Полимерные магниты

Полимерные  магниты

     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.

     Полимерные  магниты были изобретены почти 100 лет  назад. Наибольшее применение нашли  магнитопласты, изготовленные из магнитного порошка и термопласта по технологии переработки термопластов. По сравнению с твердыми магнитами, полимерные магниты обладают рядом достоинств, таких как устойчивость к коррозии, высокая прочность, возможность изготовить изделие любой формы.

     Недостатком магнитопластиков является хрупкость (низкие деформационные свойства), низкая морозостойкость, узкий диапазон эксплуатации.

     В магнитоэластиках, а правильнее их называть эластичных магнитах (полимерные магниты на основе каучуков (магнитные эластомеры), т.к. прежде всего используются их магнитные свойства, удачно сочетаются деформационные свойства эластомеров с ферримагнитными свойствами химических элементов переходной группы таблицы Менделеева, используемых в этих материалах в качестве наполнителей.

     Эластичные  магниты также устойчивы к  коррозии, имеют хорошую морозостойкость. Благодаря хорошей эластичности эти материалы приобретают свойство магнитоуправляемости, т.е. возможность деформироваться (растягиваться и сжиматься) в магнитном поле, что значительно расширяет область их применения. Эластичные магниты изготавливаются по технологии литья или литья под давлением. Изделие получают путем заполнения подготовленной смесью форм, в которых при нагревании происходит в дальнейшем вулканизация (отверждение). Это делает процесс изготовления трудоемким и дорогостоящим. Особенно трудно изготовить листовой материал большого размера.

     Вторым  существенным недостатком эластичных магнитов на основе каучуков является их неоднородность. В связи с тем, что по плотности магнитные порошки  превышают полимерную основу в 5-8 раз, в процессе вулканизации, который  длится до нескольких часов и даже суток, происходит седиментация (осаждение) наполнителя, что приводит к неоднородности по химическому составу и свойствам  материала по толщине изделия. Этот недостаток особенно проявляется при  использовании низкомолекулярных  каучуков: уретановых (СКУ), силоксановых (СКТ) - или при использовании большого количества пластификатора в составе или растворителя при изготовлении изделий.

     Указанные достоинства и недостатки в полной мере присущи магнитоуправляемым эластичным композиционным материалам на основе каучука, содержащим магнитный наполнитель, пластификатор и сшивающий агент. 

     Наполнители для постоянных магнитов 

     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 магнитного   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.

     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.

     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). 

                                            Связующие 

     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, пластизоль с пластификатором (ДБФ) сульфохлорированный полиэтилен, нитрильный и другие каучуки. Для экструзии и литья под давлением используют полиамиды, полистиролы, полиолефины, сэвилен, стиролэтиленбутиленстирол (SEBS) и другие виды термопластов с достаточной текучестью. При получении изделий из магнитопластов методом прессования используют термореактивные связующие:  эпоксидные фенольные, полиэфирные смолы. 

     Поливинилхлорид (ПВХ) — пластмасса белого цвета, термопластичный полимер винилхлорида. Отличается химической стойкостью к щелочам, минеральным маслам, многим кислотам и растворителям. Не горит на воздухе, но обладает малой морозостойкостью (-15 °C). Нагревостойкость: +65 °C. Устойчив к действию влаги, кислот, щелочей, растворов солей, бензина, керосина, жиров, спиртов, обладает хорошими диэлектрическими свойствами. Основной проблемой, связанной с использованием ПВХ, является сложность его утилизации — при сжигании образуются высокотоксичные хлорорганические соединения, например диоксины. 

     Пластизоли — это дисперсии частиц специальных сортов полимеров в жидком пластификаторе. Известно значительное количество различных пластизолей, однако широкое промышленное применение в настоящее время нашли лишь пластизоли на основе поливинилхлорида (ПВХ-пластизоли). В обычных условиях пластизоли стабильны и представляют собой жидкую или пастообразную массу, а при нагревании пластизоль «желатинизируется» — быстро превращается в монолитный пластикат с хорошими физико-механическими свойствами, высоким электрическим сопротивлением и химической стойкостью.    

     СЭВА (СЭВИЛЕН) – сополимеры этилена с винилацетатом, различающиеся содержанием винилацетата (ВА), который варьируется в диапазоне 10-60%. СЭВА характеризуется повышенной прозрачностью, нетоксичностью, устойчивостью к старению и стабильностью при переработке. Сэвилен хорошо совмещается с различными наполнителями, что обусловливает широкое распространение наполненных продуктов.

     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. 
 

                            Технология изготовления 

  1 способ: литье под  давлением 

       Сырье для литья представляет  собой гранулы  и  порошки , которое сначала плавится, после чего впрыскивается в пресс-форму под высоким давлением. Но внутри  остается ненужный воздух, который и откачивается вакуумом. В результате чего «будущее  изделие»  начинает сильно обтягивать пресс-форму. Затем мы должны все это как то «заморозить» . Для этого необходимо охладить  изделие сжатым воздухом. Когда оно остыло, мы должны отделить пресс-форму от изделия путем нагнетания, опять же сжатого воздуха. Легким щелчком изделие отделяется от пресс-формы, и мы вытаскиваем его. 

2 способ: вальцевание+экструзия

     Перед формованием для того чтобы смешать  оба компонента и придать им равномерную  массу помещаем наш полимер на вальцы.

     Вальцевание-это  метод переработки полимеров  заключающийся в многократном пропускании  материала через зазор между  нагретыми металлическими валками, которые вращаются навстречу друг другу(рис.1.а). Под действием температуры и механических усилий в зазоре между вальцами материал переходит из твердого состояния (стеклообразного) в вязкотекучее, при этом он подвергается деформационным усилиям, размягчается, смешивается и гомогенизируется. В процессе вальцевания материала происходит его сжатие сопровождающееся деформацией сдвига. Значительные сдвиговые напряжения в рабочем зазоре, приводят к механодеструкции (уменьшению молекулярной массы макромолекул).

     Рис.1: а) схема вальцевания; б)каландрования 

     После чего помещаем наш полимер в экструдер.

     Экструзия представляет собой непрерывный  технологический процесс, заключающийся  в продавливании материала, обладающего  высокой вязкостью в жидком состоянии, через формующий инструмент (экструзионную головку, фильеру), с целью получения изделия с поперечным сечением нужной формы.

     Сначала происходит загрузка сырья в бункер. Следующим этапом экструзии полимеров  является поступление сырья в  зону питания, где оно уплотняется  и сжимается. Это происходит благодаря  нагреванию материала (способствует трение и нагреватели). Следующей является зона пластикации и плавления  полимеров. Образованная путем уплотнения в предыдущей зоне пробка начинает плавиться, что способствует активному перемешиванию полимеров и иных композиционных материалов. 

     В таком состоянии расплавленная  полимерная масса попадает в следующую  зону, где происходит процесс дозирования  материала. Дальнейшая экструзия полимеров  также происходит под воздействием тепла. Происходит гомогенизация расплава, которая способствует плавлению  оставшихся твердых частиц, и приведение материала к средней степени  вязкости. Затем полученная расплавленная  полимерная масса выдавливается  через ряд чистящих сеток и  головку экструдера в соответствующую  форму. 

3 способ: каландрование 

     Перед формованием для того чтобы смешать  оба компонента и придать им равномерную  массу помещаем наш полимер на вальцы. Там проворачиваем весь процесс  вальцевания. Затем с питательных  вальцов полимерная  композиция непрерывно поступает на каландр. В  отличие от вальцевания при каландровании  материал проходит через зазор между  парой валков только один раз. Для  получения листа заданной толщины  и с гладкой поверхностью каландр  делают многовалковым  (рис 1.б),  что  позволяет последовательно пропускать материал через два или три  зазора разного размера. В процессе каландрования полимерных материалов в зазоре между валками подвергается интенсивной деформации сдвига, в  нем в направлении движения развиваются  значительные эластические деформации, которые фиксируются в изделии  последовательным охлаждением.  

    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;

· магнитные затворы в бытовых холодильниках;

· 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.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                         Источники

www.polgroup.ru

www.valtar.ru

www.ntpo.com 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

министерство образования

российской федерации 

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального  образования 

Санкт-Петербургский  Государственный Технологический

Институт (Технический  Университет)

Кафедра теоретических  основ химического машиностроения