способ получения деталей из поликапролактама

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОЛИКАПРОЛАКТАМА путем плавления капролактама, добавления к расплаву металлического натрия в качестве катализатора, добавления при нагревании к смеси форполимера в качестве активатора, контролирования вязкости смеси, заполнения предварительно подогретой формы и полимеризации в ней, отличающийся тем, что процесс проводят в открытой емкости, металлический натрий вводят при перемешивании раствора в вихревом режиме возвратно-вращательного движения элемента перемешивания, форполимер вводят в смесь, растворяя его при перемешивании, а контролирование вязкости раствора смеси осуществляют до достижения соотношения первоначальной скорости течения раствора смеси к конечной скорости течения раствора смеси до значения 1 2.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при изготовлении деталей из наполненного поликапролактама после достижения вязкости раствора смеси, равной указанному соотношению 1 1,5, в раствор вводят наполнитель.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения деталей из поликапролактама и композита на его основе. Оно может быть использовано в химической промышленности, в строительной промышленности, в частности, при изготовлении полов в животноводческих помещениях.

Известен способ получения поликапролактама путем щелочной полимеризации - капролактама в присутствии ацетиллактамов. В емкость, имеющую мешалку, обратный холодильник и ввод для азота, помещают -капролактам и поднимают температуру до 90^оС. К расплавленному -капролактаму добавляют металлический натрий в токе азота и после выделения водорода температуру реакционной смеси поднимают до 145^оС. Добавляют N,N^I,N^II-тримезинолтеркапролактам, перемешивают в течение 4 мин и заливают в форму, нагретую до 140^оС. Полимеризацию проводят в блоке, поднимая температуру до 180^оС в течение 30 мин, выдерживают 60 мин при этой температуре (1).

Полимеризация проводится в токе азота, очищенного от влаги. Процесс кристаллизации проводят при 150-200^оС.

Недостатками способами являются: необходимость проведения процесса приготовления смесей и полимеризации в токе азота, что усложняет и удорожает технологию производства изделий; необходимость специального оборудования для поддержания режима получения поликапролактама, сложность и неуправляемость процесса получения композита на основе поликапролактама в связи с трудностью фиксирования момента начала увеличения вязкости смеси, который регулирует скорость полимеризации смеси и ответственен за воспроизводимость результатов.

Известен способ получения капролактама анодной полимеризацией.

Способ заключается в том, что капролактам загружают в плавитель и после расплавления при 100-110^оС в течение 30 мин, передавливают через фильтр, расположенный на днище плавителя в осушитель. Сушка производится посредством вакуума или барботером инертного газа 20 мин. Расплав капролактама подается в два смесителя. В первом прибавляется инициатор металлический натрий, во втором активатор форполимер (2).

Смеси расплава капролактама с инициатором готовят 30-40 мин, подают в горячую форму (150-180^оС), изготовленную из кислотоупорной стали или алюминия. Полимеризация проводится в термошкафу при 160-180^оС в течение 1 ч.

Недостатками способа являются условия приготовления смеси компонентов в инертной среде (азот, аргон), что создает трудности при массовом изготовлении, производстве нестандартных изделий, удорожает процесс получения поликапролактама и композита на его основе, требует специальных емкостей для приготовления смесей, усложняет фиксацию момента начала увеличения вязкости смеси.

Известен также являющийся наиболее близким к изобретению способ получения деталей из поликапролактама путем плавления капролактама, добавления к расплаву металлического натрия в качестве катализатора, добавления при нагревании к смеси форполимера в качестве активатора, контролирования вязкости смеси, заполнения предварительно подогретой формы и полимеризации в ней (3).

В данном способе приготовления смесей идет раздельно, вначале готовят две смеси, (расплав капролактама с металлическим натрием (катализатором) и капролактам с сокатализатором (толуилендиизоцианатом). Затем через раздельные трубопроводы смеси подают в литниковый клапан формы, перемешивают до гомогенного состояния при 130^оС и заполняют нагретую форму и производят формование по достижению смесью 100-300 Пас.

Целью изобретения является упрощение способа получения деталей из поликапролактама.

Достигается поставленная цель тем, что процесс проводят в открытой емкости, металлический натрий добавляют при перемешивании раствора в вихревом режиме возвратно-вращательного движения элемента перемешивания, форполимер вводят в смесь, растворяя его при перемешивании, а контролирование вязкости смеси осуществляют до достижения соотношения первоначальной скорости течения раствора смеси (U_o) к конечной скорости течения раствора смеси (U_k) до значения U_o/U_k 1:2, а также тем, что при изготовлении детали из наполненного поликапролактама после достижения вязкости раствора смеси, равного соотношению U_o/U_k 1:15 в раствор вводят наполнитель.

Способ осуществляется следующим образом.

Капролактам в виде гранул белого цвета помещают в открытую емкость заданного объема, которую помещают в сушильный шкаф и выдерживают при 130-140^оС до расплавления капролактама. Вынимают из шкафа емкость с расплавом на подложку из асбеста, и, очистив металлический натрий от окисного слоя, добавляют его порциями в расплав капролактама при непрерывном возвратно-поступательном движении перемешивающего элемента. Реализуется вращение путем применения ручного или автоматического перемешивания смеси элементом перемешивания, представляющим собой стержень из фторопласта-4 без лопастей или с лопастями, обеспечивающим вихревой режим, вращение в одном, затем в другом направлении, т. е. возвратно-вращательное движение. Цель такого перемешивания обеспечить гарантию непожароопасного растворения металлического натрия в капролактаме без применения инертной среды и высушивания компонентов смеси.

Перемешивание в вихревом режиме со сменой направления вращения предполагает необязательность соблюдения равенства радиуса и скорости вращения перемешивающего элемента при смене направления вращения.

После растворения металлического натрия добавляют форполимер при подогреве до 150-200^оС, перемешивая смесь, растворяют форполимер и периодически контролируют скорость стекания с перемешивающего элемента полученного раствора, если перемешивание осуществляют вручную. Если перемешивание осуществляют автоматической мешалкой, контроль осуществляют путем периодического погружения в раствор стеклянного или фторопластового стержня и его подъема, фиксируя частоту отрыва капель жидкости с торца стержня в секундах. Перемешивание раствора заканчивается тогда, когда скорость течения жидкости уменьшится в 1,5-2 раза, т.е. U_o/U_k 1-1, 5-2, где U_o начальная скорость отрыва капель с торца стержня; U_k скорость отрыва капель в конечный момент проверки вязкости. При достижении вязкости в 1,5-2 раза, превышающей начальную, наступает момент заполнения формы. Форму до заполнения раствором нагревают до температуры полимеризации. При температуре 150-200^оС проводится полимеризация. Форма может быть закрытой или открытой в зависимости от источника обогрева формы. При использовании закрытого источника обогрева формы (типа сушильного шкафа, термостата и т.д.) форму используют открытой, т.к. скорость полимеризации 10-15 мин.

При открытом источнике обогрева формы, когда температура поддерживается преимущественно снизу (плитка, обогреватель и др.) форму применяют закрытой, т. е. содержащей крышку. При получении ненаполненного поликапролактама U_o/U_k 1-2, т.к. такое соотношение гарантирует ускорение процесса с 1 ч (в прототипе) до 10-15 мин, т.е. в 4-6 раз, безоокисную поверхность изделия, воспроизводимость процесса.

При получении наполненного поликапролактама (композита, содержащего частицы наполнителя и поликапролактам в качестве основы U_o/U_k 1-1,5. В случае получения ненаполненного поликапролактама при U_o/U_k 1-1,5 и наполненного U_o/U_k 1-1 способ не позволяет гарантировать воспроизведение процесса полимеризации, увеличивается время полимеризации в 4-6 раз.

В случае получения ненаполненного поликапролактама при U_o/U_k 1-2,5 и наполненного при U_o/U_k 1-2 затруднен процесс формирования в связи с большой вязкостью раствора, ограниченным временем перемешивания наполнителя с раствором с последующим ускорением нарастания вязкости.

Примеры выполнения способа.

В плавитель (сушильный шкаф) помещают 1 кг капролактама (ГОСТ 7950-74) и при температуре 140^оС расплавляют его 20 мин. Металлический натрий (ГОСТ 32-73-75) очищают от окисной пленки и берут порцию из расчета 2,3 г на 1 кг капролактама. Натрий вводят в раствор -капролактама порциями, т.к. являясь сильным восстановителем, он окисляется на воздухе, в присутствии воды с выделением большого количества тепла воспламеняется. Поскольку процесс растворения осуществляется в открытой емкости, то после введения натрия в раствор капролактама проводят непрерывное перемешивание в вихревом возвратно-поступательном режиме элемента перемешивания (скорость вращения 10 об/с). Натрий непрерывно омывается раствором капролактама, что предотвращает возгорание раствора. Непрерывное перемешивание попутно способствует увеличению скорости растворения натрия (20 мин). К полученному раствору добавляют навеску форполимера (ТУ 03-331-72 СКУ ПФЛ) из расчета 7-10% форполимера от массы капролактама (7% форполимера для получения наполненного поликапролактама и 10% для ненаполненного, т.к. с увеличением содержания форполимера увеличивается скорость) нарастания вязкости. Растворяют в течение 10 мин форполимер при 180^оС, при этом контролируют вязкость полученного раствора. При растворении форполимера перемешивание ведется в режиме вращательного движения с произвольной скоростью вращения элемента перемешивания.

Контроль вязкости раствора проводят путем периодического (через 1, 2, 3, 4 и т. д. мин), фиксирования скорости стекания капель раствора стержня с гладкой поверхностью (фторопласт, стекло) в течение 5 мин. Опускают стержень в раствор, поднимают и считают количество 5 мин. Опускают стержень в раствор, поднимают и считают количество капель, стекающих с него за несколько секунд (U_o 6 капель/с). Периодически повторяют эту операцию до тех пор, пока скорость стекания капель раствора не уменьшится в 1,5-2 раза по сравнению с первоначальной, т. е. U_k 3-4 капли/с. ( 5 мин для ненаполненного раствора 10 мин для наполненного). После этого раствор переливают в открытую форму, нагретую до температуры полимеризации (180^оС). Форму помещают в сушильный шкаф, полимеризуют в течение 10 мин (ненаполненная система) и 15 мин наполненная система (см. таблицу). Эксперимент показал, что наиболее удобной формой для полимеризации является форма из жаростойкого стекла, т.к. стекло нейтральный материал и не реагирует с компонентами раствора. После полимеризации продукт легко извлекается из формы, не требуется антиадгезивная смазка поверхности формы, потому, что к стеклу.

В таблице представлены сравнительные данные с прототипом, подтверждающие достижение цели упрощение способа. Из таблицы видно, что для получения поликапролактама требуется в три раза меньшее время, процесс полимеризации ускоряется в 4-6 раз, количество операций, т.е. технологичность способа улучшается в 2 раза, упрощаются условия, среда перемешивания компонентов раствора.

Способ позволяет пользоваться однокамерной системой, т.е. использовать одну емкость при добавлении к мономеру (капролактаму) инициатора и активатора.

Способ упрощает и удешевляет технологию изготовления как емкости, в которой готовят раствор, так и формы для получения продукта полимеризации поликапролактама. Способ гарантирует воспроизведение полимеризации, так как контролируется момент формования уровнем вязкости, при достижении которого спонтанно завершается полимеризация как наполненной, так и ненаполненной системы.

Способ позволяет за счет ускорения процесса полимеризации впервые получить в открытой форме безокисную поверхность полимера. Появилась возможность контроля состояния раствора, применение открытых форм дало возможность обеспечить равнотолщинность изделий, и изготовление как толстостенных, так и тонкостенных изделий и изделий сложной конструкции.