Отчет об измельчении и смешивании фторопласта Ф-4 на роторно-вихревой мельнице Автор текста: Краснов Александр Анатольевич,Заместитель директора НТИ по научной работе и маркетингу, к.физ.-мат.н. e-mail: krasnov@ntds.ru, 8 (962) 726-49-20 Первые исследования измельчения, смешивания и получения композитов на основе первичных и вторичных фторопластов с разными наполнителями на роторно-вихревых мельницах были проведены в 2001 году. В частности, были исследованы композиции на основе первичного суспензионного ПТФЭ Ф-4 следующего состава: Ф4К15М15 (80% Ф-4 + 15% кокса + 5% МоS2) Ф4К15УВ5 (80% Ф-4 + 15% кокса + 5% углеродных волокон) Ф4Бр60М3 (37% Ф-4 + 60% Бронзы + 3% МоS2) Композиции были приготовлены методом сухого смешения в центробежном смесителе с частотой вращения мешалки 2800 мин-1 и затем измельчены в роторно-вихревых мельницах в двух динамических режимах. Из данных смесей были изготовлены пластины 100х130х2мм, из них вырублены образцы для определения прочности при растяжении и относительного удлинения при разрыве. В табл.1 представлены результаты испытаний, которые проводились на универсальной разрывной машине Zwick, ФРГ, модель 1362, имеющейся в НПО «Пластполимер», Санкт-Петербург. Авторы благодарны А.К.Пугачёву и В.В.Щербаку, ОАО «Пластполимер» (СПб), совместно с которыми эта работа была выполнена, и которые любезно предоставили полученные результаты. Таблица1 Свойства композиций на основе Ф4 при различном способе помола и смешения Композиция Ф4К15М15 Ф4К15УВ5 1 Способ обработки Прочность при растяжении, МПа Относительное удлинение при разрыве, % Традиционный 14,1 12,0-15,5 186 62-248 Роторно-вихревая мельница, I режим 18,8 18,3-19,3 354 352-360 Роторно-вихревая мельница, II режим 17,7 16,5-19,0 350 284-412 Традиционный 12,9 11,5-15,1 19 16-28 Композиция Ф4Бр60М3 Способ обработки Прочность при растяжении, МПа Относительное удлинение при разрыве, % Роторно-вихревая мельница, I режим 15,6 14,9-16,6 54 20-96 Роторно-вихревая мельница, II режим 15,6 14,9-16,2 200 120-260 Традиционный 8,3 7,8-8,8 41 16-64 Роторно-вихревая мельница, I режим 10,4 8,8-12,4 14 12-20 Роторно-вихревая мельница, II режим 14,2 13,3-15,2 12 8-20 Примечание: подчёркнуто среднее значение параметра, рядом через черту дано минимальное и максимальное значения параметра, полученные в пяти опытах. Также на роторно-вихревых мельницах был обеспечен совместный помол и смешение порошков суспензионного ПТФЭ марки Ф-4 и углеродных нанотрубок. Рис.1 иллюстрирует хорошее перемешивание и внедрение трубок в частицы полимера. 2 Рис.1. Смесь ПТФЭ марки Ф-4 и углеродных нанотрубок. Повышение эластичности и прочности фторопластовых композиций, достигнутое только за счёт применения роторно-вихревых мельниц, вызвало интерес ООО «Экспресс-Эко» (г. Обнинск). Поэтому в 2004 г., совместно с ООО «Экспресс-Эко» были поставлены опыты по повышению эксплуатационных характеристик пористых плёнок при увеличении дисперсности порошков суспензионного ПТФЭ марки Ф-4 и введении наполнителей – дисперсионного ПТФЭ Ф-4Д марки «Ш» и модифицированного ПТФЭ Ф-4 марки «МН». По техническому заданию ООО «Экспресс-Эко» был выполнен цикл работ по измельчению порошков ПТФЭ разных марок и последующему их смешению с другими порошковыми материалами, такими как активированный уголь и диатомит. Некоторые характерные кривые гранулометрического состава до и после роторно-вихревого помола представлены на рис.2 и рис.3. 3 Рис.2. Гранулометрический состав исходного порошка Ф -4 марки ПН-20 и его же после раздельного и совместного измельчения в смеси с порошком Ф-4 марки «МН» 4 Рис.3. Гранулометрический состав исходного порошка Ф -4 марки ПН-20 и его же после раздельного и совместного измельчения с порошком рыхлого диатомита (кизельгура) Важное достоинство сухого роторно-вихревого способа измельчения, заключается в том, что измельчать можно не только фторопласт-4 (полученный суспензионной полимеризацией), но и другие марки порошков ПТФЭ, а именно: 1. фторопласт-4М (фторопласт Ф-4, модифицированный сополимером гексафторпропилена); 2. фторопласт-4Д (дисперсионный фторопласт, полученный эмульсионной полимеризацией); 3. фторопласт-4ДМ (то же, что и предыдущий фторопласт, но модифицированный сополимером перфторэфира). На просьбы ООО «Экспресс-Эко» к руководству Кирово-Чепецкого ХК и завода «Галоген» измельчить фторопласт-4Д и фторопласт-4ДМ был получен отказ, потому что технические возможности струйных мельниц, которые использует химкомбинат для измельчения фторопласта, не позволяют этого сделать. Данные порошки очень комкуемы и способны образовывать довольно крупные слипшиеся агломераты. 5 Изменения, происходящие с гранулированными порошками Ф-4Д и Ф-4ДМ при измельчении в собственном диспергаторе ООО «Экспресс-Эко» в среде изопропилового спирта и при сухом измельчении в роторно-вихревой мельнице, иллюстрируют рис.4 – рис.6. Исходный порошок представляет собой агломераты, имеющие размеры около 500-700 мкм, после измельчения порошок становится волокнистым. Рис.4. Фотографии исходного порошка фторопласта Ф -4Д 6 Рис.5. Фотография, иллюстрирующая морфологию порошка Ф 4Д после его диспергации в среде изопропилового спирта в собственном диспергаторе ООО «Экспресс-Эко» 7 Рис.6. Фотография порошка Ф-4Д после его измельчения в роторно-вихревой ударной мельнице. Результаты экспериментов показали высокое качество предварительного измельчения полимерных компонентов для эксплуатационными свойствами. Столь тонкий смешения и целесообразность получения плёнок с высокими помол фторопласта не удаётся обеспечить ни на струйных мельницах, ни на другом измельчительном оборудовании вследствие высокой пластичности фторопласта. Фильтровальные свойства пористых плёнок улучшаются при введении активного угля БАУА и порошка «Кизельгур Шенк CBR 3». Авторы выражают благодарность заместителю директора ООО «Экспресс-Эко», Обнинск, Российская федерация, Е.Ю.Астахову за плодотворное сотрудничество и предоставленные материалы. Представленные материалы не отражают всех результатов работ, связанных с оптимизацией технологий измельчения и смешения компонентов композиций на основе фторорганических соединений, а также с переработкой отходов фторопласта и композитов на его основе, выполненных с применением роторно-вихревых мельниц. 8 Выводы 1) Роторно-вихревые мельницы (РВМ) позволяют измельчать все известные модификации фторорганических соединений с получением порошков, номинальная крупность которых по уровню 90 - 97 % лежит в интервале от 1 до 20 мкм в зависимости от поставленной задачи, требуемой производительности и свойств исходного порошка. 2) РВМ позволяют также смешивать композиты с получением импрегнированных друг в друга частиц. Требования к скорстям смешивания (100, 200 или 300 м\сек) является вопросом, на который надо отвечать путем эксперимента. Очевидно, что большая скорость смешивания позволяет параллельно смешиванию еще и доизмельчяить продукт и частично внедрить один компонент смешивания в другой, получая при этом реальный композит, а не простое перемешивание двух порошков. 3) Производительность разработанной линейки мельниц лежит ориентировочно в интервале от 0,1 до 100 кг/час. (для фторопласта, для процессов измельчения). 4) Удельные затраты энергии на помол составляют порядка 1 – 10 кВт*час/кг в зависимости от сложности задачи. 5) Разработаны эффективные решения футеровки узлов мельницы при работе с абразивными наполнителями. Это важно, если приходится измельчать вторичные фторопластовые композиции, наполненные шунгитом, коксом и т.п. 6) При необходимости в согласованные сроки возможна отработка режимов дополнительной узкой классификация полученных порошков (как первичных, так и вторичных) по любой границе крупности в интервале 0,1 – 20 мкм (например, 0,1 – 1, 1 – 3, 3 – 5 мкм и т.п.). 7) Существует возможность изготовления специальных герметичных камер измельчения со специальными режимами охлаждения, нагрева или подачи контролируемой газовой среды. 9