Армуючі мікронаповнювачі для композиційних матеріалів на основі подрібнених мікро-, ультра- та супертонких мінеральних волокон

Реферат: Армуючі мікронаповнювачі для композиційних матеріалів на основі подрібнених механічним способом мікро-, ультра- та супертонких штапельних волокон з мінералів андезито-базальтової групи виготовлені у вигляді дрібнодисперсного порошку, частинки якого складаються з мікроволокон, які мають геометричні розміри, визначені співвідношенням між середньою довжиною та середнім діаметром, яке для всіх можливих комбінацій волокно-матриця лежить в межах 15-125, при цьому мікротонкі мікронаповнювачі виготовлені з діаметром частинок менше 0,6 мікрон і довжиною частинок до 75 мікрон, ультратонкі мікронаповнювачі - з діаметром частинок 0,6-1 мікрон і довжиною частинок 9-125 мікрон, супертонкі мікронаповнювачі - з діаметром частинок 1-3 мікрон і довжиною частинок 15-375 мікрон. UA 114719 U (54) АРМУЮЧІ МІКРОНАПОВНЮВАЧІ ДЛЯ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ ПОДРІБНЕНИХ МІКРО-, УЛЬТРА- ТА СУПЕРТОНКИХ МІНЕРАЛЬНИХ ВОЛОКОН UA 114719 U UA 114719 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до промисловості виробництва армуючих мікронаповнювачів для потреб індустрії композиційних матеріалів. Вона може використовуватись в технологіях виготовлення широкого спектра виробів з високими експлуатаційними властивостями на основі об'ємно-армованих композиційних матеріалів. Відомо, що промисловість композиційних матеріалів для створення виробів з необхідними експлуатаційними властивостями використовує широкий асортимент різноманітних мікро- і нанонаповнювачів, які відрізняються хімічним складом, геометричними параметрами і фізичними властивостями, серед яких достатньо поширені мінеральні мікро- і нанонаповнювачі пластинчастого або лускоподібного типу, що мають природне походження, зокрема дисперговані слюдяні лусочки та монтморилонітові або бентонітові глини [Functional fillers for plastics. Ed. Marino Xanthos, Wiley-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA, 2006, 451 p., а також Handbook of composites. Ed. George Lubin, Van Nostrand Reinhold, New York, 1982, 786 p.]. Відомі також лускоподібні мікро- та нанонаповнювачі, штучно виготовленні зі скла або базальту, що наділені властивістю створення багатобар'єрного захисту, який суттєво ускладнює проникнення хімічно активних сполук крізь шар захисного покриття, і які широко застосовують для антикорозійного захисту металевих або бетонних поверхонь [Пат. №1831856, СССР, МКИ 6 С03В37/02, B22F9/02, Способ получения тонкодисперсных чешуйчатых частиц. Бюл. №9, 1995 и Пат. №2270811, RU, C03B37/06, Способ изготовления чешуйчатого материала из минерального расплава и установка для его осуществления. Бюл. №6, 2006]. Однак, такі наповнювачі є дуже крихкими і легко пошкоджуються при замішуванні, нанесенні покриття та деформації поверхні. Найбільш близькими за технічною суттю до корисної моделі, що заявляється, є мікронаповнювачі для тривимірного армування, основані на використанні рубленого базальтового та скляного неперервного волокна (чопси), або меленого штапельного тонкого мінерального волокна, частинки яких мають характерний діаметр волокон від 5 до 20 мікрон, а довжину від 120 мікрон до 3-5 міліметрів [ТУУ В.2.7. 88 023.025-96, Полотна з мікро-, ультра-, супертонких і скломікрокристалічних скляних штапельних волокон з гірських порід, введені в дію 17.07.1996.], фізичні властивості яких докладно описанні в [Джигирис Д.Д., Махова М.Ф. Основы производства базальтовых волокон и изделий. Теплоэнергетик, Москва, 2002, 412 с]. В багатьох випадках використання таких мікронаповнювачів дає можливість створити композиційний матеріал з покращеними фізичними властивостями, однак їх використання має і серйозні обмеження. Через занадто великий розмір армуючих частинок, при механічній обробці поверхня виробу не може бути відполірованою. Також відносно великий діаметр волокон призводить до того, що армуючі властивості волокон не можуть бути використані в повній мірі. Зокрема, дуже часто, при руйнуванні композиційного матеріалу армуючі волокна не руйнуються разом з матеріалом матриці, а висмикуються з нього. Це пов'язано з недостатньою поверхневою енергією взаємодії волокон і матеріалу матриці. В основу корисної моделі, що заявляється, поставлено задачу розробити високоефективні армуючі мікронаповнювачі шляхом використання подрібнених механічним способом мікро-, ультра- та супертонких скляних волокон на основі мінералів андезито-базальтової групи з геометричними розмірами частинок, визначених оптимальним співвідношення між довжиною і їх діаметром на основі критерію Келлі, забезпечити для всіх можливих комбінацій волокноматриця високу поверхневу енергію взаємодії і, як наслідок, високі механічні параметри готового матеріалу, створеного на базі недорогих армуючих мінеральних мікронаповнювачів промислового типу. Поставлена задача вирішується тим, що армуючі мікронаповнювачі для композиційних матеріалів на основі подрібнених механічним способом мікро-, ультра- та супертонких мінеральних волокон андезито-базальтової групи, виготовлені у вигляді дрібнодисперсного порошку, частинки якого складаються з мікроволокон, які мають геометричні розміри, визначені співвідношенням між середньою довжиною та середнім діаметром, яке для всіх можливих комбінацій волокно-матриця лежить в межах 15-125, при цьому мікротонкі мікронаповнювачі виготовлені з діаметром волокон менше 0,6 мікрон і довжиною частинок до 75 мікрон, ультратонкі мікронаповнювачі - з діаметром волокон 0,6-1 мікрон і довжиною частинок 9-125 мікрон, супертонкі мікронаповнювачі - з діаметром волокон 1-3 мікрон і довжиною частинок 15375 мікрон. Виготовлення мікронаповнювачів у вигляді дрібнодисперсного порошку, частинки якого складаються з мікроволокон, які мають геометричні розміри, визначені співвідношенням між середньою довжиною та середнім діаметром, пояснюється наступним. При фіксованому степеню армування композиту частинками з подібною геометричною формою площа поверхні армуючих частинок зростає обернено пропорційно до їх розмірів. 1 UA 114719 U Виходячи з того, що V [см ] - питомий об'єм, що займають частинки мікронаповнювача,  характерна одиниця вимірювання розміру, а  - масштабний фактор, що характеризує розмір частинки мікронаповнювача, так що =, де  [см] - характерний розмір частинки. В нашому 3 3 2 2 випадку v~ ~() , a s~ ~() - середні об'єм і площа зовнішньої поверхні однієї частинки 3 мікронаповнювача, то при n [1/см ] - середній кількості частинок наповнювача в одиниці об'єму або питомій густині частинок наповнювача, очевидно, що n=V/v. (1) Нехай S питома площа контакту частинок наповнювача із матеріалом матриці. Тоді очевидно 2 3 S=sn~() V/() ~constV/. (2) Це показує, що питома площа контакту матеріалу матриці і наповнювача, а значить і поверхнева енергія взаємодії наповнювача і матриці пропорційна об'ємному степеню наповнення композиту і обернено пропорційна розміру частинок наповнювача. Враховуючи те, що зменшення діаметра волокон при незмінному хімічному складі суттєво збільшує їх питому міцність і гнучкість, а також те, що зміна лінійних розмірів мікроволокон в  разів змінює кількість мікроволокон, що перетинає довільну плоску поверхню всередині 2 композиційного матеріалу в 1/ разів, а середню відстань між мікроволокнами в 1/, разів, власне цим і забезпечують позитивний вплив на міцність композиційного виробу, внаслідок ускладнення і гальмування розповсюдження в глибину матеріалу мікродефектів і тріщин, що виникають на його поверхні під час експлуатації. Обґрунтовано доцільність і актуальність створення недорогих наповнювачів волокнистого типу із зменшеними до 0,3-3 мікрон діаметрами і оптимальними довжинами мікроволокон в межах 9-375 мікрон з широкого спектра штапельних мінеральних волокон з порід габробазальтової групи, які достатньо добре стандартизовані і мають класифікацію за середнім діаметром елементарних волокон: мікротонке - менше 0,6 мікрон, ультратонке - 0,6-1 мікрон і супертонке - 1-3 мікрон, взамін дороговартісних матеріалів такого типу - ниткоподібних мікрокристалів, або віскерів (з англ. - як вуса), що мають довершену внутрішню будову але характеризуються надзвичайно високими механічними параметрами і технологія їх виготовлення доволі складна і енерговитратна, що суттєво обмежує коло їх застосування. Крім того, міцність віскерів настільки висока, що є надлишковою при їх використанні для армування в стандартних полімерних і алюмінієвих матрицях. При створенні об'ємно армованих мікроволокнами композиційних матеріалів враховано, що збільшення міцності на розрив відбувається лише у випадку, якщо співвідношення між довжиною мікроволокон та їх діаметром перевищує деяке критичне значення, яке іноді називають числом Келлі. Експериментально досліджено, що для всіх можливих комбінацій волокно-матриця це число лежить в межах 15-125. Критична довжина зменшується для більш жорстких металевих і керамічних матриць і збільшується для більш еластичних полімерних матриць. Виходячи з цього, запропоновано нові типи армуючих мікронаповнювачів на основі штапельних волокон андезито-базальтової групи, подрібнених механічним способом, частинки яких мають визначене співвідношення між довжиною мікроволокон та їх діаметром, яке для всіх можливих комбінацій волокно-матриця лежить в межах 15-125, при цьому частинки таких мікронаповнювачів визначені за характерними розмірами: мікротонких мікронаповнювачів - з діаметром волокон менше 0,6 мікрон і довжиною частинок до 75 мікрон, ультратонких мікронаповнювачів - з діаметром волокон 0,6-1 мікрон і довжиною частинок 9-125 мікрон і супертонких мікронаповнювачів - з діаметром волокон 1-3 мікрон і довжиною частинок 15-375 мікрон. Таким чином сукупністю відомих і пропонованих суттєвих ознак створено нове технічне рішення, яке забезпечує якісно новий технологічний результат і є достатнім для виконання поставленої задачі корисної моделі. Суть корисної моделі полягає в наступному. Беруть певний тип штапельних волокон андезито-базальтової групи, як приклад виготовлених за ТУУ В.2.7. 88 023.025-96. Полотна з мікро-, ультра-, супертонких і скломікрокристалічних скляних штапельних волокон з гірських порід, що введені в дію 17.07.96, і подрібнюють з використанням механічних млинів або екструдерів. Залежність довжини волокон від часу помелу встановлюють експериментальним шляхом для кожного окремого млина (екструдера). Приклади базальтових мікронаповнювачів з визначеними параметрами наведені таблиці. 3 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 2 UA 114719 U Таблиця Назва мікронаповнювача Базальтовий мікротонкий наповнювач (БМТН) Базальтовий ультратонкий наповнювач (БУТИ) Базальтовий супертонкий наповнювач (БСТН) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Середній діаметр волокон, мікрон