(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 PL B1

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (2 1) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (19) PL (11) (13) B1 (51) Int.Cl.7 H01F 1/117 H01F 41/02 (54) Elastyczny magnes trwały i sposób jego wytwarzania (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 16/98 (73) Uprawniony z patentu: Uniwersytet Łódzki, Łódź, PL (72) Twórcy wynalazku: Stanisław Bednarek, Łódź, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 08/01 (74) Pełnomocnik: Rózga Błażej, Uniwersytet Łódzki PL B1 (57)1. Elastyczny magnes trwały, stanowiący masę składającą się z ziaren sproszkowanych substancji ferromagnetycznych spojonych ze sobą organicznym nieferromagnetycznym lepiszczem i namagnesowany w zewnętrznym polu magnetycznym, znamienny tym, że składa się z proszku substancji magnetycznie twardych, korzystnie stali kobaltowej lub węglowej o rozmiarach ziaren od 2 do 10 μm i nieferromagnetycznego lepiszcza w postaci elastomeru, korzystnie silikonu lub polichloroprenu, zaś struktura magnesu zawiera mikropory o rozmiarach od 40 μm do 1 mm, przy czym remanencja magnesu wynosi od 10,5 do 35 mt, a współczynnik ściśliwości objętościowej wynosi od 0,12 x 10-5 m3/n do 0,58 x 10-5 m3 /N 2. Sposób wytwarzania elastycznego magnesu trwałego, polegający na zmieszaniu ze sobą ferromagnetycznych ziaren sproszkowanej substancji magnetycznie twardej w nieferromagnetycznym materiale o konsystencji pasty, spolimeryzowaniu jej i poddaniu działania zewnętrznego pola magnetycznego, znamienny tym, że masę składającą się z silikonu lub polichloroprenu rozpuszczonego w acetonie, proszku substancji magnetycznie twardych, korzystnie stali kobaltowej lub węglowej a także wymywalnego chlorku sodu poddaje się polimeryzacji przy jednoczesnym działaniu zewnętrznego pola magnetycznego o indukcji 0,8 T w temperaturze C w czasie godzin, po czym chlorek sodu wymywa się wodą o temperaturze 50 C, przy jednoczesnym ugniataniu spolimeryzowanej masy, do momentu zaniku w eluacie jonów chloru.

2 Elastyczny magnes trwały i sposób jego wytwarzania Zastrzeżenia patentowe 1. Elastyczny magnes trwały, stanowiący masę składającą się z ziaren sproszkowanych substancji ferromagnetycznych spojonych ze sobą organicznym nieferromagnetycznym lepiszczem i namagnesowany w zewnętrznym polu magnetycznym, znamienny tym, że składa się z proszku substancji magnetycznie twardych, korzystnie stali kobaltowej lub węglowej o rozmiarach ziaren od 2 do 10 μm i nieferromagnetycznego lepiszcza w postaci elastomeru, korzystnie silikonu lub polichloroprenu, zaś struktura magnesu zawiera mikropory o rozmiarach od 40 μm do 1 mm, przy czym remanencja magnesu wynosi od 10,5 do 35 mt, a współczynnik ściśliwości objętościowej wynosi od 0,12 x 10-5 m3/n do 0,58 x 10-5 m3 /N 2. Sposób wytwarzania elastycznego magnesu trwałego, polegający na zmieszaniu ze sobą ferromagnetycznych ziaren sproszkowanej substancji magnetycznie twardej w nieferromagnetycznym materiale o konsystencji pasty, spolimeryzowaniu jej i poddaniu działania zewnętrznego pola magnetycznego, znamienny tym, że masę składającą się z silikonu lub polichloroprenu rozpuszczonego w acetonie, proszku substancji magnetycznie twardych, korzystnie stali kobaltowej lub węglowej a także wymywalnego chlorku sodu poddaje się polimeryzacji przy jednoczesnym działaniu zewnętrznego pola magnetycznego o indukcji 0,8 T w temperaturze C w czasie godzin, po czym chlorek sodu wymywa się wodą o temperaturze 50 C, przy jednoczesnym ugniataniu spolimeryzowanej masy, do momentu zaniku w eluacie jonów chloru. 3. Sposób wytwarzania elastycznego magnesu trwałego, polegający na zmieszaniu ze sobą ferromagnetycznych ziaren sproszkowanej substancji magnetycznie twardej w nieferromagnetycznym materiale o konsystencji pasty, spolimeryzowaniu jej i poddaniu działania zewnętrznego pola magnetycznego, znamienny tym, że masę składającą się z silikonu lub polichloroprenu rozpuszczonego w acetonie, proszku substancji magnetycznie twardych, korzystnie stali kobaltowej lub węglowej, mieszaniny poroforowej złożonej z kwaśnego węglanu sodu i kwaśnego fosforanu sodu zmieszanych w ekwiwalentnych ilościach wagowych poddaje się polimeryzacji przy jednoczesnym działaniu zewnętrznego pola magnetycznego o indukcji 0,8 T w temperaturze C w czasie 3-6 godzin. * * * Przedmiotem wynalazku jest elastyczny magnes trwały i sposób jego wytwarzania, jako kompozytowy materiał magnetyczny twardy o właściwościach elektroizolacyjnych mający zastosowanie w technice, np. jako odkształcalne źródło pola magnetycznego lub element roboczy w przetwornikach elektromechanicznych, czujnikach przemieszczania, generatorach drgań itp. Znany jest magnes z patentu polskiego mający postać włókien z tworzywa sztucznego o średnicy do 1 mm, np. polistyrenu o przekroju kołowym i dużej izotropowej giętkości we wszystkich kierunkach prostopadłych do osi włókien zawierających proszek magnetyczny w postaci SmCo5 i namagnesowanych wzdłuż ich osi. Inny magnes znany z patentu niemieckiego ma postać arkuszy z tworzywa sztucznego, np. gumy o grubości około 1 mm, namagnesowanych prostopadle do ich powierzchni w zewnętrznym polu magnetycznym, zawierających proszek drobno zmielonej substancji magnetycznie twardej. Znane są również elastyczne magnesy trwałe z katalogu pt. "Optic and Optical Instruments Catalog 16N7" wydanego przez Industral Optics Division firmy Edmund Scientific z Barinton w USA w 1996 roku, mające postać giętkich taśm lub płytek o grubości 1/16 lub

3 /32 cala wykonanych z ziaren sproszkowanej substancji magnetycznie twardej połączonych gumowym spoiwem. Znany sposób wytwarzania elastycznego magnesu trwałego z patentu polskiego polega na wyciąganiu włókien z mieszaniny materiału syntetycznego, np. polistyrenu rozpuszczonego w toluenie i ziaren proszku magnetycznego w postaci związku SmCo5 po częściowym jej zastygnięciu w zewnętrznym polu magnetycznym, które powoduje uporządkowanie osi magnetyzacji ziaren proszku wzdłuż osi włókien. Także znany sposób wytwarzania elastycznego magnesu trwałego z patentu niemieckiego polega na formowaniu metodą wytłaczania lub walcowania gorącymi walcami, a następnie magnesowaniu w zewnętrznym polu magnetycznym mieszaniny drobnych ziaren proszku substancji magnetycznie twardej i wiążącego je tworzywa sztucznego. Również sposób wytwarzania znanych z cytowanego katalogu 16N7 magnesów polega na wytłaczaniu lub walcowaniu gorącej mieszaniny złożonej z ziaren substancji magnetycznie twardej i gumowego spoiwa. Wszystkie znane z wymienionych w stanie techniki elastyczne magnesy trwałe są ciałami stałymi o strukturze nieporowatej i w związku z tym charakteryzują się niekorzystnie małą podatnością na ściskanie objętościowe, co uniemożliwia ich zastosowanie w niektórych mechanizmach wykonawczych lub przetwornikach elektro mechanicznych, np. głośnikach lub wibratorach. Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, ze elastyczny magnes trwały składa się ze sproszkowanych substancji ferromagnetycznych magnetycznie twardych, korzystnie stali kobaltowej lub węglowej o rozmiarze ziaren od 2 do 10 μm i nieferromagnetycznego lepiszcza w postaci elastomeru, korzystnie polichloroprenu lub silikonu. Struktura magnesu ma mikropory o rozmiarach od 40 (μm do 1 mm, zaś średnia grubość ścianek rozdzielających mikropory wynosi od 70 [μm do 1 mm przy współczynniku ściśliwości objętościowej kv = (0,12-0,58) x 10-5m3/N. Remanecja magnesu po namagnesowaniu w zewnętrznym polu magnetycznym wynosi od 10,5 mt do 35 mt. Sposób wytwarzania elastycznego magnesu trwałego polega na tym, że masę składającą się z silikonu lub polichloroprenu rozpuszczonego w acetonie oraz proszku substancji magnetycznie twardych, korzystnie stali kobaltowej lub węglowej, a także wymywalnego chlorku sodu poddaje się polimeryzacji przy jednoczesnym działaniu zewnętrznego pola magnetycznego o indukcji 0,8 T, w temperaturze C, w czasie godzin. Następnie ze spolimeryzowanej masy, przy jednoczesnym jej ugniataniu, wymywa się chlorek sodu wodą o temperaturze 50 C do momentu zaniku w eluacie jonów chloru. W celu uzyskania struktury mikroporowatej elastycznego magnesu trwałego do masy składającej się z silikonu lub polichloroprenu rozpuszczonego w acetonie i proszku substancji magnetycznie twardych w miejsce chlorku sodu dodaje się mieszaniny poroforowej złożonej z kwaśnego węglanu sodu i kwaśnego fosforanu sodu zmieszanych w ekwiwalentnych ilościach wagowych. Mieszaninę poddaje się polimeryzacji przy jednoczesnym działaniu zewnętrznego pola magnetycznego o indukcji 0,8 T w temperaturze C w czasie 3-6 godzin. Wysoka temperatura powoduje rozkład cząsteczek substancji poroforowej z wytworzeniem gazów, które powodują wytworzenie się porów w spolimeryzowanej masie. Zaletą elastycznego magnesu trwałego według wynalazku jest to, że dzięki mikroporowatej strukturze magnes ma dużą podatność na ściskanie, wyrażającą się współczynnikiem ściśliwości objętościowej kv (0,12-0,58) x 10-5m3/N, wymaganą zwłaszcza w zastosowaniach, w których deformacja magnesu wymuszana jest przez niejednorodne pole magnetyczne, np. w generatorach drgań, czujnikach czy przetwornikach elektromechanicznych. Poza tym ma dużą oporność elektryczną i remanencję, które umożliwiają pracę z małymi stratami energii w zmiennych polach magnetycznych oraz silne oddziaływanie z polami magnetycznymi o małych natężeniach. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w następujących przykładach wykonania. Elastyczny magnes trwały według wynalazku składa się ze sproszkowanych substancji ferromagnetycznych magnetycznie twardych, korzystnie stali kobaltowej lub węglowej o rozmiarze ziaren od 2 do 10 (μm i nieferromagnetycznego lepiszcza w postaci elastomeru, korzystnie

4 polichloroprenu lub silikonu. Struktura magnesu ma mikropory o rozmiarach od 40 (μm do 1 mm, zaś średnia grubość ścianek rozdzielających mikropory wynosi od 70 (μm do 1 mm. Remanecja magnesu po namagnesowaniu w zewnętrznym polu magnetycznym wynosi od 10,5 mt do 35 mt. Magnes jest podatny na odkształcenia, a w szczególności na ściskanie jego współczynnik ściśliwości objętościowej wynosi kv = (0,12-0,58) x 10-5m3/N. Przykład 1 kobaltowej, silikonu oraz chlorku sodu. 100 części wagowych sproszkowanej stali kobaltowej o zawartości 15% kobaltu o rozmiarach ziaren od 2 do 10 μm miesza się prze 15 minut z 21 częściami wagowymi silikonu w postaci prepolimeru o konsystencji pasty i do tej masy dodaje 71 części wagowych sproszkowanego chlorku sodu o rozmiarach ziaren od 40 (μm do 1 mm i miesza z tą masą przez 15 minut. Z otrzymanej masy formuje się warstwę o grubości nie przekraczającej 15 mm i umieszcza ją w zewnętrznym polu magnetycznym o indukcji 0,8 T, skierowanym prostopadle do powierzchni warstwy. Mieszaninę pozostawia się w polu magnetycznym przez okres od 40 do 48 godzin, w temperaturze od 18 do 22 C. W tym czasie zachodzi spolimeryzowanie silikonu i trwałe namagnesowanie ziaren stali kobaltowej, co stwierdza się pobierając próbki i badając ich konsystencję oraz wartość magnetyzacji. Następnie polimer usuwa się z pola magnetycznego, umieszcza w strumieniu wody o temperaturze 50 C na okres od 3 do 5 godzin i okresowo ugniata. W tym czasie następuje wypłukanie chlorku sodu, co stwierdza się analitycznie badając odpływającą wodę na obecność jonów chlorkowych. W wyniku otrzymuje się elastyczny i ściśliwy magnes trwały o mikroporowatej strukturze wewnętrznej, remanencji 35 T i współczynniku ściśliwości objętościowej kv = 0,12 x 10-5m3/N. Przykład 2 węglowej, silikonu oraz chlorku sodu. Proces wytwarzania magnesu odbywa się według sposobu jaki podano w przykładzie 1 stali węglowej o zawartości 1% węgla i rozmiarach ziaren od 2 do 10 (μm. Rozdrobnienie i ilość pozostałych składników jest identyczna jak podano w przykładzie 1. W identycznych warunkach przebiega proces polimeryzacji i usuwania chlorku sodu. Otrzymany magnes posiada identyczne właściwości strukturalne jak w przykładzie 1, różniąc się remanencją, która w tym przypadku wynosi 10,5 mt. Przykład 3 kobaltowej, polichloroprenu oraz chlorku sodu. Proces wytwarzania magnesu odbywa się według sposobu jaki podano w przykładzie 1 z tym, że zamiast silikonu stosuje się pastę otrzymaną przez rozpuszczenie 26 części wagowych polichloroprenu w 32 częściach wagowych acetonu. Rozdrobnienie i ilość pozostałych składników jest identyczna jak podano w przykładzie 1. W identycznych warunkach przebiega proces polimeryzacji i usuwania chlorku sodu. Otrzymany magnes posiada identyczne właściwości strukturalne jak w przykładzie 1, jego remanencja wynosi 35 mt, a współczynnik ściśliwości objętościowej kv = 0,58 x 10-5m7N. Przykład 4 węglowej, polichloroprenu oraz chlorku sodu. Proces wytwarzania magnesu odbywa się według sposobu jaki podano w przykładzie 3 stali węglowej o zawartości 1% węgla i rozmiarach ziaren od 2 do 10 (μm. Rozdrobnienie i ilość pozostałych składników jest identyczna jak podano w przykładzie 1. W identycznych warunkach przebiega proces polimeryzacji i usuwania chlorku sodu. Otrzymany magnes posiada identyczne właściwości strukturalne jak w przykładzie 3, różniąc się remanencją, która w tym przypadku wynosi 10,5 mt.

5 Przykład 5 kobaltowej, silikonu oraz mieszaniny poroforowej. 100 części wagowych sproszkowanej stali kobaltowej o zawartości 15% kobaltu o rozmiarach ziaren od 2 do 10 (μm miesza się przez 20 minut z 21 częściami wagowymi silikonu w postaci prepolimeru o konsystencji pasty i do tej masy dodaje się mieszaniny poroforowej, złożonej z 2,9 części wagowych kwaśnego węglanu sodu i 2,9 części wagowych kwaśnego fosforanu sodu. Składniki miesza się przez 15 minut. Z otrzymanej masy formuje się warstwę o grubości nie przekraczającej 15 mm i umieszcza ją w zewnętrznym polu magnetycznym o indukcji 0,8 T, skierowanym prostopadle do powierzchni warstwy. Mieszaninę wygrzewa się w polu magnetycznym w temperaturze 95 C, przez okres od 3 do 4 godzin. W tym czasie zachodzi spolimeryzowanie silikonu, trwałe namagnesowanie ziaren stali kobaltowej oraz rozkład mieszaniny poroforowej z powstawaniem uchodzących gazów, które nadają masie strukturę mikroporowatą. Proces ten powoduje wzrost objętości masy i pojawienie się porów widocznych na zewnętrznej powierzchni polimeru. Zakończenie procesu polimeryzacji, ukształtowanie porów oraz trwałość namagnesowania ziaren stali kobaltowej sprawdza się pobierając próbki i badając ich konsystencję i strukturę pod mikroskopem oraz mierząc wartość magnetyzacji. Po tym czasie masę usuwa się z pola magnetycznego, schładza w powietrzu do temperatury 20 C i poddaje sezonowaniu w tej temperaturze prze okres od 20 do 40 godzin. W wyniku otrzymuje się elastyczny i ściśliwy magnes trwały o mikroporowatej strukturze wewnętrznej, remanencji 35 T i współczynniku ściśliwości objętościowej kv - 0,12 x 10-5m3/N. Przykład 6 węglowej, silikonu oraz mieszaniny poroforowej. Proces wytwarzania magnesu odbywa się według sposobu jaki podano w przykładzie 5 stali węglowej o zawartości 1 % węgla i rozmiarach ziaren od 2 do 10 (μm. Rozdrobnienie i ilość pozostałych składników jest identyczna jak podano w przykładzie 5. W identycznych warunkach przebiega proces polimeryzacji i usuwania chlorku sodu. Otrzymany magnes posiada identyczne właściwości strukturalne jak w przykładzie 5, różniąc się remanencją, która w tym przypadku wynosi 10,5 mt. Przykład 7 kobaltowej, polichloroprenu oraz mieszaniny poroforowej. Proces wytwarzania magnesu odbywa się według sposobu jaki podano w przykładzie 5 z tym, że zamiast silikonu stosuje się pastę otrzymaną przez rozpuszczenie 26 części wagowych polichloroprenu w 32 częściach wagowych acetonu. Rozdrobnienie i ilość pozostałych składników jest identyczna jak podano w przykładzie 5. Proces wygrzewania masy odbywa się w temperaturze 50 C przez okres od 5 do 6 godzin W identycznych warunkach przebiega proces sezonowania polimeru. Otrzymany magnes posiada identyczne właściwości strukturalne jak w przykładzie 5, jego remanencja wynosi 35 mt, a współczynnik ściśliwości objętościowej kv = 0,58 x 10-5m3/N. Przykład 8 węglowej, polichloroprenu oraz mieszaniny poroforowej. Proces wytwarzania magnesu odbywa się według sposobu jaki podano w przykładzie 7 stali węglowej o zawartości 1% węgla i rozmiarach ziaren od 2 do 10 μm. Rozdrobnienie i ilość pozostałych składników jest identyczna jak podano w przykładzie 1. W identycznych warunkach przebiega proces polimeryzacji i sezonowania. Otrzymany magnes posiada identyczne właściwości strukturalne jak w przykładzie 7, różniąc się remanencją, która w tym przypadku wynosi 10,5 mt.

6 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.