Магнитные наполнители

Создает магнитные свойства композициям (магнитопластам, магнитоэластам). В качестве магнитных наполнителей для постоянных магнитов применяют ферриты бария и стронция, сплавы редкоземельных элементов. Перерабатываются без наложения и с наложением магнитного поля. Значительно повышает износ пресс-формы и литьевой машины.

Получение и применение полимерных магнитов.

Полимерные магниты появились в пятидесятых годах и, несмотря на очевидные преимущества, имели ограниченное применение, так их магнитные свойства были невысоки. Получают такие магниты, называемые также магнитопластами или, в зависимости от типа полимерного связующего, магнитоэластами, из композиционных материалов, содержащих магнитный наполнитель (магнитный порошок) и полимерное связующее. Низкие магнитные свойства полимерных магнитов первого поколения были связаны с тем, что магнитный наполнитель, используемый для их получения, требовал дополнительной высокотемпературной обработки изделий, (так называемой «вторичной ферритизации»). Невозможность такой операции для магнитов на полимерном связующем существенно снижали их магнитные характеристики.

Появление второго поколения полимерных магнитов связано с разработкой технологии получения магнитных наполнителей, высокотемпературного обжига изделий не требующей. Как следствие, производство магнитопластов и магнитоэластов стало развиваться опережающими темпами.

В отличие от традиционных магнитов, изделия из них легко обрабатываются, обладают высокой ударной прочностью, могут быть гибкими, эластичными. 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.

В соответствии с типом магнитного наполнителя композиционные магнитные полимерные  материалы делятся на магнитотвердые (КМТПМ) и магнитомягкие (КММПМ).

Наполнители для КМТПМ (постоянных магнитов) - 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.

Изделия из магнитомягких материалов используются в  СВЧ приборах, в качестве компонентов электронной техники, для защиты от разного типа излучений, поглотителей и т.п. 

Наибольшее распространение получили полимерные композиционные магнитотвердые материалы  (КМТПМ), к которым, как правило, и применяют термин магнитопласты. Для КМТПМ на эластичном связующем используют также термин магнитоэласты или магнитные резины (наиболее известная область применения последних – магнитные вставки уплотнителей холодильников).

Дальнейший прогресс в производстве полимерных магнитов связан с появлением так называемых анизотропных магнитопластов. (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. Ориентация наполнителя обеспечивается наложением внешнего магнитного поля на композиционный материал, находящийся в вязко-текучем состоянии (магнитное текстурирование). Уровень магнитных свойств анизотропных изделий выше, чем у изотропных в 2-3 раза. 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. Такие изделия невозможно получить иначе, чем на основе  КМТПМ, поэтому повышение магнитных свойств в данном случае особенно актуально.

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 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.

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.

Область применения магнитного материала зависит, прежде всего, от его характеристик: магнитно-твёрдые или магнитно-мягкие.

Ферриты нашли широкое применение в качестве магнитных наполнителей для полимерных композиционных материалов. В том числе магнитно-мягкие  порошки никель-цинковых, марганец-цинковых,  цинковых;   магнитно-твёрдые порошки гексаферрита бария, стронция. Основным  преимуществом  полимерных  магнитов, по  сравнению  с  металлическими  или  керамическими,  является  их лёгкая формуемость, стабильность размеров и низкая стоимость.

Ферриты широко используются в промышленности  бытовых  электроприборов, производстве игрушек, дверных амортизаторов, автоматических дверных переключателей, таймеров.важное  применение магнитные эластомеры нашли в медицине в качестве  магнитотерапевтических средств, а также нетоксичных магнитных элементов при биопротезировании и создании  искуственного  сердца.

В качестве магнитного материала в таких элементах используется феррит бария. Ферромагнитные порошки также нашли применение в дефектоскопии в качестве  обнаружителя магнитного поля дефекта. Магнитная порошковая дефектоскопия  относится к неразрушающим методам контроля качества материалов. Магнитно-твёрдые  ферриты, в частности гексаферрит бария, используются в аппаратах с магнитно-вихревым током. Такие аппараты предназначены для измельчения различных материалов с высокой степенью однофазности, эмульгирования и другого. Также ферриты, полученные как из чистых компонентов так и из отходов производства, могут применяться в качестве адсорбентов для очистки сточных вод.