Способ подбора и приготовления состава композиционного материала

И К ПАТЕН юЧ+Ч иси св и в последокаждого со -Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(76) Голубев Александр Иванович(54) СПОСОБ ПОДБОРА И ПРИГОТОВЛЕСОСТАВА КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕ(57) Использование: испытание и опресвойств материалов в технологии огнеупоролий теплотехнического назначения, строителакокрасочных материалов, технической кметаллических и полимерных композиционтериалов, Сущность изобретения: проводяпометрический анализ. Используют фракцимерами зерен д, б б, удовлетворяющим1 2 п РИАЛА деление в,издельных и ерамики, ных мат грану- и с рази усло -(19) КУ (11) 2003105 С 11,51) 5 601 т(ЗЗ 38 вию б дб и 1 д /дб /д2 и 21 и птют пустотность фракций. Рассчитывакоэффициенты раздвижки зерен зфракций, рассчитывают произведенкоэффициентов раздвижки зеренфракций. Рассчитывают коэффициензерен прослойкой связующего вещескомпонентов для приготовления состгируют фракцию Ч с размерами зереищем веществе объемом Ч . Дисперссвпользуют для совмещения с фракциямвательности Ч,Ч Ч,Ч, Послеии2 1вмещения компоненты смешивают,О. Определяют объемные ернами всех ие объемных зернами всех ты раздвижки тва и расход ава. Дисперн б в связую 2003105Изобретение относится к испытанию и определению свойств материалов и может быть использовано в технологии огнеупоров, изделий теплотехнического назначения, строительных и лакокрасочных материалов, технической керамики, металлических и полимерных композиционных материалов и в других производствах, где с использованием сыпучих сырьевых компонентов решаются проблемы регулирования комплекса физико-механических свойств материалов посредством оптимизации из состава и структуры.В материаловедении проблемы регулирования физико-механических свойств получаемых материалов решаются изменением состава и структуры многокомпонентных систем, этим вопросам уделяется внимание во многих отраслях промышленности, но до настоящего времени универсальные методы решения указанных проблем в патентной и технической литературе не описаны,Метод подбора составов многокомпонентных систем эмпирическим путем не обеспечивает формирование упорядоченной структуры материала без учета физических закономерностей уплотнения и формирования структуры материала на стадии приготовления состава наполненных систем.Известен способ повышения плотности упаковки систем, состоящих из ряда фракций порошков.Однако известный способ не учитывает точного соотношения размеров зерен фракций, используемых для приготовления многокомпонентных составов, основан на использовании метода подбора состава эмпирическим путем, поэтому является трудоемким и осуществляется .в течение длительного времени. Кроме того, не являясь научно обоснованным, не обеспечивает достижение требуемой точности определения расхода каждого компонента и формирование упорядоченной структуры материала на стадии приготовления смеси, что не обеспечивает получение материала со стабильным комплексом физико-механических свойств,Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому 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 (бз/б 1), определение числа фракций по графику. расчет среднего размера частиц,определение обьемной доли пустот в мелкозернистых фракциях, расчет объема частицкаждой фракции, их общего обьема и объемной доли каждой фракции, расчет для смесифракций максимальной объемной доли частиц и объемной доли пустот, определениемассы частиц каждой фракции и расчет массовой доли каждой фракции.Известный способ расчета и приготов 10 ления смеси наполнителя композиционныхматериалов является многооперационным,недостаточно точным, так как не учитываетявлений раздвижки зерен, требует проведения большого числа испытаний сырьевых15 материалов для получения исходных физических показателей,.не определяет порядоки последовательность совмещения компонентов в процессе приготовления композиции,20 Данное изобретение обеспечивает снижение трудозатрат и времени на проведе;ние испытаний сырьевых компонентов,точное определение расхода каждого компонента для приготовления 1 м наполнен 25 ной композиции, получение составакомпозиции с упорядоченной скелетнойзерновой структурой, обеспечивающей максимальное уплотнение системы при конкретном наборе числа фракций иЗ 0 соотношений размеров зерен.Указанный технический результат достигается тем, что в способе приготовлениясостава композиционного материала, включающем проведение гранулометрическогоЗ 5 анализа, определение пустотности фракций, расчет. объемных коэффициентов раздвижки зерен зернами и зерен связующимвеществом по данным гранулометрическогоанализа, расчет расхода компонентов для40 приготовления 1 м состава и их смешение, используют фракции с размерами зерен б 1, бг,бп, удовлетворяющими условиюб 1 бг".бпи 1 -О,опреб 2 бпб 1 бп 45 деляют коэффициенты раздвижки зерензернами по формулам:б 1+ бгзб 150 д 2 =( - )б 2+бз 3б 2 бд+ бпЗбл определяют произведение коэффициентов раздвижки зерен зернами всех последующих фракций по формуле:Х 1= а 1 аг", ап Х 2 = а 2аз%ъХ,- = ап определяют коэффициенты раздвижки зерен прослойкой связующего вещества по формулам;(бп + 1 п)Збпопределяют расход компонентов для приготовления состава по формулам в последовательности;З,р,Ч 2 =(Чп 1+Х 1У 1 - 1)(Х 1У 1)(Х 2У 2)МЧЗ М 1(Чп 2+ Х 2У 2 - 1)(Х 2 У 2) хх(Хз Уз);Ч 4 = М 1М 2(Чпз+ ХЗУЗ 1)(ХЗХхУз)(Х 4У 4)Чп= М 1М 2"Мп-Зппп - 2+ ХпХ ХУп1)(Хп Уп)(Хп Уп)Чп = М 1М 2Мп (Чпп+ ХпХ ХУп1) (Хп Уп)УпЧсв = М 1М 2Мп (Чпп+ Уп - 1)Уп где 1 - объем состава композиционного материала, мз;Ч 1 Ч 2" Чп Чсв НаСЫПНОй ОбЪЕМ фРаК- ций с размерами зерен соответственно б 1, б 2 бп, объем связующего вещества, м;3,Чп 1, Чп 2Чпп - пустотность фракций с размерами зерен соответственно б 1, б 2 , бп, безразмерные величины;Х 1, Х 2Хп- произведение коэффициентов раздвижки зерен соответственно размерами б 1, б 2 бп- - зернами размерами б 2, бзбп, безразмерные величины,У 1, У 2. Уп - коэффициенты раздвижки зеРен РазмеРами соответственно б 1, б 2 , бп прослойкой связующего вещества толщиНай СООтВЕтСтВЕННО Ь 1, П 2и. бЕЗРаЗМЕР- ные величины,диспергируют фракцию Чп с размерами зерен бп в связующем веществе объемом Чсв, дисперсию Ч, + Чсв используют для совмещения с фракциями в последовательности Чп., Ч 2, Ч 1, сопровождая каждое совмещение операцией смешения.Пределы применимости объемных коэффициентов раздвижки зерен зернами определяются выражением .б 2 бп б 21 - ) ) О,при - =0;б " б - б- =О а - (бп б 1+б 2 =0 3 3)=1=1,бпб 1 Эта ОЗНаЧаЕт, ЧтО ПрИ б 2 = О, бп = 0 - раэдВИжка зерен большего размера зернами меньшего размера отсутствует.б 2 бп б 1+ б 2 ЗПри - =1, - =1 а=( ) =б 1 бп 1 б 12 з з= ( - ) = 2 = 8 - имеет место максимальная1раздвижка зерен,б 2 бп1 О При -) 1 б 2 б,бпбп-б " бп-нарушается условие бб 2.бпбпПределы применимости коэффициентов раздвижки зерен прослойкой связующего вещества У от 1 до ов, при У = 1отсутствует раздвижка, зерна контактируютмежду собой; при больших значениях У(У -ф сс) - содержание зерен (частиц) в системе стремится к нулю, предельное состояниесистемы - связующее вещество без наполнителя или заполнителя,Отличие предложенного техническогорешения от прототипа выражается приведенной совокупностью признаков и операций,Исследование известных в науке и технике решений показало, что приготовлениесостава композиционного материала попредлагаемому способу не было обнаружено,Это свидетельствует о том, что предлагаемое решение соответствует критерию"изобретательский уровень".Сущность предлагаемого способа иллюстрируется следующими примерами.П р и м е р 1, Из полидисперсной смесифракционированием выделены стеклянныесферы с диаметрамиб 1= 203 мм, б 2= 12,7 мм, бз= 0,8 мм,б 4 = 50,4 мм, б 5 = 3,17 мкм и бб = 0,2 мкм.40 На основе сферофракций с указаннымидиаметрами сфер можно приготовить составы композиционных материалов с любымсвязующим веществом и при любом сочетании сФерофракций, если будет соблюдено45 условие б 1 б 2.б 1 дп и1 б 2)бз)бп) бп )Об б 2 бп 2 бп 1Приготовление состава композиционного материала на основе бинарной смеси50 сферофракций и полиэфирной смолы ПН.Исходные компоненты для приготовления состава: сферофракция б= 203 мм,сферофракция б 2 = 12,7, смола ПН.Определяют коэффициент раздвижкисфер б 1 = 203 мм сферами б 2 = 12,7 мм 203 + 12 7 з г 203 + 12 7)з 203203- 1) 1,015 .3 5 Определяют коэффициенты раздвижки сфер б 1 = 203 мм и б 2 = 12,7 мм прослойкой смолы ПНпо формуле: (О 1.2 + )Зб 1,2 принимают Ь = 0,01 б 1 и Ьг = 0,01 бг; У 1= (- - ) =1,030;203+ 2,03 3 ( . ( в ),). 12,7+ 0,127 31Пустотность сферофракций равна - 0,400,Определяют расход компонентов для приготовления 1 м наполненной композиции по формулам; 15Ч 1 Ч 203= 1 мз, (Х 1, У 1) 1 1 мз,(1 200 х 1,030) 1 = 0,809 м, Ч 2 = Ч 12,7 = (Чп 1 + Х 1У 1 - 1)(Х 1У 1)У 2М 1 = (0,4+ 1,200 1,030 - 1) (1,200 1,020) х 20 х 1,030 1 = (0,4+ 1,236 - 1) (1,236) 1,030 = 0,6361,236 1,031- 0.515 1,0301 = =0,500 м .Чсв=(Чпг+У 2 - 1)У 2М 1=0,515 (0,4+ + 1,030 - 1)1,03 1 = 0,515 0,431,030 1 = = 0,215 мз.Чсм = (Ч 1 - Ч 1Чп 1) + (Ч 2 - Ч 2Чпг) + + Чсв = (О 809 - 0,8090,4) + (0,500 - 0,500 х х 0,4) + 0,215 0,485+ 0,300+ 0,215 = 1,000 30 м (расчет произведен правильно),Сферофракцию объемом Чг = 0,500 мз диспергизоуют в смоле ПНобьемом Чсв = =0,215 м; а полученную дисперсию ввоят в сферофракцию объемом Ч 1 = 0,809 м и 35 перемешивают, в результате получают 1 м3 состава композиционного материала, где сферы диаметром бг = 12,7 мм размещаются вокруг сфер диаметром б 1 = 203 мм в один слой, разделенные прослойкой смолы, а 40 другая часть сфер расходуется на заполнение пустот между сферами диаметром б 1 = =203 мм,При толщине прослойки смолы 0,005 б 1,и 0,005 б 2 расход этих же компонентов 45 составит:(расчет произведен правильно).Приготовление состава композиционного материала. производится в последовательности, изложенной в предыдущемпримере,П р и м е р 2, Для приготовления составакомпозиционного материала используютсферофракции с диаметрами сфер б 1 = 12,7мм и бг = 0,8 мм и ту же смолу ПН,Определяют объемный коэффициентраздвижки сфер диаметром 12,7 мм сферами диаметром 0,8 мм по формуле:7 ) =1,201 Х 1=1,201.12,7 + 0,8 31Определяют коэффициенты раздвижкисфер. диаметром 12,7 и 0,8 мм прослойкойсмолы ПНпо формуле:/Определяют расход компонентов для приготовления 1 м наполненной композиции по формулам:Ч 1=Ч 12,7-1 м (Х 1У 1) = 1 мз(1,201 х х 1,027) = 0,811 мз;Ч 2 = Ч 0,8 = (Чп 1 + Х 1 " У 1 - 1)(Х 1У 1)У 2М 1= (0,4+ 1,201 1,0,27 - 1) (1,201 1,027) х х 1,021 =0,6331,2331,021 =0,503 мз;Чсв = М 1 (Чпг+ У 2 1)У 2 = 0,513 х х 0,421 1,021 0,216 1,021 = 0,212 мз.Чсм =(0,811-ОЯ 110,4)+(0,503 - 0,503 х х 0,4) + 0,212 = 0,486+ 0,302 + 0,212 = 1,000 мз (расчет произведен правильно).Приготовление состава композиционного материала производится в последовательности, описанной в примере 1.П р и м е р 3, Для приготовления состава композиционного материала используют сферофракции с диаметрами сфер б 1 = 12,7 мм и б 2 = 50,4 мкм и ту же смолу ПН,б 1 б 2, 12,7 мм50,4 мкм, 1О.50,4 12,7Определяют объемный коэффициент раздвижки сфер диаметром 12,7 мм сферами диаметром 50,4 мкм по формуле:,7 + б 0,0504)312,71,012Определяют коэф сфер диаметром 12,7 кой смолы ПНпо фо 012- хе - ) ,п 5.005 0,8 зод компонентов для остава композиционрмулам:Х 1У 1) = 1 м (1,214 х Определяют расх приготовления 1 м с кого материала по фоЧ 1 - Ч 2 оз - 1 м ( х 1,027) 1 = 0,802 м,(Ц 1,2 + п 1,2)3б 1,2 принимают Ь =0,009б 1 и Ь 2=0,007б 2 -- .) - ,ОИ:12,7 + 0,00912,7 3 У 2=() =10210,0504+ 0,007 0,0504 зОпределяют рзасход компонентов для приготовления 1 м наполненной композиции по формулам; " 10Ч 1=Ч 12,7=1 м (Х 1У 1) =1 м (1,012 х х 1,027) = 0,962 м, Ч 2= Ч 0,0504 (Чп 1+Х 1 У 1 - 1) (Х 1У 1)У 2М 1 = (0,4+ 1,012 11027 - 1) (1,0121,027) 1 х х(1,021) = 0,439 1,039 1,021= 0,423 х х 1,021 = 0,414 и,Чсв = М 1(Чп 2+ У 2-1)У 2 = 0,423(0,4+ + 1,021 - 1) 1,021 = 0,174 мЧсм = (0,962 - 0,962 0,4)+(0,414- 0,414 х х 0,4) + 0,174 = 0;577 + 0,248 + 0,174 = 0,999 и (расчет произведен правильно),Приготовление состава композиционного материала производится в последовательности, описанной в примере 1.П р и и е р 4, Для приготовления состава композиционного материала используют сферы диаметром б 1 = 203 мм, б 2 =. 12,7 мм и бз = 0,8 мм и смолу ПН,Определяют коэффициенты раздвижки сфер диаметром 203 мм сферами диаметром 12,7 и 0,8 мм по формуле: (д 1 + б 2,3)3б 1 35 (203 + 12,7)3 1,200203 (г 03+ 0,8)з =1,01 г,203 Х 1 = 1,2001,012 = 1,214; Х 2 = 1,012, 40 Определяют коэффициенты раздвижки сфер диаметром 203. 12,7 и 0,8 мм прослойкой смолы по формулам: (б 203 + 0,009 б 2 оз)з203 45 -( -- -)( -- ) .л 27, 203+0,009 203 з С 12,7 + 0,007б 12,т)з12,7 (12,7 + 0,007 12,7)з = 1 021 5012,7 У (й,а + 0.005 бо,а 30,8+0,301 + 0,129 + 0,089 = 1,000 м (расчетпроизведен правильно).Приготовление состава композиционного материала производится в последовательности: фракцию объемом Чз = 0,214 мдиспергируют в связующем веществе объемом Чсв = 0,089 м, дисперсию Чз+ Чсв созвмещают с объемом Ч 2 = 0,502 мз,перемешивают, полученную смесь совмещают с объемом Ч 1 = 0,802 м, перемешивают, в результате получают 1 м составакомпозиционного материала с равномерным распределенйем сфер в объеме,П р и м е р 5. Для приготовления составакомпозиционного материала используютсферофракции с диаметрами сфер б 1 = 203мм, б 2=127 мм, бз=08 мм и б 4=504 мкми полиэфирную смолу ПН.Выбранные сферофракции удовлетворяют условию:б 1 б 2 бз б 4 и 1 - ) - ) -О.б 2 бз б 4б 1 б 2 бзОпределяют объемные коэффициентыраздвижки сфер диаметром 203 мм сферамидиаметром 12,7 мм, 0,8 мм и 50,4 мкм поформулеа =(01+ б 234)3б 1203 + 12,7)з 1,200;203() =1012;203+0,8 3203аз (203 + 0,0504)з 1,0007,203Определяют произведение коэффициентов раздвижки сфер б 1 = 203 мм сферамиб 2 = 12,7, дз = 0,8 мм и б 4 = 50,4 мкм:Х 1= а 1 а 2 аз=1,200 1,012 1,0007==1,215.Определяют объемные коэффициентыраэдвижки сфер диаметром 12,7 мм сферами диаметром 0,8 мм и 50,4 мкм по формуле;+ 0,057 = 1,000 м (расчет произведен празвильно).Приготовление состава композиционного материала производится в последова 5 тельности, описанной в примере 4,П р и м е р 6. Для получения композиционного материала используют фракциищебня с размерами зерен б 1 = 40-20 мм,б 2 = 20 - 10 мм, бз = 15 - 10 мм, б 4 = 15 - 5, б 5 =10 =10 - 5 и битум.Пустотность фракций щебня, определенная по ГОСТ 8269-87, в среднем составляет 0,426,Средние размеры зерен каждой фрак 15 ции щебня составляют, б 1 = 30 мм, б 2 = 15мм, бз = 12,5 мм, б 4 = 10 мм, б 5 = 7,5 мм.Определяют обьемные коэффициентыраздвикки зерен б 1= 30 мм зернами остальных фракций по формуле;20 С 11 + б 25)3а=б 1(30 + 12,5)з = 2 842,аз =( ) =2,370,30а 4 =( -) =1,953,30+7,5 330 4+ 0,005 Определяют расход компонентов дляприготовления 1 м состава композиционного материала по формулам в последовательностиЧ 1=Ч 203=1 м (Х 1У 1) =1 м (1,215 хх 1,030) 0,799 м;Н 2 =Ч 12,т = (Чп 1+ Х 1У 1 - 1)(Х 1У 1) хМ 1х(Х 2Уу) = (0.4+ 1,2151,030 - 1)(1,215 хх 1,030) (1,2151,027) = (0,4 + 1,251 -"1)хх 1,251 1,248 = 0,520 1,248 = 0,417 м,Чз =. ЧО,В = М 1(Нпз+ Х 2У 2 1)(Х 2У 2) хМгх(ХзУз) = 0,520 (0,4 + 1,215 1,027 - 1)хх(1,2151,027) (1,2011,021) . =0,520(0,4+"0,057 мз.Чсм =(0,799 - 0,7990,4) + (0,417 - 0,417 хх 0,4) + (0,220 - 0,220 0,4) + (0,136 - 0,136 хх 0,4) + 0,057 = 0,479 + 0,250 + 0,132 + 0,082 + енть тальа 2 (15+ 3,375 6,28.мные коэф ером 12,5 по форму ициенты м зерна - ) =5832, О з) =4096+72,5а 2 = 23,88ют объерен размемм по фор г нт мный коэффйц ром 10. мм зер муле: Хз= а 1Определяздвижки эезмером 7,5 з (10(12,7 + 0,8)з 1 20112,7 г 12,7 + 0,0504)з12,7Определяют произведение коэффициентов раздвижки сфер б 2 = 12,7 мм сферами бзмм и б 4=504 мкм Хг = а 1 аг =1,201 1,012 =1,215, Определяют объемный коэффициент раздвижки сфер диаметром 0,8 мм сферами диаметром 0,0504 мм по формуле: (Оз + б 4)з (0,8 + 0,0504)з 1 201бз 08 Хз = 1,201. Определяют коэффициенты раздвижки сфер диаметром б 1 = 203 мм, бг = 12,7 мм; бз 0,8 мм и б 4=50,4 мкм прослойкой смолы по формуле: - "1д 14 + п 1,4 3, б 14(0,8 + 0,007Уз 0 Х 1 = а 1а 2аза 4 = 44,41,Определяют обьемные коэффираздвижки зерен бг = 15 мм зернами. ных фракций по формуле:Аг +. б 3,4,53,а - 1,бг) =4,630;05 15+7,5 заз =( - =) =15Х 2= а 1 а 2 с 3=9Определяют обье5раздвижки зерен размми остальных фракций2003105 15 Ф ар мула и зоб рете н и я Составитель А.Г Техред М.Морге Редактор А,Зробок Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Заказ 3231 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Наполнители для полимерных композиционных материалов, Справочное пособие СПОСОБ ПОДБОРА И ПРИГОТОВЛЕНИЯ СОСТАВА КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, включающий проведение гранулометрического анализа, определение пустотности фракций, расчет расходакомпонентов для приготовления 1 м састава и их смешение, отличающийся тем, чтоиспользуют фракции с размерами зеренб 1, бг, , бп, удОВЛЕтВОряЮщИМИ УСЛОВИЮб 1 б 2.бпи 1 б 2/б 1" и О,ббп рассчитывают объемные коэффициентыраздвижения зерен зернами всех фракцийпо ФормуламзД 2бп+ бпгде а 1,ига 1 - объемные коэффициенты раздвижки зерен, безразмерные величины;б 1, б 2, " бп - размер зерен, м,рассчитывают произведение обьемных коэффициентов раздвижки зерен зернамивсех фракций по формуламХ 2= а 2 аэип 1.Хп- ап Х 1 Хг,. Хп где б 1- произведение объемных коэффи.циентов раздвижки зерен размерами б 1,зб 2 У 1=; соответственноб 1+ "1зернами размерами б 2, бз, бп, безразмерные величины,рассчитывают коэффициенты раздвижки.зерен прослойкой связующего вещества,по формулам под ред. П,Г.Бабаевского. - М.: Химия, 1981,с,27 - 33,Ч 1- 1 м (Х 1 У )з2 Уп - коэфФициенты раздвижки зерен прослойкой связующего вещества, безразмерные величины;П 1, Пг., )1 п - тОЛЩИНа ПРОСЛОЙКИ СВЯЭУ 15 ющего вещества, м,рассчитывают расход компонентов дляприготовления состава по формулам в последовательностиЧг= (Ч 1+ Х 1 У 1 - 1) хх(Х 1 у 1) 1 (Х 2 у -1Чз= (Чп,+ Х 1 У 1-1) (ХУ,)-"х(Чпг+ Х 2 У 2 - 1)(Х 2 У 2) х35 ( пп+ п - ")Упгде 1 - объем состава композиционного материала, м;Ч 1, Ч 2, Чз,Ч, - насыпные объемыФракций с размерами зерен соответст 40 венно б 1, б 2, бз, .бп, м;Чсв - объем связующего вещества, м;з.Чп Чпг Чп 1 Чп - пустотностьфракций с размерами зерен соответственно б 1,бг бпбп45диспергируют фракцию Чп с размерами зерен бп в связующем веществе объемомЧ, дисперсию Чп+Чиспользуют для совмещения с фракциями в последователь 50 ности Ч 1,Чг,Чг,Ч 1, при этом послекаждого совмещения компоненты смешивают,олубевнтал Корректор М,Куль