Способ получения композиций из полимера и наноразмерных наполнителей



Способ получения композиций из полимера и наноразмерных наполнителей
Способ получения композиций из полимера и наноразмерных наполнителей
Способ получения композиций из полимера и наноразмерных наполнителей

 


Владельцы патента RU 2586979:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Восточный федеральный университет имени М.К.Аммосова" (RU)

Изобретение относится к способу получения композиции из полимера и наноразмерных наполнителей, используемой в технологиях получения полимерных композиционных материалов широкого спектра применения. Способ включает введение и смешивание наноразмерных наполнителей с полимером и сушку нанокомпозитной смеси. Все процессы проводят в условиях воздействия кавитационного поля ультразвуковых колебаний. Диспергирование наноразмерных наполнителей осуществляют в органической жидкости, такой как органические оксо- и гидроксисоединения с более низкой плотностью, чем плотность полимера. В полученную суспензию вводят полимер. Затем нанокомпозитную смесь высушивают при постепенном повышении температуры до 80°С и понижении давления от 101400 до 100 Па при непрерывном механическом перемешивании до полной отгонки органической жидкости. Технический результат - получение однородного по составу и структуре полимерного композиционного материала с улучшенными деформационно-прочностными свойствами. 6 ил.

 

Изобретение относится к способу диспергирования и введения наночастиц в полимерную порошковую матрицу, используемую для создания изделий из наномодифицированных полимерных материалов, и может быть использовано в технологиях получения полимерных композиционных материалов широкого спектра применения.

Наиболее сложным и ответственным этапом технологии получения наномодифицированных полимерных композитов является совмещение наночастиц с исходным полимерным порошком и их равномерное распределение в объеме порошковой смеси. Это связано с тем, что наночастицы из-за высокой поверхностной энергии и присутствия на поверхности функциональных групп, способных к взаимодействию, чрезвычайно склонны к образованию агломератов. При этом они теряют большую часть своей активности, необходимую для взаимодействия с объектом наномодифицирования. Силы, удерживающие частицы вместе в агломератах, представляют собой силы Вандер-ваальсова типа, которые являются доминирующими, когда расстояние между двумя частицами составляет меньше чем 10-9 м, то есть в ближней зоне (см. Feng, J.Q., and Hays, D. Powder Technology (2003) 135-136, 65-75).

Известны способы приготовления порошковой смеси из полимера с модифицирующими наноразмерными наполнителями при получении полимерных композитов, например, методом горячего прессования, заключающийся во введении наночастиц в сухой полимерный порошок и смешивании в планетарной шаровой мельнице, вибромельнице, вибросмесителе или в лопастном смесителе, затем полученную сухую порошковую смесь загружают в пресс-форму для последующего формования и спекания (см. RU №2381242, кл. C08L 23/26, В82В 1/00, опубл. 20.10.2009; RU №2476461, кл. C08L 23/06, C08K 3/22, В82В 1/00, опубл. 27.02.2013; RU №2296139, кл. C08J 5/16, C08L 23/06, опубл. 27.03.2007; RU №2520477, кл. B01F 3/18, В82В 3/00, опубл. 27.06.2014).

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ диспергирования нано- или микрочастиц и их смешения с частицами полимера (см. RU №2541496, кл. B01F 3/18, опубл. 20.02.2015), заключающийся в подаче нано- или микрочастиц с частицами полимера в зону смешения, их смешении в зоне смешения, при этом одновременно со смешением нано- или микрочастиц в зоне смешения, выполненной в виде барабана, осуществляют диспергирование нано- или микрочастиц, барабан вращают от привода на двух пространственных кривошипах со скрещивающимися под углом 25-65 градусов геометрическими осями шарниров и скрещивающимися под углом 145-178 градусов осями их вращения с отношением длины кривошипов к кратчайшему расстоянию между осями их вращения, равному отношению синусов углов скрещивания их геометрических осей шарниров для осуществления процессов диспергирования и смешения.

При этом равномерному распределению компонентов порошковой смеси с различными плотностями и размерностями, различающимися на два и более порядка величины, препятствует слипание наночастиц - образование агломератов, что приводит к формированию недостаточно однородной по пространству композиционной порошковой смеси. В результате порошковая смесь, приготовленная известными способами, имеет недостаточно высокую объемную однородность, что приводит в конечном счете к получению объемно-неоднородной по составу и структуре полимерного композита.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание способа совмещения полимера и наноразмерных наполнителей, при котором обеспечиваются эффективная дезинтеграция агломератов наночастиц, качественное перемешивание компонентов порошковой смеси и равномерное осаждение наночастиц наполнителя на поверхность полимера.

Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в получении однородной по составу и структуре полимерного композиционного материала.

Для решения поставленной задачи способ получения композиций из полимера и наноразмерных наполнителей, включающий ввод и смешивание наноразмерных наполнителей с полимером и сушку нанокомпозитной смеси, отличается тем, что все процессы проводят в условиях воздействия кавитационного поля ультразвуковых колебаний, при этом диспергирование наночастиц осуществляют в органической жидкости, в качестве которой используют органические оксо- и гидроксисоединения с более низкой плотностью, чем плотность полимера, далее в полученную суспензию наночастиц вводят полимер, после чего нанокомпозитную смесь высушивают при постепенном повышении температуры до 80°C и понижении давления, например, в автоклаве с нанокомпозитной смесью от 101400 до 100 Па, добиваясь постоянной скорости испарения органической жидкости при непрерывном механическом перемешивании до полной отгонки органической жидкости.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают улучшение деформационно-прочностных свойств полимерного композиционного материала.

На начальном этапе наноразмерные наполнители диспергируют в жидкость, имеющую более низкую плотность, чем плотность полимера (например, органические оксо- и гидроксисоединения - этанол, бутанол и др.), и находящуюся в кавитационном поле ультразвуковых колебаний. Далее в суспензию наночастиц вводят полимер. Получаемую смесь при непрерывном механическом смешивании в условиях кавитационного поля ультразвука, имеющего частоту колебаний не менее 35 кГц, нагревают и выдерживают в интервале температуры нагрева от 25°C до температуры кипения органической жидкости и давлении от 101400 до 100 Па до полной отгонки органической жидкости.

Интенсивное кавитационное поле ультразвука в жидкой дисперсной среде обеспечивает не только эффективное разрушение агломератов наночастиц, часто используемых в качестве модифицирующих наполнителей в полимерных матрицах, например оксиды, нитриды, карбиды Si, В, Al, Mg, Cu, Ni, Ti и т.д., но и способствует образованию суспензии наночастиц с их равномерным пространственным распределением в жидкой среде. Для получения качественной суспензии дисперсная жидкость должна иметь низкую вязкость, а ее плотность должна быть несколько меньше плотности, чем плотность полимера. При этом кавитационное поле ультразвука препятствует седиментации компонентов смеси в жидкой среде.

По результатам исследований соавторов заявленного решения наиболее доступным и подходящим по своим физико-химическим свойствам в качестве дисперсной среды для получения суспензии из наночастиц с полимером является этиловый спирт.

Плотность этилового спирта, в интервале рабочей температуры приготовления порошковой смеси, меньше плотности большинства полимеров. Ввод полимера в суспензию наночастиц при одновременном осуществлении трех технологических приемов - интенсивного кавитационного поля ультразвука, непрерывного механического перемешивания компонентов смеси и вакуумной отгонки дисперсной жидкости из суспензии, обеспечивает равномерное осаждение наночастиц на поверхности полимера по мере постепенного удаления жидкой фазы, что позволяет получить однородную по составу порошковую смесь. При этом интенсивное кавитационное поле ультразвука препятствует образованию агломератов наночастиц в ближней зоне и их слипанию к стенкам реактора, в то время как механическое перемешивание предотвращает появление неоднородностей в дальней зоне и образованию агломератов по мере сгущения суспензии порошковой смеси в результате испарения и отгонки жидкой фазы.

Нагрев при постепенном повышении температуры до температуры кипения жидкости, например 78-80°C для этилового спирта, и ультразвуковая обработка, помимо вакуумной отгонки способствуют ускорению выпаривания и эффективному удалению дисперсной жидкости из порошковой смеси.

Заявленное техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фигурах 1-3 показаны изображения исходного порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), полученные с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) в режиме вторичных электронов (см. фиг. 1), где показаны общий вид морфологии гранул порошка СВМПЭ, надмолекулярная структура отдельной гранулы СВМПЭ при увеличениях: ×1000 (см. фиг. 2) и ×5000 (см. фиг. 3).

На фигурах 4-6 показаны изображения, полученные с помощью РЭМ, в т.ч. поверхности гранулы СВМПЭ, полученные в режиме вторичных электронов при увеличениях: ×1000 (см. фиг. 4), ×5000 (см. фиг. 5) и ×30000 (см. фиг. 6), где показаны равномерно осажденные на поверхности СВМПЭ наночастицы SiO2.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

Осуществление способа иллюстрируется на примере приготовления порошковой смеси из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и наночастиц оксида кремния (SiO2). Для приготовления порошковой смеси использован порошок СВМПЭ марки Ticona GUR 4120 (Германия) с молекулярной массой 5,0 млн. г/моль, насыпной плотностью 0,4 г/см3 и средним размером частиц 120 мкм (см. фиг. 1-3), а также нанопорошок SiO2 марки «Таркосил-50» (производства Института теоретической и прикладной механики им. С.А Христиановича СО РАН, г. Новосибирск) со средним размером частиц 60 нм и удельной поверхностью примерно 50 м2/г. В качестве дисперсной жидкости использован этиловый спирт-ректификат (ГОСТ 5964-93).

В этиловый спирт в количестве 70 мл введен сухой нанопорошок SiO2 и диспергирован в кавитационном поле ультразвука в течение 5 мин, для чего автоклав помещают в ультразвуковую ванну, наполненную водой. После получения однородной суспензии наночастиц в спирте, находящейся под воздействием ультразвука, в реактор вводятся частицы СВМПЭ при непрерывном механическом перемешивании путем ротационного вращения автоклава с суспензией со скоростью до 280 об/мин. Концентрации наночастиц в порошковой смеси варьируются: 0,05; 0,10; 0,5; 1,0 и 2,0% при общем весе каждой сухой композиции 60,0 г.

Далее из смеси СВМПЭ и наночастиц при температуре водяной бани от 25 до 80°C постепенно выпаривается этиловый спирт при непрерывном механическом перемешивании и понижении давления в установке от 101400 (1 атм) до 100 Па до полной отгонки спирта с одновременным воздействием на суспензию ультразвуковым полем.

По мере сгущения суспензии в результате удаления дисперсной жидкости, наночастицы за счет адгезионного взаимодействия диспергируют и оседают на поверхность гранул СВМПЭ. При этом воздействие ультразвуком в сочетании с непрерывным механическим перемешиванием по мере постепенного удаления дисперсной жидкости обеспечивает равномерное распределение и осаждение наночастиц на поверхности СВМПЭ (см. фиг. 4-6). Оседанию отдельных наночастиц из суспензии порошковой смеси и их равномерному распределению также способствует «рыхлая» надмолекулярная структура гранул СВМПЭ (см. фиг. 2, 3).

Сильная тенденция наноразмерных частиц к агрегированию и образованию агломератов, а также высокая вязкость полимерного расплава является актуальной проблемой получения полимерных нанокомпозитов. Данный способ жидкофазного совмещения позволяет достичь однородной дисперсии наноразмерных частиц в полимерной матрице без изменения состава и структуры компонентов.

Основными отличительными особенностями данного способа совмещения являются «мягкость» и чистота технологических процессов, что может быть использовано в разработке материалов медицинского назначения, например, протезов и имплантов. Заявленный способ может быть использован для получения полимерных композиционных материалов широкого спектра применения.

Способ получения композиций из полимера и наноразмерных наполнителей, включающий ввод и смешивание наноразмерных наполнителей с полимером и сушку нанокомпозитной смеси, отличающийся тем, что все процессы проводят в условиях воздействия кавитационного поля ультразвуковых колебаний, при этом диспергирование наноразмерных наполнителей осуществляют в органической жидкости, в качестве которой используют органические оксо- и гидроксисоединения с более низкой плотностью, чем плотность полимера, далее в полученную суспензию вводят полимер, после чего нанокомпозитную смесь высушивают при постепенном повышении температуры до 80°С и понижении давления от 101400 до 100 Па при непрерывном механическом перемешивании до полной отгонки органической жидкости.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к пленке, которую применяют в составе разнообразных одноразовых изделий, например подгузников, гигиенических салфеток, одежды для взрослых, страдающих недержанием, перевязочного материала и т.д.
Изобретение относится к полученному литьевым формованием многослойному изделию, включающему слой композиции барьерного полимера, включающей (А) от 20 до 60 мас.% полиамидного полимера, включающего диаминный структурный блок, 70 мольных процентов или более которого являются производными мета-ксилилендиамина, и структурный блок дикарбоновой кислоты, 70 мольных процентов или более которого являются производными дикарбоновой кислоты, содержащей линейную алифатическую α,ω-дикарбоновую С4-С20-кислоту и изофталевую кислоту в молярном отношении от 30:70 до 100:0; (В) от 80 до 40 мас.% модифицированного полиолефина.

Изобретение относится к комплексным модификаторам, улучшающим свойства органического вяжущего и материалов на его основе, используемых в строительстве, таких как слои дорожной одежды, защитные, изоляционные, гидрофобные покрытия, композитные материалы и т.д.

Мембраны // 2581869
Изобретение относится к полиолефиновой мембране, пригодной для использования в гидроизоляционных приложениях. Мембрана включает слой (A) и слой (B), где слой (A) содержит композицию (i), содержащую следующие полимерные компоненты, причем все процентные величины относятся к массе: a) от 10 до 40% пропиленового гомополимера и/или сополимера, содержащего более 85% пропилена и имеющего не растворимую в ксилоле фракцию, составляющую при комнатной температуре более чем 80%; и b) от 60 до 90% одного или нескольких сополимеров α-олефина и этилена, содержащих менее чем 40% этилена и имеющих растворимую в ксилоле фракцию, составляющую при комнатной температуре более чем 70%; причем количества (a) и (b) приведены по отношению к суммарной массе (a) и (b); и слой (B) содержит этиленовый гомополимер и/или сополимер, имеющий плотность от 0,915 до 0,980 г/см3; причем указанный слой (B) по меньшей мере частично связан со слоем (A).

Описана изоляционная мембрана, предназначенная для изоляции субстратов. Изоляционная мембрана содержит термопластичный барьерный слой и нелипкий слой твердой эпоксидной смолы.

Изобретение относится к области полимеризации олефина с использованием смешанной каталитической композиции. Описан способ получения мультимодальной полиолефиновой композиции.

Изобретение относится к резиновой смеси, вулканизированной резине и шине. Резиновая смесь включает каучуковый компонент и волокно, выполненное из гидрофильной смолы.
Изобретение относится к составам, применяемым в криминалистике для оценки поражающих свойств высокоскоростных снарядов огнестрельного оружия. Компаунд - имитатор мышечных тканей человека содержит нефтяное и/или синтетическое масло, загуститель, выбранный из группы полиуретанов, полимеров и/или сополимеров этилена, пропилена, бутадиена, а также петролатум, и/или церезин, и/или парафин и в качестве антиокислительной присадки ионол в количестве не более 1 мас.%.

Изобретение относится к способу получения многомодального полиолефинового полимера и устройству для его получения. Способ получения при температурах 40-150°C и давлениях 0,1-20 МПа в присутствии катализатора полимеризации в первом и втором полимеризационных реакторах, соединенных последовательно, в котором в первом реакторе первый полиолефиновый полимер получают в суспензии в присутствии водорода и во втором реакторе второй полиолефиновый полимер получают в присутствии более низкой концентрации водорода, чем в первом реакторе, включает: a) выведение из первого реактора суспензии твердых полиолефиновых частиц в суспензионной среде, содержащей водород; b) подачу суспензии в испарительную камеру при более низком давлении, чем давление первого реактора; c) выпаривание части суспензионной среды; d) выведение обедненной водородом суспензии из испарительной камеры и подачу ее во второй реактор; e) выведение газа из газовой фазы испарительной камеры и подачу его в теплообменник; f) конденсирование части газа, выведенного из испарительной камеры; и g) возвращение жидкости, полученной в теплообменнике, в процесс полимеризации в точке, где присутствует суспензия.

Изобретение относится к изделию, а именно к силовому кабелю, включающему полупроводниковый слой, содержащий полупроводниковую полиолефиновую композицию. Композиция содержит графеновые нанопластинки, где средняя толщина графеновых нанопластинок находится в диапазоне от 1 нм до 50 нм, а их боковой диаметр составляет 200 мкм или менее, и олефиновую полимерную смолу основы.

Изобретение относится к способу получения резиновой смеси, содержащей неорганический наполнитель и имеющей улучшенную характеристику низкого выделения тепла. Способ получения резиновой смеси, которая содержит, по меньшей мере, один каучуковый компонент (А), выбранный из натурального каучука и диеновых каучуков, полученных эмульсионной полимеризацией, наполнитель, содержащий неорганический наполнитель (В), силановый связующий агент (С), по меньшей мере, один ускоритель вулканизации (D), выбранный из гуанидинов, сульфенамидов и тиазолов, и соединение органической кислоты (Е), включающее соединение органической кислоты, содержащееся в каучуковом компоненте (А), в котором резиновую смесь вымешивают на нескольких этапах; каучуковый компонент (А), весь или часть неорганического наполнителя (В), весь или часть силанового связующего агента (С), ускоритель вулканизации (D) и соединение органической кислоты (Е) вымешивают на первом этапе вымешивания, причем количество молекул X соединения органической кислоты (Е) в резиновой смеси на первом этапе относительно количества молекул Y ускорителя вулканизации (D) выражается следующей формулой 0<Х≤1,5×Y.

Изобретение относится к огнестойким расширяющимся полимеризатам, содержащим в качестве системы антипиренов комбинацию из, по меньшей мере, одного фосфорного соединения в качестве антипирена и, по меньшей мере, одного сернистого соединения в качестве дополнительного антипирена или огнезащитного синергиста, а также к способам получения таких полимеризатов и полимерных пенопластов.

Изобретение относится к загущающей композиции, характеризующейся вязкостью от низкой до умеренной, а также к косметическому средству, содержащему такую композицию.
Изобретение относится к композиции для изготовления формованием с раздувом изделий, представляющих собой бутылку, широкогорлый контейнер, канистру или бак. Композиция содержит полипропилен с индексом текучести расплава MFI (230°C, 2,16 кг) менее 2,0 г/10 мин, модуль упругости при изгибе от 1200 до 2400 МПа, плотность от 0,895 до 0,910 г/см3, полиэтилен высокой плотности и неорганический наполнитель.
Изобретение относится к способу получения вулканизованной каучуковой композиции. Способ включает стадии: (A) стадия замешивания S-(3-аминопропил)тиосерной кислоты, имеющей средний диаметр (50%D) в диапазоне от 10 до 100 мкм, каучукового компонента и наполнителя, (B) стадия замешивания замешанной смеси, полученной на стадии (A), серного компонента и ускорителя вулканизации и (C) стадия проведения для замешанной смеси, полученной на стадии (B), термической обработки.
Изобретение может быть использовано в производстве красок, пластиков, пигментов для покрытия бумаги. Способ получения водных суспензий с высоким содержанием твердого вещества включает обеспечение, по меньшей мере, одного минерального материала, получение водной суспензии, содержащей вышеуказанный минеральный материал, измельчение минерального материала и концентрирование суспензии при быстром охлаждении.
Изобретение относится к резиновой промышленности, в частности к производству вибродемпфирующих эластомерных материалов, применяемых для уменьшения или устранения вибрационных колебаний в промышленных установках, электронных приборах, в строительстве и домашнем хозяйстве.

Изобретение относится к способу получения полукристаллического полиолефина с зародышеобразователями кристаллизации посредством координационной полимеризации.

Изобретения могут быть использованы в светотехнике и оптике при изготовлении устройств освещения. Композиция предназначена в качестве связующего или для соединения оптических элементов и содержит силикат, алкилсиликат и/или алкилполисилоксан в качестве связующего материала и наночастицы со средним диаметром 100 нм или меньше в количестве 15-75% от объема композиции.

Изобретение относится к составу двухкомпонентного эпоксиполиуретанового заливочного электроизоляционного компаунда и способу его получения. Компонента «А» состоит из мономерно-олигомерной смеси полиэпоксидов, состоящей из диглицидилового эфира бисфенола А, моноглицидилового эфира бисфенола А и бисфенола А или диглицидилового эфира бисфенола А, моноглицидилового эфира бисфенола А, бисфенола А и продукта присоединения 1 моля моноглицидилового эфира бисфенола А к 1 молю диглицидилового эфира бисфенола А, полиолов, состоящих из смеси триглицеридов рицинолевой, стеариновой, олеиновой, линолевой и линоленовой кислот, технологической добавки, дисперсного минерального наполнителя и красителя.

Изобретение касается способа получения катетера, включающего гидрофильный гель. Способ включает этапы объединения полимерного фотоинициатора общей формулы R1(A1)r-(R2(A2)m-O)o-(R3(A3)n-O)p-R4(A4)s с одним или несколькими гелеобразующими полимерами и/или гелеобразующими мономерами с образованием матричной композиции.
Наверх