Способ получения наномодифицированного термопласта

Изобретение относится к области полимеров, а именно к области создания многофункциональных нанокомпозиционных материалов, и может быть использовано для получения конструкционных материалов с повышенными механическими и теплофизическими характеристиками, стойкими к агрессивным средам, например, в производстве пластиковых оболочек кабелей электротехнической промышленности, пленочных упаковочных материалов, мешков, тары, пластиковых труб. Способ получения наномодифицированного термопласта включает получение наномодифицированного связующего путем подготовки с помощью ультразвукового воздействия мощностью от 1 до 5 кВт и амплитудой от 20 до 80 мкм концентрата диспергированием частиц наномодификатора в полимерной матрице - смоле и введением полученного концентрата в связующее, после чего с последующим перемешиванием осуществляют получение наномодифицированного термопласта. В качестве полимерной матрицы используют расплав, по меньшей мере, одного термопласта с вязкостью не менее 10 сП в диапазоне температур, обусловленных условиями переработки термопласта в расплавленном состоянии, а именно от 120 до 200°С. Достигаемый технический результат заключается в получении термопластичного полимерного нанокомпозита с повышенным уровнем деформационно-прочностных характеристик. 1 з.п. ф-лы, 6 табл.

 

Область техники

Изобретение относится к области полимеров, а именно к области создания многофункциональных нанокомпозиционных материалов, и может быть использовано для получения конструкционных материалов с повышенными механическими и теплофизическими характеристиками, стойкими к агрессивным средам, например, в производстве пластиковых оболочек кабелей электротехнической промышленности, пленочных упаковочных материалов, мешков, тары, пластиковых труб и т.п.

Уровень техники

Нанонаполнители, используемые для получения композитов конструкционного назначения, обычно представляют собой твердые дисперсии (порошки), в которых наночастицы агломерированы. В существующих традиционных схемах получения композитов путем введения таких дисперсий в расплав полимерной матрицы разрушения агломератов от сдвиговых напряжений, возникающих при смешении композитов тем или иным способом, не происходит. Более того, при сдвиге может происходить концентрирование агломерированных частиц в виде стрингов («шнуров») (см. В.Г.Куличихин, А.В.Семаков, В.В.Карбушев и др. Переход хаос-порядок в критических режимах течения сдвига расплавов полимеров и нанокомпозитов. // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2009. Т. 51. №11. С. 2044-2054).

В результате не удается получить нанокомпозит, характеризуемый высокой дисперсностью и однородностью распределения частиц наполнителя в полимерной матрице.

Однако возможны и другие варианты ввода наномодификаторов для получения многофункциональных, в том числе конструкционных, нанокомпозиционных материалов.

В патентах RU №2441835 (МПК B82B 3/00, C08J 3/20, B29B 13/00, C08L 101/12, C08K 9/00, C08K 9/04, C08K 3/34, опубл. 10.02.2012) и RU №2446187 (МПК C08J 3/20, B82B 3/00, опубл. 27.03.2012) предложены способы ввода наномодификаторов в расплав полимера при экструдировании термопласта.

В патенте RU №2441835 указан способ, в котором на первой стадии термопласт - полиэтилен низкой плотности подвергают высокотемпературному сдвиговому измельчению в одношнековом диспергаторе, после чего полиэтилен низкой плотности изменяет свою кристаллическую структуру. При этом факт изменения структуры полимера термопласта является определяющим, как указано в патенте, так как благодаря ему улучшается адгезионное взаимодействие наномодификатора и полимера. Полученный таким образом полимер измельчают, отсеивают нужную фракцию (0,63 мм) и только после этого производят смешение наномодификатора и термопласта при экструдировании. Дополнительное ультразвуковое воздействие для эффективного перемешивания и гомогенизации отсутствует.

Основным недостатком данного способа является необходимость в предварительном изменении структуры полимерного материала - термопласта: а изменение структуры полимерного материала может приводить как к усложнению условий переработки термопласта, так и к ухудшению качества получаемых изделий. Это не позволяет работать с промышленными партиями полимера и часто требует дополнительных трудоемких и дорогостоящих исследований по определению совместимости термопласта с нанонаполнителем.

В патенте RU №2446187 предложен способ по смещению термопласта с наполнителем - наноалмазом детонационного синтеза (ДНА), в расплаве термопласта в режиме упругой неустойчивости для достижения мощных сдвиговых деформаций. Для этого выбирают температуру и напряжение сдвига, обеспечивающие значение числа Вайссенберга не менее 10.

Основным недостатком данного способа является необходимость в затратном обеспечении условий переработки. Как отмечают сами авторы патента, определение условий, при которых число Вайссенберга было бы не менее 10, требует проведения специализированных научно-исследовательских работ, что далеко не всегда возможно и экономически оправдано.

Наиболее близким к заявленному изобретению (прототипом) является способ получения нанокомпозита по патенту RU №2415884 (МПК C08J 3/20, C08J 5/04, В32В2 7/18, опубл. 10.06.2010 г. ). Этот способ включает получение концентрата путем диспергирования частиц наномодификатора в матрице в процессе ультразвукового воздействия и введение упомянутого концентрата в связующее, в качестве матрицы и связующего используют, по меньшей мере, одну конденсационную смолу с вязкостью более 600 сП, а ультразвуковое воздействие при получении концентрата осуществляют с мощностью излучения от 1 до 5 кВт и амплитудой от 20 до 80 мкм.

Ограничением указанного способа является то, что полимерная матрица нанокомпозита ограничена конденсационными смолами, которые находятся в жидком состоянии, и не может быть использована для гораздо более широко применяемых в промышленности термопластичных полимеров при всех тех условиях, которые указаны в прототипе.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения состоит в получении термопластичного полимерного нанокомпозита с повышенным уровнем деформационно-прочностных характеристик.

Технический эффект достигается тем, что способ получения наномодифицированного термопласта включает получение наномодифицированного связующего путем подготовки с помощью ультразвукового воздействия мощностью от 1 до 5 кВт и амплитудой от 20 до 80 мкм концентрата диспергированием частиц наномодификатора в полимерной матрице - смоле и введением полученного концентрата в связующее с последующим перемешиванием осуществляют получение наномодифицированного термопласта. При этом в качестве полимерной матрицы используют расплав, по меньшей мере, одного термопласта с вязкостью не менее 10 сП в диапазоне температур, обусловленных условиями переработки термопласта в расплавленном состоянии, а именно от 120 до 200°С.

Вязкость расплавленного термопласта, также существенно зависящая от температуры переработки, при минимуме 10 сП, имела в экспериментальной практике максимум до 600 сП.

Выход за границы таких интервалов значений количественных параметров приводит к невозможности получения технического результата (эффекта), так как при температуре меньше минимальных 120°С (и сопутствующих минимальных значениях вязкости густого расплава термопласта менее 10 сП) переработка практически невозможна из-за невозможности смешивания компонент и возможной аварии используемого оборудования; а при температуре выше максимальных 200°С (и при этом наблюдавшейся сопутствующей вязкости жидкого расплава термопласта свыше 600 сП) возможен уже термораспад полимера. А когда амплитуда и/или мощность меньше минимально указанных для использованного оборудования ультразвукового воздействия на смешиваемые материалы, тогда теряется однородность смеси (потеря однородности становится видна визуально в виде участков разного цвета). Когда амплитуда и/или мощность больше максимально указанных, может произойти порча ультразвукового излучателя (физически в виде появления трещин или коррозионно).

В качестве наномодификатора могут быть использованы, например, многостенные наноуглеродные трубки марки Baytubes С150Р, наноалмазы детонационного синтеза или слоистый силикат - природный монтмориллонит.

Осуществление изобретения

Примечание: из последующих примеров осуществления способа любой из использованных нанонаполнителей может быть использован с любым из использованных термопластичных полимеров. При этом частицы наномодификатора имеют геометрические размеры в диапазоне от 3 до 150 нм, а диапазон частот ультразвукового воздействия - от 20 до 45 кГц.

Пример 1.

В качестве полимерной матрицы термопласта был использован сополимер этилена и мономера винил ацетата, СЭВА -113 по ТУ 6-05-1636-97, характеристики сополимера приведены в таблице 1.

В качестве наполнителя использовали многостенные наноуглеродные трубки марки Baytubes С 150Р производства Bayer GmbH (ФРГ). Характеристики нанонаполнителя приведены в таблице 2.

Для получения концентрата наномодифицированного термопласта использовали сополимер СЭВА-113 и наномодификатор Baytubes С 150Р. Порошок наноуглеродного материала (в количестве 10% масс.) и гранулы полимера загружали в термостатируемый лабораторный смеситель, нагревали емкость до температуры плавления полимера 120°С и диспергировали многостенные наноуглеродные трубки в расплаве полимера ультразвуковым погружным диспергатором типа УЗДН, мощностью излучения 1,5 кВт, амплитудой 38 мкм и частотой 21,8 кГц. Время диспергирования - 5 минут. После диспергирования горячий концентрат извлекали из термостатируемого смесителя шпателем и наносили на фторопластовую пластину, на которой происходил процесс охлаждения концентрата до температуры 25…30°С. После охлаждения концентрат отделяли от пластины и хранили в полиэтиленовом пакете при температуре 20…25°С.

Композит получали механическим смешением в расплаве на лабораторном смесителе Вернера-Пфляйдера, с двумя Z-образными лопастями, вращающимися навстречу друг другу, температура смешения 120°С, время смешения - 40 минут. Ввод наномодификатора осуществляли двумя путями: в одном случае в смеситель засыпали заводской порошок Baytubes С 150Р, во втором случае в смеситель загружали концентрат, содержащий Baytubes С 150Р. В обоих случаях концентрация нанотрубок составляла величину 0,5%.

После смешения полученную массу извлекали из смесителя и помещали между двумя стальными пластинами и при температуре 110°С формовали ручным прессом в пластину размером (70×50×2) мм. Пластину охлаждали на воздухе до температуры 20…23°C.

Из полученного полотна вырезали образцы для определения физико-механических характеристик на разрывной машине известного советского физика, академика С.Н. Журкова при постоянном напряжении деформирования. Результаты испытаний приведены в таблице 3.

Из данных, представленных в таблице 3, видно, что нанокомпозит на основе полимера СЭВА-113, полученный по заявленному способу, имеет существенно больший предел прочности, чем сам полимер и композит на его основе, полученный простым смешением СЭВА-113 и Baytubes С150Р.

Пример 2.

В качестве полимерной матрицы использовали пластикат поливинилхлорида (ПВХ-пластикат ОМ-40, ГОСТ 5960-72), в качестве наномодификатора использовали «Cloisite20A», состоящий из органически модифицированных слоистых силикатов магния и алюминия (монтмориллониты) наноразмеров. Характеристики «Cloisite20A» приведены в таблице 4.

Смешение и формование пластины нанокомпозитов и ПВХ пластиката проводили при температуре 150°С и приемами, как в примере 1.

Концентрация наномодификатора в композите составила величину 2%.

Сравнительные результаты испытаний физико-механических характеристик полученных композитов и ПВХ пластиката приведены в таблице 5.

Из данных, представленных в таблице 5, видно, что нанокомпозит на основе ПВХ пластиката ОМ-40 (ГОСТ 5960-72), полученный по заявленному способу, имеет значительно большую величину деформации, чем сам ПВХ пластикат и композит на его основе, полученный простым смешением СЭВА-113 и наномодификатора «Cloisite20A», и имеет чуть больший предел прочности.

Пример 3.

В качестве полимерной матрицы использовали полипропилен М-21060 производства Томского нефтехимического завода, а в качестве наномодификатора использовали детонационные наноалмазы (ДНА), синтезированные комбинатом "Электрохимприбор" (г. Лесной).

Наномодификатор ДНА, синтезированный комбинатом "Электрохимприбор". представляет собой порошок светло-серого цвета, с массовой долей алмаза не менее 98%, плотностью 3,3 г/см3, удельной площадью поверхности 350 м2/г. Относительно низкая удельная площадь поверхности ДНА указывает на тот факт, что частицы агрегированы и порошок агломерирован.

Смешение и формование пластины нанокомпозитов и ПВХ пластиката проводили при температуре 200°C и 170°C соответственно и приемами, как в примерах 1 и 2.

Концентрация наномодификатора в композите составила величину 1,0%.

Результаты испытаний физико-механических характеристик полипропилена М-21060 и полученных композитов приведены в таблице 6.

Из данных, представленных в таблице 6, видно, что нанокомпозит на основе полипропилена М-21060, полученный по заявленному способу, имеет больший предел прочности, чем сам полимер и композит на его основе, полученный простым смешением полипропилена М-21060 и ДНА, при практически неизменной величине деформации заявляемого нанокомпозита по сравнению с полипропиленом.

Таким образом, приведенные примеры свидетельствуют, что использование заявленного способа позволяет получать термопластичные нанокомпозиты с повышенным уровнем деформационно-прочностных характеристик.

1. Способ получения наномодифицированного термопласта, включающий получение наномодифицированного связующего путем подготовки с помощью ультразвукового воздействия мощностью от 1 до 5 кВт и амплитудой от 20 до 80 мкм концентрата диспергированием частиц наномодификатора в полимерной матрице - смоле и введением полученного концентрата в связующее с последующим перемешиванием осуществляют получение наномодифицированного термопласта, отличающийся тем, что в качестве полимерной матрицы используют расплав, по меньшей мере, одного термопласта с вязкостью не менее 10 сП в диапазоне температур, обусловленных условиями переработки термопласта в расплавленном состоянии, а именно от 120 до 200°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве наномодификатора используют многостенные наноуглеродные трубки марки Baytubes С 150Р, или наноалмазы детонационного синтеза, или слоистый силикат - природный монтмориллонит.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу промотирования кинетического смешивания в граничном слое в зоне нелинейной вязкости. Осуществляют подачу в технологическое оборудование полимера и наполнителя.

Изобретение относится к функционализированным диеновым каучукам с триметилолпропаном и жирной кислотой, к способу их получения и к их применению для получения протекторов автомобильных шин.

Изобретение относится к термоизоляционным вспененным изделиям и композициям для их изготовления. Термоизоляционные вспененные изделия имеют плотность от 5 до 50 г/л и теплопроводность от 25 до 50 мВт/мК.

Изобретение относится к способу получения рециклизованного бутилового ионсодержащего полимера. Способ получения рециклизованного бутилового ионсодержащего полимера содержит: а) предоставление неотвержденного исходного бутилового ионсодержащего полимера, имеющего предел прочности на разрыв при температуре окружающей среды; b) нагрев данного исходного бутилового ионсодержащего полимера до температуры от 80 до 200°С; с) помещение исходного бутилового ионсодержащего полимера в условия перемешивания с высоким сдвиговым напряжением по меньшей мере на 10 секунд; и d) охлаждение исходного бутилового ионсодержащего полимера, полученного на стадии с), до температуры окружающей среды с получением рециклизованного бутилового ионсодержащего полимера.
Изобретение относится к способу получения электропроводящих эластомерных металлсодержащих композиций. Способ включает введение формиата меди в этиленпропиленовый каучук и последующее высокоскоростное термическое разложение формиата меди в каучуке.

Изобретение относится к стойким к воздействию ионизирующего излучения полимерным композициям на основе полиолефинов и может быть использовано в производстве волокон и нетканых материалов для изготовления изделий медицинского назначения.

Изобретение относится к химии высокомолекулярных соединений, а именно касается сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), модифицированного наноразмерными частицами оксида тантала.

Изобретение относится к области переработки полимеров, а именно к области получения окрашенных композиций на основе поливинилхлорида, пригодных для изготовления изделий методом экструзии, в частности профильно-погонажных изделий строительного назначения, преимущественно сайдинга.
Изобретение относится к водному составу с красящим средством для окрашивания термопластичных формовочных масс. Состав содержит, масс.%: от 1 масс.% до 49 масс.% модифицированного полиакрилата, включающего звенья альфа-метилстирола, 2-этилгексилакрилата и метакрилата метоксиполиэтиленгликоля, в виде водного раствора с концентрацией от 48 масс.% до 52 полиакрилата, от 0,5 масс.% до 50 масс.% красящего средства или смеси красящих средств и полностью обессоленную воду.

Изобретение относится к полимерным композициям на основе полиолефинов и может быть использовано в производстве волокон и нетканых материалов для изготовления изделий медицинского назначения.

Изобретение относится к вакуумно-плазменной обработке композитов. При обработке нанокомпозитов в водородной плазме используют установку, содержащую СВЧ-печь, установленный внутри печи кварцевый реактор для размещения в нем нанокомпозитов, состоящий из корпуса в виде полого цилиндра из кварцевого стекла и установленных на его торцах с использованием вакуумного уплотнения из термостойкой резины диэлектрических фланцев с хвостовиками для соединения с вакуумными шлангами, один из которых предназначен для подачи водорода в кварцевый реактор и снабжен натекателем, а другой - для вакуумирования СВЧ-печи и реактора при помощи механического насоса.

Изобретение относится к области биомедицины, в частности к способу получения гибридных металлополимеров (софт-полимеры), которые могут быть использованы в качестве экологически безопасных биомиметических полимеров с управляемыми процессами физиологической электропроводности, а также для создания наноразмерных устройств биомолекулярной электроники.

Изобретение относится к способу получения наноструктурированного слоя на поверхности металлов в условиях звукокапиллярного эффекта. На первом этапе осуществляют горизонтальное перемещение детали со скоростью υ=(10÷100) мм/мин с обработкой алмазным кругом с заданной зернистостью Z=(125/100÷80/63) мкм на связке M2-01 с концентрацией алмазов 100% с частотой вращения n=(500÷3000) об/мин при пластической деформации поверхности глубиной h=(0,01÷0,1) мм в один проход.

Изобретение относится к технологии получения чистого наноструктурированного кремния и может быть использовано в разных областях полупроводниковой техники. Наноразмерные структуры кремния получают термическим разложением моносилана, которое проводят адиабатическим сжатием смеси 10 об.% моносилана в аргоне при начальном давлении 0,095 МПа и температуре 130°С.

Изобретение относится к области химической технологии получения композитных углерод-металлических материалов и может быть использовано при изготовлении катализаторов, сорбентов, наполнителей полимеров, фармацевтических препаратов, неподвижных хроматографических фаз.

Изобретение относится к способам получения сорбентов для хроматографического разделения фуллеренов. Проводят термическую обработку многослойных углеродных нанотрубок при 800-1000°C.

Изобретение относится к нанотехнологиям, а именно к области физики твердого тела, и может быть использовано для создания приборов медицинской диагностики нового поколения, неразрушающего контроля материалов, сканирования багажа на транспорте, поиска взрывчатых веществ по их спектральному составу, а также для целей наномикроскопии.

Группа изобретений относится к медицине и касается стабильной композиции наноструктурированного силденафила, ингибирующей цГМФ-специфичную фосфодиэстеразу типа 5 (PDEV), содержащей наноструктурированное основание силденафила или его фармацевтически приемлемые соли, имеющие средний размер частиц менее чем примерно 500 нм, стабилизатор, где композицию получают в проточном реакторе непрерывного действия на основе микроструйной техники и где композиция обладает полуаморфной структурой.
Изобретение относится к области медицины, а именно к формованному сорбенту с антибактериальными свойствами для лечения эндометрита, представляющему собой нанодисперсный мезопористый углеродный материал с удельной адсорбционной поверхностью не более 50 м2/г и прочностью на раздавливание не менее 20 кг/см2, содержащему поливинилпирролидон в количестве не менее 5,0%, характеризующемуся тем, что выполнен в виде цилиндров диаметром 2-4 мм, длиной 15-25 мм с одним внутренним каналом круглого сечения, к способу его изготовления, а также к способу лечения эндометрита.
Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к элементам электроники, состоящих из слоев и содержащих наноматериалы в своей конструкции. Технический результат - снижение размеров элементов электроники.

Изобретение относится к составам сырьевых смесей на цементной основе, применяемых для производства теплоизоляционных строительных материалов, отличающихся повышенной пожаростойкостью. Технический результат - повышение пожаростойких и прочностных характеристик при неизменной плотности, снижение теплопроводности, повышение однородности структуры и долговечности теплоизоляционного материала. Торфополимерная смесь для изготовления стеновых блоков, включающая основу в виде торфа и связующий элемент, состоит из следующих компонентов, мас.%: торф, наномодифицированный суспензией поливинилацетата и циклонной пыли газоочистки воздуха промышленных предприятий (из расчета: сухого поливинилацетата в количестве 6% от массы торфа и пыли - 2%) - 25, портландцемент ЦЕМ-II-42,5 - 35, хлорид аммония - 10, диаммонийфосфат - 10 и вода - 20. 1 табл.

Изобретение относится к области полимеров, а именно к области создания многофункциональных нанокомпозиционных материалов, и может быть использовано для получения конструкционных материалов с повышенными механическими и теплофизическими характеристиками, стойкими к агрессивным средам, например, в производстве пластиковых оболочек кабелей электротехнической промышленности, пленочных упаковочных материалов, мешков, тары, пластиковых труб. Способ получения наномодифицированного термопласта включает получение наномодифицированного связующего путем подготовки с помощью ультразвукового воздействия мощностью от 1 до 5 кВт и амплитудой от 20 до 80 мкм концентрата диспергированием частиц наномодификатора в полимерной матрице - смоле и введением полученного концентрата в связующее, после чего с последующим перемешиванием осуществляют получение наномодифицированного термопласта. В качестве полимерной матрицы используют расплав, по меньшей мере, одного термопласта с вязкостью не менее 10 сП в диапазоне температур, обусловленных условиями переработки термопласта в расплавленном состоянии, а именно от 120 до 200°С. Достигаемый технический результат заключается в получении термопластичного полимерного нанокомпозита с повышенным уровнем деформационно-прочностных характеристик. 1 з.п. ф-лы, 6 табл.

Наверх