Композитный эластичный материал и способ его получения

Изобретение можно применять для детского творчества, игр, обучения, лепки, развития мелкой моторики. Композитный эластичный материал включает в себя сыпучий полимерный материал, имеющий фракции от 0,005 до 0,1 мм и однородность фракции от 10 до 100%, представлен гранулированным мелкодисперсным сыпучим полимерным материалом, связующее вещество в виде агента с ОН-группами в количестве от 10 до 50% от массы сыпучего полимерного материала, сшивающий агент от 0,5 до 10% от массы агента с ОН-группами и пластифицирующий агент в количестве от 0,02 до 2% от массы агента с ОН-группами. Для создания композитного материала получают связующее вещество путем сшивания агента с ОН-группами, пластифицируют и распределяют его по объему сыпучего материала, фиксируют связующеее вещество на поверхности сыпучего материала. Технический результат - получение безопасного продукта, сочетающего в себе свойства ньютоновской и неньютоновской жидкости. 2 н. и 19 з.п. ф-лы.

 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение может использоваться для детского творчества, игр, обучения, развития моторики.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен способ получения массы для лепки с биоцидными свойствами (патент RU 2473216 A01N 25/00, опубл. 27.03.2013 г.), при котором смешивают органосилоксан с борной кислотой и кислотой Льюиса, нагревают полученную смесь и вводят биоцидную добавку и, по крайней мере, одну добавку, выбранную из группы, включающей наполнитель, пигмент, пластификатор. Борную кислоту берут в количестве 4-40 мас. ч. на 100 мас. ч. органосилоксана, кислоту Льюиса берут в количестве 0,001-3 мас. ч. на 100 мас. ч. органосилоксана, в качестве биоцидной добавки используют наночастицы серебра в количестве 0,00001-0,1 мас. ч. на 100 мас. ч. органосилоксана.

Недостатком известного технического является использование дорогостоящих наночестиц серебра, а также кислоты Льиса, что усложняет синтез и, следовательно, технологический процесс.

Известна воздушная глина (патент KR 10-08744091, МПК A21D 8/00, опубл. 16.12.2008), которая содержит основное вещество, такое как тонкоизмельченный песчаный порошок и глицерин, и обладает текстурой и характеристиками, значительно отличающимися от текстуры и характеристик, традиционных адгезивных песков или искусственных глин, и может быть использована без воды, Когда глину вытягивают, она растягивается, в ней абсорбируется аоздух, и глина, таким образом, становится рыхлой и мягкой, как облако, вата или снег. Когда глину собирают путем приложения к ней силы, воздух уходит и глина становится плотной и твердой. Вследствие такого характера данные пески решают некоторые проблемы и преодолевают ограничения традиционного адгезивного песка или искусственной глины.

Недостатком воздушной глины является то, что в качестве основного вещества выбран тонкоизмельченный песчаный порошок, тем самым готовый продукт будет более тяжелый, не иметь возможности запекания в духовом шкафу, не сможет плавать в воде, а также иметь свойство прыгучести (прыгать, как мячик, при ударе о твердую поверхность).

Известна незатвердевающая глиняная композиция и способ ее получения (патент ЕР 2458576, опубл. 30.05.2012), которая содержит 100 массовых частей диатомитового порошка (первый основной материал), измельченного до размера, составляющего от 10 до 10000 меш и от 5 до 70 массовых частей амфипротной (гидрофильной и липофильной) жидкости. Дополнительно композиция содержит от 10 до 100 массовых частей второго основного материала, который представляет собой один или несколько материалов, выбранных из группы, состоящей из песка, ракушек, кварцевого песка, красной глины, белой глины, зерновых, твердой скорлупы орехов, кокосового субстрата и древесных опилок, и имеет размер, эквивалентный или меньше 1/10 диатомитового порошка. Указанный диатомитовый порошок и жидкость смешивают в достаточной степени и замешивают так, что жидкость проходит через поры диатомитового порошка и диспергируется в них.

Недостатком композиции и способа является то, что полученный продукт обладает узким набором свойств и используется только в качестве массы для лепки с возможностью запекания изготовленной фигуры в духовке.

Известна пластичная силиконовая композиция (патент RU 2612677, МПК C08L 83/04, опубл. 13.03.2017 г.), которая включает нетоксичный рассыпчатый минеральный компонент, размер частиц которого равен 0,01-1,0 мм, полидиметилсилоксан, щелочной раствор с рН 12-14, сшивающий агент и пластификатор.

Недостатком данного технического решения является то, что в технологическом процессе используется сильнощелочной раствор, что накладывает ограничения на технику безопасности и делает производство опасным. Также готовый продукт обладает узким набором свойств, представляя собой рассыпчатую пластичную массу, которая не запекается в духовке, слепленные фигуры не держат форму продолжительный период времени (растекаются под собственным весом), не могут плавать в воде, не прыгают, как мячик при ударе о твердую поверхность и т.д.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической задачей является расширение арсенала средств.

Настоящее изобретение было разработано ввиду вышеуказанных проблем и технический результат заключается в получении безопасной композиции, сочетающей в себе свойства ньютоновской и неньютоновской жидкости, полимерной глины, пластилина, кинетического песка, жвачки для рук и способа получения указанной композиции.

Технический результат по первому пункту изобретения достигается тем, что композитный эластичный материал включает в себя сыпучий полимерный материал, имеющий фракции от 0,005 до 0,1 мм и однородность фракции от 10 до 100%, представлен гранулированным мелкодисперсным сыпучим полимерным материалом, связующее вещество в виде агента с ОН-группами в количестве от 10 до 50% от массы сыпучего полимерного материала, сшивающий агент от 0,5 до 10% от массы агента с ОН-группами и пластифицирующий агент в количестве от 0,02 до 2% от массы агента с ОН-группами.

В качестве сыпучего полимерного материала можно использовать мелкодисперсные гранулы поливинилхлорида, вспененные мелкодисперсные гранулы пенополистирола и перлита.

В качестве сыпучего полимерного материала можно использовать смесь сыпучего полимерного материала и кварцевых микросфер в соотношении 80:20, а также смесь сыпучего полимерного материала и кварцевой муки в соотношении 70:30.

В качестве агента с ОН-группами можно использовать ОН-терминированный полидиметилсилоксан с вязкостью от 50 до 10000 cps, силиконовый каучук или силоксаны, имеющие ОН-группы.

В качестве сшивающего агента используют боросодержащие соединения, например борный спирт.

В композитный эластичный материал могут быть добавлены люминофоры 0,1-50%, декоративные вкрапления 0,001-50%, ароматизаторы 0,00001-5% от массы сыпучего полимерного материала, термохромные красители 0,001-5% от массы сыпучего полимерного материала.

Технический результат по второму пункту изобретения достигается тем, что способ получения материла включает получение связующего вещества путем сшивания агента с ОН-группами, его пластифицирование и распределение по объему сыпучего материала, фиксацию связующего вещества на поверхности сыпучего материала, при этом в реакторе для смешивания компонентов к агенту с ОН-группами с вязкостью от 1000 до 1500 cps в количестве от 10 до 50% поэтапно добавляют от массы агента с ОН-группами сшивающий агент в количестве 0,5 до 10%, пластифицирующий агент в количестве от 0,02% до 2%, компоненты на каждом этапе смешивают не более 10-15 с при скорости перемешивания 150-200 об/мин, суммарное время добавления и перемешивания компонентов не более 40-60 с, затем в сыпучий полимерный материал вливают полученное связующее вещество, перемешивают массу и наносят связующее вещество на сыпучий материал до равномерного распределения связующего вещества по всему объему сыпучего материала, для фиксации связующего вещества раскладывают массу на воздухе слоем от 0,1 до 50 см при нормальных условиях до полного высыхания.

При смешивании компоненты связующего вещества можно нагревать до 80°С, также связующее вещество и сыпучий материал можно смешивать при 50°С.

Сыпучий полимерный материал и связующее вещество можно дополнительно окрашивать.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Получение композиционного материала проходит в три стадии.

На первой стадии приготавливают связующее вещество:

- берем, например, ОН-терминированный полидиметилсилоксан с вязкостью от 1000 до 1500 cps в количестве от 20 до 27% от массы сыпучего материала, растворяем сшивающий агент растворителем в количестве 1 до 20% от массы агента с ОН-группами. В качестве растворителя можно использовать воду, этиловый спирт и другие спирты, способные растворить или частично растворить сшивающий агент. Растворитель используется для более равномерного распределения сшивающего агента по объему агента с ОН-группами, а также служит ингибитором реакции сшивки, которая протекает достаточно быстро;

- добавляем от массы ОН-терминированного полидиметилсилоксана жирную кислоту, например олеиновую кислоту, в количестве от 0,02 до 0,08%, трехатомный спирт (например, глицерин) в количестве от 0,08 до 2%, боросодержащее соединение, например борную кислоту от 2 до 4%. Процесс добавления компонентов к ОН-терминированному полидиметилсилоксану происходит поэтапно. Каждый этап происходит в реакторе для смешивания компонентов не более 10-15 с при скорости перемешивания 150-200 об/мин. Суммарное время добавления и перемешивание компонентов не более 40-60 с.

На второй стадии наносят связующее вещество на сыпучий полимерный материал:

- мелкодисперсные гранулы поливинилхлорида фракции от 0,01 до 0,063 мм, однородность фракции от 75 до 95%, высыпают в резервуар оборудования для смешивания сыпучих компонентов и вязких растворов;

- выливают связующее вещество и перемешивают массу до равномерного распределения связующего вещества по всему объему сыпучего полимерного материала.

На третьей стадии фиксируют связующее вещество на поверхности сыпучего материала:

- полученную смесь сыпучего полимерного материала со связующим веществом раскладывают на воздухе слоем от 0,1 до 50 см при нормальных условиях до полного высыхания.

Сыпучий полимерный материал может быть предварительно окрашен. Окрашивание проводят полимерным, синтетическим, минеральным, пищевым красителями или пигментом любого цвета с разной степенью насыщенности окраски. Используют краситель или пигмент в порошковом, гелеобразном, жидком и прочих видах в любых пропорциях в зависимости от красителя/пигмента.

В качестве сыпучего полимерного материала можно использовать мелкодисперсные гранулы вспененного полистирола, при этом готовый продукт становится легче и может плавать в воде значительно большее количество времени.

Для придания свойства свечения эластичного материала в темноте добавляют люминофор в связующее вещество и/или в сыпучий материал.

Для придания свойства сверкания эластичного материал добавляют декоративные вкрапления в связующее вещество и/или в сыпучий материал.

Для придания приятного аромата эластичного материала добавляют ароматизаторы в связующее вещество и/или в сыпучий материал.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1

В ОН-терминированный полидиметилсилоксан с вязкостью от 1200 cps в количестве от 20% от массы сыпучего материала добавляют от массы вышеуказанного олеиновую кислоту в количестве от 0,06%, глицерин в количестве от 1%, борную кислоту 3%, предварительно смоченную в этиловом спирте (7% от массы ОН-терминированного полидиметилсилоксана).

Компоненты к ОН-терминированному полидиметилсилоксану добавляют поэтапно. На каждом этапе компоненты в реакторе смешивают не более 15 секунд при скорости перемешивания 150 об/мин. Суммарное время добавления и перемешивание компонентов составляет не более 60 секунд. Затем мелкодисперсные гранулы поливинилхлорида фракции 0,01 мм, однородность фракции 95%, высыпают в резервуар оборудования для смешивания сыпучих компонентов и вязких растворов, выливают связующее вещество и перемешивают массу до равномерного распределения связующего вещества по всему объему сыпучего полимерного материала. Полученную смесь сыпучего полимерного материала со связующим веществом раскладывают на воздухе слоем от 10 см при нормальных условиях до полного высыхания.

Пример 2

В ОН-терминированный полидиметилсилоксан с вязкостью от 1000 cps в количестве от 27% от массы сыпучего материала добавляют от массы вышеуказанного олеиновую кислоту в количестве от 0,02%, глицерин в количестве от 1,5%, борную кислоту 2%, предварительно смоченную в воде (10% от массы ОН-терминированного полидиметилсилоксана).

Компоненты к ОН-терминированному полидиметилсилоксану добавляют поэтапно. На каждом этапе компоненты в реакторе смешивают не более 10 с при скорости перемешивания 200 об/мин. Суммарное время добавления и перемешивание компонентов составляет не более 40 секунд. Затем мелкодисперсные гранулы пенополистирола фракции 0,04 мм, однородность фракции 75%, высыпают в резервуар оборудования для смешивания сыпучих компонентов и вязких растворов, добавляют пищевой краситель 0,1% от массы сыпучего материала (пенополистирол), заранее растворенный в воде (5% от массы пенополистирола), выливают связующее вещество и перемешивают массу до равномерного распределения связующего вещества по всему объему сыпучего полимерного материала. Полученную смесь сыпучего полимерного материала со связующим веществом раскладывают на воздухе слоем от 10 см при нормальных условиях до полного высыхания.

Полученный материал имеет свойства ньютоновских и неньютоновских веществ. В первоначальном состоянии это тугая масса, которая от резкого воздействия становится еще тверже и рвется на куски. При мягком воздействии он становится мягким и хорошо тянется. Если скатать его в шар, он будет прыгать, как мячик. В процессе игры он получает тепло от рук и напитывается влагой с ладошек и становится мягким и пушистым (очень нежный и легкий, как будто облачко с ваткой смешали), увеличиваясь в объеме в 3-4 раза, скатанный шар уже не будет прыгать, как мяч. Если разложить материал в виде оладушка (как можно более плоско), то он в течение нескольких часов остынет до температуры окружающей среды, испарит влагу от рук и опять станет обладать неньютоновскими свойствами, то есть станет тугим и очень эластичным.

Кроме того, из эластичного материала можно слепить фигурку и запечь в духовке при 180°С, время зависит от объема фигурки. Фигурка застынет и станет твердой в приданной ей форме. Слепленные фигурки могут плавать в воде (не тонут и не теряют свойства).

Предложенный способ прост, так как при производстве не требуется использование вакуума, высоких температур, вредных/токсичных растворителей, горючих веществ, дорогостоящих катализаторов на основе благородных металлов, активных кислот и щелочей. Производство продукта можно осуществлять без вытяжной системы, так как в производстве не применяются легколетучие вещества и отсутствует процесс кипения.

Готовый продукт содержит антисептик, который предотвращает образование и рост бактерий.

Следует также понимать, что композиция и способ, раскрытые в материалах настоящего описания, являются примерными, по сути, и что эти специфичные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, так как возможны многочисленные варианты. Предмет настоящего описания включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных композиций и способов, раскрытые в материалах настоящего описания. Формула изобретения подробно указывает некоторые комбинации и подкомбинации, рассматриваемые в качестве новых и неочевидных.

1. Композитный эластичный материал для лепки, включающий в себя сыпучий полимерный материал, имеющий фракции от 0,005 до 0,1 мм и однородность фракции от 10 до 100%, представленный гранулированным мелкодисперсным сыпучим полимерным материалом, связующее вещество в виде агента с ОН-группами в количестве от 10 до 50% от массы сыпучего полимерного материала, сшивающий агент от 0,5 до 10% от массы агента с ОН-группами и пластифицирующий агент в количестве от 0,02 до 2% от массы агента с ОН-группами.

2. Композитный эластичный материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сыпучего материала используют мелкодисперсные гранулы поливинилхлорида.

3. Композитный эластичный материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сыпучего полимерного материала используют вспененные мелкодисперсные гранулы пенополистирола.

4. Композитный эластичный материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сыпучего полимерного материала используют вспененные мелкодисперсные гранулы перлита.

5. Композитный эластичный материал по п. 1, отличающийся тем, что к сыпучему полимерному материалу добавляют кварцевые микросферы в соотношении 80:20.

6. Композитный эластичный материал по п. 1, отличающийся тем, что к сыпучему полимерному материалу добавляют кварцевую муку в соотношении 70:30.

7. Композитный эластичный материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве агента с ОН-группами используют ОН-терминированный полидиметилсилоксан с вязкостью от 50 до 10000 cps.

8. Композитный эластичный материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве агента с ОН-группами используют силиконовый каучук.

9. Композитный эластичный материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве агента с ОН-группами используют силоксаны, имеющие ОН-группы.

10. Композитный эластичный материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сшивающего агента используют боросодержащие соединения.

11. Композитный эластичный материал по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит люминофоры от 0,1 до 50% от массы сыпучего полимерного материала.

12. Композитный эластичный материал по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит декоративные вкрапления 0,001 до 50% от массы сыпучего полимерного материала.

13. Композитный эластичный материал по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит ароматизаторы от 0,00001 до 5% от массы сыпучего полимерного материала.

14. Композитный эластичный материал по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит термохромные красители 0,001-5% от массы сыпучего полимерного материала.

15. Композитный эластичный материал по п. 1, отличающийся тем, что используют окрашенные сыпучие полимерные материалы.

16. Способ получения композитного материла для лепки, включающий получение связующего вещества путем сшивания агента с ОН-группами, его пластифицирование и распределение по объему сыпучего материала, фиксацию связующего вещества на поверхности сыпучего материала, при этом в реакторе для смешивания компонентов к агенту с ОН-группами с вязкостью от 1000 до 1500 cps в количестве от 10 до 50% поэтапно добавляют от массы агента с ОН-группами сшивающий агент в количестве 0,5 до 10%, пластифицирующий агент в количестве от 0,02% до 2%, компоненты на каждом этапе смешивают не более 10-15 секунд при скорости перемешивания 150-200 об/мин, суммарное время добавления и перемешивания компонентов не более 40-60 секунд, затем в сыпучий полимерный материал вливают полученное связующее вещество, перемешивают массу и наносят связующее вещество на сыпучий материал до равномерного распределения связующего вещества по всему объему сыпучего материала, для фиксации связующего вещества раскладывают массу на воздухе слоем от 0,1 до 50 см при нормальных условиях до полного высыхания.

17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что при смешивании компоненты связующего вещества нагревают до 80°С.

18. Способ по п. 16, отличающийся тем, что связующее вещество и сыпучий материал смешивают при 50°С.

19. Способ по п. 16, отличающийся тем, что для фиксации связующего вещества используют конвекцию воздушных масс.

20. Способ по п. 16, отличающийся тем, что сыпучий полимерный материал окрашивают.

21. Способ по п. 16, отличающийся тем, что связующее вещество окрашивают.