Полимерные магниты третьего поколения). В таких материалах повышение магнитных свойств обеспечивается созданием анизотропной текстуры. Изменение магнитных параметров изделий  связано, прежде всего, с ориентацией наполнителя в процессе переработки. 

В идеальном случае предельные магнитные свойства данного магнитотвердого   материала  могут быть достигнуты при точной ориентации вектора намагниченности в данной  точке  в заданном направлении.

В настоящее время известны два принципиально различных способа создания  анизотропных  текстур  в ПКММ в процессе получения изделий: ориентирующим магнитным полем заданной топографии во время нахождения ПКММ в вязкотекучем состоянии -магнитная ориентация; и путем механической ориентации наполнителя при деформировании ПКММ .  В последнем случае частицы наполнителя   должны  обладать  анизометричной формой (игольчатой или пластинчатой), а направление оси легкого намагничивания частицы должно быть  однозначно  связано  с  ее формой. Оба способа ориентации имеют свои преимущества и недостатки: магнитная - как правило эффективней, но требует специального оборудования и оснастки и не всегда может быть реализована технически; механическая - требует соответствующего типа  наполнителя для ПКММ,  определенной оптимизации процессов переработки (часто без модернизации оборудования), и  в первую  очередь привлекательна простотой технических решений. Для максимального эффекта магнитный  и механический методы ориентации могут быть реализованы в комбинации - в наиболее рациональных  технических решениях . Уровень магнитных свойств анизотропных изделий при этом выше, чем у изотропных в 3-3,5 раза.

 

     Для механической ориентации наиболее широко в качестве наполнителей для ПКММ используются пластичные порошки  магнитотвердых ферритов бария (ПФБ)  и стронция (ПФС). Эти ферриты обладают гексагональной кристаллической  решеткой с одноосной магнитной анизотропией, причем единственная ось легкого намагничивания  монокристалла  направлена перпендикулярно гексагональной базисной плоскости.

       При течении расплава ПКММ частицы наполнителя участвуют одновременно в двух движениях: поступательном и вращательном. Скорость  вращения плоской частицы неравномерна и зависит от  ее ориентации.  Очевидно,  что большую часть периода вращения пластинчатая частица будет находиться в положениях, когда ее  плоскость составляет небольшой угол с направлением течения ПКММ, что приведет к возникновению анизотропии.

   Зависимость BH от концентрации наполнителя,  полученные при каландровании  ПКММ непосредственно после  смешения на вальцах,  когда каландрируемый материал пропускался через зазор между двумя валками каландра .Процесс носит монотонный характер. Поэтому для достижения высоких магнитных свойств анизотропных изделий из ПКММ, получаемых методом каландрования, необходимо  использовать материалы с возможно более высокой   концентрацией  анизометричного  наполнителя, соблюдая предосторожности о которых говорилось выше. Это хорошо иллюстрирует одно из преимуществ метода механической ориентации перед магнитным текстурированием,  где зависимость эффективности ориентации частиц  наполнителя от концентрации носит экстремальный характер, обусловленный значительным   затруднением  вращения  частиц  под действием магнитного   поля  при  высокой  степени  наполнения.….

   Кроме расчета профиля давлений и граничных условий программа (теоретическая  часть статьи  опущена) позволяет определить поле скоростей  течения и   деформации каландрируемого материала,  необходимых для дальнейшего расчета процесса механической ориентации. Расчет магнитных свойств откаландрованных листов,  ( см.таблицу), проводился исходя из допущений, принятых выше. Для расчетов без учета скольжения при каландровании магнитные параметры определялись как в сечении,  соответствующем экспериментальному значению толщины листа H1э, так и   в сечении H1р,  соответствующем нулевому давлению на входе в зазор каландра.

ТАБЛИЦА

Магнитные свойства откаландрованных листов,  89  масс.% ПФБ + СЭВА


Т = 373 К Т = 378 К
Н1э,мм H1р,мм Br,T H1э,мм H1р,мм Br,T
Расчет без учет скольжения 0,6 0,68 0,18 - 0,68 0,18
Расчет с учетом             
скольжения
0,6 - 0,231 0,615 - 0,226
Экспериментальные             
данные
0,6 - 0,224 0,61 - 0,221

  Из приведенных  данных  видно,  что расчет ориентационной структуры с учетом скольжения  позволяет улучшить согласие с экспериментам, хотя отклонения и наблюдаются. Одной из причин этого отклонения может являться большее  соотношение величин продольной и сдвиговой деформации в реальном процессе каландрования по сравнению  с расчетной моделью.

      Получение магнитноанизотропных изделий из ПКММ с использованием метода механической ориентации методом каландрования на сегодняшний день наиболее разработано и перспективно с практической точки зрения  в том числе и потому, что альтернативный метод магнитной ориентации для получения листовых полимерных магнитов мало эффективен. Технологический процесс, реализующий данную технологию, позволяет обеспечить производство изделий с (BH)max не менее 9,6 кА*Т /м, что превышает уровень магнитных свойств изотропных  ПКММ в 2 раза.

       Основная технологическая проблема получения анизотропных полимерных магнитов методом магнитной ориентации состоит в том, что при наложении внешнего магнитного поля на материал, находящийся в вязкотекучем состоянии, эффект оказывается незначительным из-за разориентации частиц наполнителя при их вращении в сдвиговом поле.

 При прессовании  и литье под давлением это  сказывается в меньшей мере, но при экструзии существенно снижает эффективность данной технологии.  Поэтому был предложен и реализован на практике метод «гидроаэродинамической экструзии»  для обеспечения развитого скольжения на стенке канала формующего инструмента для переработки ПКММ. Показано, что использование данного метода  позволяет в 2-2,5 раза снизить давление экструзии за счет практически полного устранения деформаций расплава при его движении по формующему каналу. Магнитная ориентация при правильно подобранных технологических режимах осуществляется в данном случае  наиболее полно, и соответственно, достигается существенное (в 3 и более раза) повышение магнитных параметров изделий по сравнению с изотропными аналогами (например, используемых в качестве магнитных вставок уплотнителей бытовых холодильников).

   Однако и для таких магнитов характерны более низкие по сравнению с цельными магнитами магнитные свойства; в целом ряде случаев  требуются более высокие значения показателя
магнитные свойства / цена изделия

Появление магнитотвердых полимерных магнитов следующего, четвертого поколения,    связано с, прежде всего, с решением  проблем реологии полимерных магнитов в магнитном поле. Наличие сдвигового течения композиции в формующем инструменте приводит к тому, что частицы магнитного наполнителя, ориентируемые магнитным полем в нужном направлении, разориентируются, вращаясь под действием приложенного напряжения сдвига.  Магнитные свойства изделий получаются вследствие этого заниженными по сравнению с теоретически возможными. По этой же причине  анизотропные полимерные магниты, производимые непрерывным способом - экструзией и каландрованием, имеют более низкие магнитные свойства по сравнению, например, с изделиями, полученными методами литья или прессования в магнитном поле. Указанные обстоятельства характерны для всех ведущих производителей  полимерных магнитов мира. Отметим, что именно погонажные изделия (профили различного сечения, трубы) получаемые экструзией и листовые материалы (экструзионно - каландровый метод) представляют наибольшую практическую ценность

  
Нейтрализация негативного влияния неизбежного при переработке магнитопластов и магнитоэластов сдвигового течения, и более того –  получение позитивного эффекта от механической ориентации при течении КМПМ в магнитном поле потребовала решения двух задач.

Во-первых, нетривиального решения конструктивного оформления формующего инструмента, во-вторых, специальной подготовки и обработки магнитного наполнителя.

В последнем случае частицы наполнителя   должны  обладать  анизометричной формой (игольчатой или пластинчатой), а направление оси легкого намагничивания частицы должно быть  однозначно  связано  с  ее формой.

Только при таком подходе появилась возможность избежать негативного для формирования анизотропной структуры сдвигового течения и сформировать в месте действия магнитного поля только течения растяжении - сжатия.  Изометричные частицы наполнителя, окруженные жидкой фазой полимера, перемещаясь во внешнем магнитном поле, свободно разворачивались в заданном направлении, сохраняя полученную ориентацию в готовом изделии. Анизометричные частицы, если  их форма и  направление оси легкого намагничивания  было    взаимосвязано,  получали дополнительно механическую ориентацию.

Для максимального эффекта магнитный  и механический методы ориентации должны быть реализованы в комбинации - в наиболее рациональных  технических решениях уровень магнитных свойств анизотропных изделий при этом выше, чем у изотропных в 3-3,5 раза.  В идеальном случае предельные магнитные свойства данного магнитотвердого   материала  могут быть достигнуты при точной ориентации вектора намагниченности в данной  точке  в заданном направлении, поэтому для получения изделий с высокими магнитными свойствами важны все стадии техпроцесса. 

   1. Получение и обработка наполнителя. Поскольку лучшими магнитными свойствами обладают магнитопласты, состоящие из однодоменных ферритовых частиц, технологический процесс включает необходимые для ферритизации операции отжига; операции размола наполнителя в шаровых и вибромельницах с использованием технологических добавок, обеспечивающих необходимый гранулометрический состав и другие требования к наполнителю; просеивания, и т.д..   Для получения наиболее высоких магнитных свойств порошки подвергаются химической обработке с целью удаления немагнитной фракции (ферритовой пыли) и сфероллитизации частиц наполнителя.

  
2. Приготовление композиции. С точки зрения реологического поведения магнитопластов в процессе переработки большое значение имеют как макрореологические свойства (возможность переработки на современном высокопроизводительном оборудовании), так и микрореологические эффекты, связанные с условиями вращения частиц наполнителя в полимерной матрице.

Поэтому в состав композиции вводят технологические добавки, подбор которых определятся природой полимера и наполнителя.

Существенным технологическим приемом, обеспечивающим улучшение реологических свойств композиций, является приготовление составов на основе смесей порошков с размерами частиц, обеспечивающими максимальный коэффициент объемного заполнения. При этом концентрацию наполнителя можно  повысить до 91-94 % масс. (65-70% объемных) без снижения степени ориентации наполнителя. Для получения композиционных магнитотвердых материалов в промышленных объемах требуются специальные смесители тяжелого типа, способные осуществлять равномерное смешение с объемным коэффициентом заполнения 0,6 к тому же выполненные из абразивностойких материалов.

   3. Получение анизотропных изделий.     В процессе экструзии нагретая смесь исходных компонентов продавливается через головку с профилирующим каналом заданной формы. В результате получаются магнитные полимерные профили нужного сечения. Условия для магнитной ориентации обеспечиваются наложением внешнего магнитного поля на материал, находящийся в вязкотекучем состоянии. Механический ориентационный эффект достигается за счет соответствующего конструктивного оформления  формующего инструмента

Переработка магнитопластов  литьем под давлением осуществляется на оборудовании, с устройствами наложения магнитного поля на формуемые изделия.

Листовые изделия производятся на экструзионно - или валково-каландровых линиях с последующим намагничиванием. В дальнейшем лист может быть разрезан на полосы нужной ширины.

В качестве  связующего используются самые разные полимеры, обеспечивающие требуемые эксплуатационные характеристики. Для листовых материалов, получаемых методом каландрования,  это, как правило, различные виды термоэластопластов, пластифицированный поливинилхлорид, сульфохлорированный полиэтилен, нитрильный и другие каучуки. Для экструзии и литья под давлением используют полиамиды, полистиролы, полиолефины, сэвилен и другие виды термопластов с достаточной текучестью. При получении изделий из магнитопластов методом прессования используют термореактивные связующие:  эпоксидные фенольные, полиэфирные смолы.

Необходимо отметить, что эластичные полимерные связующие, отличающиеся,  как правило, большей вязкостью, менее удобны для достижения ориентации наполнителя в магнитном поле. Жесткие магнитопласты характеризуются, поэтому более высокими, чем у гибких магнитов, значениями коэрцитивной силы Hci, остаточной индукции Br и энергетического произведения (BH)max. Типичные значения магнитных параметров полимерных магнитов даны в приводимой ниже таблице.

Вид магнита, способ получения Магнитная компонента Hci, Э Br, Гс (BH)max, МГсЭ
Жёсткие магниты; литьё под давлением, экструзия, прессование. Феррит 2700–5000 2100–2800 1.4 - 2.0
Sm – Co 16000 6100 8.5
NdFeB 4300–16000 4900–7000 4.8-10.3
Гибкие магниты;
каландрование, экструзия
Феррит 2100 – 3600 2100–2700 1-1.8
NdFeB 10000 5300 6
 
Некоторые области применения полимерных магнитов:

       • Акустические системы, реле и бесконтактные датчики, электромашины, магнитные сепараторы, холодильники;

       • магнитные элементы кодовых замков и охранной сигнализации;

       • тахогенераторы, датчики положения, электроизмерительные приборы.

       • медицина (магнитотерапия, магнитные матрасы);

       • автоматизированное шоссе, где в США предусматривается разместить до полутонны  ферритовых магнитопластов на одну милю шоссе для автоматического управления движением автомобиля, оснащенного специальным компьютером и системой слежения;

       • магнитное покрытие для полов офисов и промышленных помещений;

       • магнитная компонента для глушителей автомобилей (в Европе на эти цели уходит 23000 тонн магнитопластов);

       • периферийные устройства компьютеров, мобильные телефоны, фотоаппараты, кинокамеры;

       • магнитные устройства для обработки воды, углеводородного топлива, масел; магнитные фильтры;

       • магниты для учебных заведений  (магнитная азбука, символы и знаки на магнитной фиксации, наглядный  и демонстрационный материал), магнитные фиксаторы разных типов; магнитные устройства для использования в рекламе, торговле, при оснащении выставок, конференций, спортивных мероприятий и т.д.

    Магнитопласты находят все более широкое применение в автомобильной промышленности. В современных автомобилях используются до 500 различных датчиков. Значительная часть из них реализуется с применением преобразователей магнитного поля и КМТПМ. Сообщается об успешном применении в автомобилях магнитного активатора топлива, заметно (до20%) сокращающего расход углеводородного топлива, увеличивая при этом мощность двигателя и ресурс его работы. Существенно – до50% , снижается количество вредных выбросов в атмосферу.

   В результате использования магнитных индукторов для обработки нефти значительно уменьшаются асфальтосмолопарафиновые (АСП) отложения на внутренних поверхностях нефтедобывающего и транспортного оборудования. В растениеводстве, по данным национального сельскохозяйственного университета Украины обработка намагниченной водой семян и растений, более чем на 30% повышает урожай крупяных культур, а также картофеля, гороха, капусты, моркови, лука, чеснока, редиски. Одновременно отмечается повышение устойчивости к болезням и сокращение срока созревания растений.

  
Мы предлагаем, как наиболее оптимальные по совокупности параметров: цена – производительность –качество продукта,  рассмотреть два варианта технологии: вальце -каландровый и экструзионно –каландровый с предварительным приготовлением композиции на вальцах или смесителях другого типа. Во втором случае потребуется изготовление листовальной головки на экструдер, но производительность процесса существенно выше, а затраты ручного труда ниже. Какое количество продукта в сутки (в час) Вы хотите получить?

   Изготовление индуктора для намагничивания возможно. Если Вы предполагаете изготовление магнитных листов с разными толщинами, то индукторов должно быть несколько. Это позволит оптимально сочетать ширину магнитных полос при намагничивании и толщины листов и получать изделия с максимальными магнитными характеристиками.

   Если толщина изделия не будет отличаться больше, чем на 0,2-0,3 мм то нужен один индуктор.  Цена индуктора сильно зависит от его размеров и соответственно производительности – от 4 до 16 т. долл. США.

   Имеете ли Вы установку для  намагничивания или хотите приобрести новую, в частности у нас? Если первое, сообщите ее характеристики – прежде всего тип (импульсная или постоянного тока), величина максимального напряжения при разряде, время набора заряда, место размещения индуктора и его размеры.  Для определения размеров индуктора сообщите, какую площадь листов в час Вы хотите намагнитить.
 

АО "Полимермаш"

190020, Санкт-Петербург,
наб.Обводного канала д.152
 
тел.факс:
(812)252-63-10
(812)252-08-59
(812)252-42-15
 
E-mail:

polymermash@mail.ru
polymermash@gmail.com