Нанокомпозитный материал

Изобретение относится к нанокомпозитному материалу, для использования при изготовлении строительных профилей, включая трубы, стержни и т.п., а также в машиностроении и электронике. Нанокомпозитный материал получают из композитного материала на основе волокнистых материалов и полимерного связующего пропиткой армирующих волокон связующим. Связующее содержит наномодификатор в количестве 0,1-0,25%. В качестве наномодификатора используют очищенные наноалмазы или наноалмазную шихту, полученные путем взрывного разложения взрывчатых веществ. Изобретение позволяет повысить прочность композитного материала на изгиб, повысить модуль упругости и термостойкости, а также уменьшить ползучесть. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение может быть использовано для изготовления строительных профилей, включая трубы, стержни и т.п., а также в машиностроении и электронике. Введение наночастиц в композитный материал обеспечивает улучшение его физико-механических свойств и повышает его термо-огнестойкость.

Известен нанокомпозитный материал (полезная модель РФ №63923, F42B 39/26, опубл. 2007.06.10), представляющий собой полиимид на основе пиромеллитовой и 1,4,5,8-нафталинтетракарбоновой кислот, наполненный длинномерным и рубленым базальтовым волокном и углеродными нанотрубками, а также графитовыми стержнями диаметром 0,5-1,0 мм и длиной 10-20 мм в количестве 4-5 штук на 1 дм². Недостатком этого материала является высокая стоимость его компонентов, особенно пиромеллита, нафталинтетракарбоновой кислоты и углеродных нанотрубок.

По своему составу к заявляемому техническому решению близко техническое решение по заявке США №20070197696, C08K 5/49, опубл. 23.08.2007, - огнестойкий термостойкий нанокомпозитный материал. Он содержит полиэфирную смолу и наполнители, например стекловолокна, углеродные волокна, углеродные нанотрубки и наноглины. В предпочтительном варианте исполнения в качестве наполнителя авторы выбрали стекловолокно. Однако общеизвестно, что стекловолокно обладает недостаточной прочностью на разрыв и низкой термостойкостью - до 500°С

Известны также нанокомпозиционные материалы по патентам РФ №2223988, C08K 63/00, опубл. 20.02.2004, №2278028, B32B 27/38, опубл. 20.06.2006, содержащие эпоксидное связующее, наномодификаторы (астрален, фуллерен, углеродные нанотрубки) и волокна: углеродные, стеклянные, арамидные. Данные композиционные материалы являются эффективными только в заявленной области применения, а именно: в качестве материала несущих элементов конструкций авиационной и космической техники, т.к. входящие в их состав компоненты имеют высокую стоимость, вследствие чего имеют ограниченное применение. Кроме того, способ производства указанных наномодификаторов является не только дорогостоящим, но и технологически сложным.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является состав сердечника из нанокомпозитного материала (патент США №7368162, B32B 27/04, опубл. 2008.05.06), в состав которого могут входить углеродные, кевларовые, базальтовые, стеклянные, арамидные, жидкокристаллические волокна, а также углеродные нановолокна. Однако их добавка является недостаточно эффективной для целей повышения термостойкости и прочности из-за их физико-механических свойств, а именно: недостаточной прочности на изгиб и низкого модуля упругости.

Техническим результатом заявленного решения является повышение прочности композитного материала на изгиб, повышение термостойкости, огнестойкости и модуля упругости, а также уменьшение ползучести.

Для достижения поставленной цели предложено следующее.

В нанокомпозитном материале на основе волокнистых материалов и связующего, содержащем в качестве добавки наномодификатор, в качестве последнего используют ультрадисперсную наноалмазную составляющую. При этом наноалмазная составляющая представляет собой очищенные наноалмазы, составляющие от 0,015% до 1,5% по отношению к материалу или наноалмазную шихту, содержащую от 30% до 50% наноалмазов, причем наноалмазная шихта вводится в композитный материал в количестве, которое в пересчете на очищенные наноалмазы составляет от 0,015% до 1,5% по отношению к материалу. В качестве связующего используется термоотверждаемая (термореактивная) или термопластичная смола.

Нанокомпозитный материал в качестве основы может содержать волокнистые материалы: стеклянные, базальтовые, углеродные, арамидные, борные, сверхвысокомодульные (полиэтилен, полипропилен) и другие волокна. В качестве связующего используются термоотверждаемые смолы (эпоксидные, эпоксифенольные, полиэфирные, фенолформальдегидные, полиуретановые), либо термопластичные смолы (полиэтилен, полипропилен, полиамиды, полиимиды).

Наномодификатор представляет собой наноалмазы, синтезированные путем взрывного разложения мощных взрывчатых веществ. При этом наноалмазы могут использоваться как в очищенном виде, так и в виде неочищенной алмазной шихты, что снижает их себестоимость в несколько раз (см. В.Ю.Долматов, «Детонационные наноалмазы: синтез, строение, свойства и применение», Успехи химии, т.76 (№4), стр.386). Таким образом, «простая технология синтеза наноалмазов позволяет создать промышленное производство с низкой себестоимостью, определяемой в основном стоимостью взрывчатых веществ» (там же).

При этом наноалмазы (алмазная шихта) вводятся в жидкие связующие известным способом: диспергированием в смоле путем ультразвукового воздействия.

Способ получения нанокомпозиционного материала описан в литературе и включает этапы: приготовление нанокомпозитного связующего путем смешивания компонентов, пропитка армирующих волокон связующим, содержащим наномодификатор с последующим отверждением высокомолекулярного соединения путем полимеризации или поликонденсации, либо охлаждения (см. Михайлин Ю.А. «Конструкционные полимерные композиционные материалы», изд. НОТ, Спб., 2008 г., стр.22).

Примеры осуществления

Пример 1

Нанокомпозиционный материал на основе полимерного связующего (термореактивной смолы), представляющего собой смолу в сочетании с отвердителем и ускорителем. А именно: эпоксидная смола ЭД-20, отвердитель - изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид, а ускоритель - УП606/2. Волокнистый материал - непрерывное базальтовое волокно РБН 13-2520-12, наномодификатор - очищенные наноалмазы UDD-SWS (производство ФГУП СКТБ «Технолог», г.Санкт-Петербург) при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Полимерное связующее	25-30
Волокнистый материал	70-73
Наномодификатор (очищенные алмазы)	0,1-0,2%

Пример 2

Нанокомпозиционный материал на основе полимерного связующего (термореактивной смолы) - известная полиэфирная смола ПН-1, инициатор - бензоилпероксид, ускоритель - стеарат кобальта. Волокнистый материал - непрерывное стекловолокно РБН13 - 2520-76 наномодификатор - наноалмазная шихта с содержанием алмазов 40% при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Полимерное связующее	20-25
Волокнистый материал	74-79
Наномодификатор (алмазная шихта)
в пересчете на алмазы	0,2-0,25%

Пример 3

Нанокомпозиционный материал на основе полимерного связующего (термопластичной смолы) - известный полипропилен HOSTALEN 5216/34. Волокнистый материал - непрерывное углеродное волокно наномодификатор - наноалмазная шихта с содержанием алмазов 40% при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Полимерное связующее	20-29
Волокнистый материал	70-79
Наномодификатор (наноалмазная шихта)
в пересчете на алмазы	0,2-0,25%

Общим для всех примеров является: улучшение физико-механических свойств нанокомпозитов (см. таблицу)

Из приведенной таблицы следует, что по сравнению с исходным композитом, не содержащим наномодификатор, композиты, содержащие наномодификатор, обладают лучшими физико-механическими свойствами: прочность на изгиб возрастает до 30% при содержании наноалмазов 0,1 до 0,25%. При этом также возрастает модуль упругости полученных композитов на 25%.

Испытания по примерам №1 и №2 показали существенное улучшение показателей ползучести по сравнению с исходными композитами на основе базальтопластика и стеклопластика соответственно, что позволяет создать перспективные материалы для изготовления, например, преднапряженных бетонных строительных конструкций.

В примере 3 ползучесть снижается на 15%.

Термостойкость и огнестойкость полученных нанокомпозитов по сравнению с контрольными образцами значительно повышается. Исследования, проведенные в рамках НИР и оформленные Отчетом «Нанокомпозиционные материалы для строительной индустрии с комплексом улучшенных механических и теплофизических свойств и повышенной огнестойкостью на основе эпоксидных матриц», № госрегистрации 01200958187, показали, что температура стеклования полученных наноматериалов повышается на 10-15°С, что свидетельствует о повышении термостойкости композита. При этом кислородный индекс (огнестойкость) возрастает на 10 единиц.

Таким образом, получен нанокомпозитный материал, обладающий необходимыми свойствами в соответствии с заявленным техническим результатом - повышенной прочностью на изгиб, термостойкостью, повышенным модулем упругости и лучшими показателями ползучести.

1. Нанокомпозиционный материал на основе волокнистых материалов, полученный пропиткой армирующих волокон связующим, содержащим наномодификатор, отличающийся тем, что в качестве наномодификатора используют очищенные наноалмазы или наноалмазную шихту, полученные путем взрывного разложения взрывчатых веществ, которые вводятся в связующее на основе термореактивной смолы, выбранной из группы, состоящей из эпоксидной, полиэфирной, полиуретановой или термопластичной смолы выбранной из группы, состоящей из полиэтилена, полипропилена, полиамида.

2. Нанокомпозиционный материал по п.1, отличающийся тем, что содержание наномодификатора в связующем составляет 0,1-0,25% от очищенных наноалмазов.