Способ получения нанокомпозиционного материала на основе неполярных или слабополярных полимеров и нанонаполнителя

Способ получения нанокомпозиционного материала на основе неполярных или слабополярных полимеров и нанонаполнителя

Реферат

Область применения

Изобретение относится к области полимеров, а именно к области создания многофункциональных нанокомпозиционных материалов, и может быть использовано в упаковочной (изготовление упаковочной тары), кабельной (негорючая изоляция электропроводов) и других отраслях промышленности.

Уровень техники.

Анализ уровня техники однозначно свидетельствует о том, что одним из наиболее перспективных направлений развития современной химической технологии является производство и использование материалов, содержащих микро- и наночастицы, в частности микро- и нанокомпозитов на основе органического полимера и неорганического наполнителя. При уменьшении размеров частиц вещества до нанометрового диапазона радикально изменяются его свойства, что объясняется высокой удельной поверхностью наночастиц. Сведения, приведенные в найденных источниках информации, свидетельствуют о том, что полимерные композиции, содержащие небольшое количество микро- и наночастиц в виде наполнителя, обладают новым уровнем физико-химических, механических и других свойств. В частности, полимерные композиции, включающие несколько процентов монтмориллонита (природного слоистого силиката) в качестве наполнителя, в котором толщина каждого слоя находится в нанометровом диапазоне, имеют высокие показатели огнестойкости, механических и барьерных свойств. Однако особые свойства микро- и наночастиц наполнителя (избыточная поверхностная энергия) создают трудности при получении композиционных материалов. Преодоление несовместимости полимерной основы и наполнителя является основной задачей разработчиков, микро- и нанокомпозиционных материалов.

В ряде патентов эта задача решается путем модификации органическим веществом слоистого наполнителя, что позволяет ему хорошо диспергироваться в полимере. Молекулы органического вещества-модификатора в процессе такой обработки интеркалируют в частицы наполнителя с образованием структуры типа «гость-хозяин». Выявлены патенты, поставленная задача в которых решается путем замещения неорганических катионов внутри прослоек частиц силикатного наполнителя ионами катионных поверхностно-активных веществ (ПАВ), в частности ионами аммония и фосфония. Приведенные в патентах данные свидетельствуют о том, что такая модификация слоистого силиката приводит к увеличению пространства между его слоями, а также к гидрофобизации и органофилизации поверхности слоев и, как результат, к преодолению несовместимости наполнителя и полимерной (полиолефиновой или полиэфирной) основы [1].

Кроме того, ряд патентов направлен на модификацию слоистых силикатов неионными ПАВ, которые также устраняют несовместимость полимера с наполнителем [2].

Микро- и нанокомпозиты с использованием модифицированных слоистых наполнителей получают смешением полимера с модифицированным наполнителем в расплаве или экструзией.

Источники информации

1. Патент RU №2269554, опубликованная заявка RU №2005121138, опубликованная заявка RU №2003117463

2. Патент US 7514490 В2 07 апреля 2009 года

Сущность изобретения

Предложен расплавный способ получения нанокомпозиционного материала из неполярных или слабополярных полимеров, крупнотоннажно выпускаемых отечественной промышленностью, отличающийся тем, что перед процессом получения нанокомпозита типа полиолефин/слоистый силикат расплавным способом проводится специальная обработка полиолефина в интенсивных силовых полях. При этом изменяется кристаллическая структура порошков полиэтилена и образуется сильноориентированный расплав, кристаллизация которого идет по механизму случайного зародышеобразования, по крайней мере, двух типов кристаллитов. Что подтверждается данными, полученными методами рентгеновского рассеяния в малых и больших углах дифракции.

Обработка полимера в интенсивных силовых полях заключается в том, что полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) марки 15803-020 измельчают на одношнековом диспергаторе (высокотемпературная сдвиговая деформация) с тремя температурными зонами. Температура 1-й зоны 180°С. Температура 2-й зоны 240°С. В 3-й зоне экструдат охлаждается до 70°С. На конце шнека температура охлаждения комнатная. Экструдат после диспергатора получается в виде порошка. Для приготовления нанокомпозитов полученный порошок полимера предварительно просеивают на стандартном наборе сит и отбирают фракцию ≤0.63 мм. После этого отобранную фракцию обработанного полимера смешивают с глиной марки Cloisite 20 А, представляющей из себя природный монтмориллонит, модифицированный четвертичной аммониевой солью. Предварительное смешение проводят при комнатной температуре в аппарате типа «пьяной бочки», затем полученную смесь пропускают повторно через диспергатор, при тех же условиях, что и при получении специальным образом обработанного в интенсивных силовых полях полимера: смесь проходит три температурные зоны и выходит из диспергатора через конец шнека, охлаждаемого 3-мя металлическими кольцами с проточной водопроводной водой.

Для определения физико-механических свойств из полученного нанокомпозита прессуют пластины толщиной 0.3-0.5 мм под давлением 10 МПа при температурах 130°C, 140°C, 160°C, 180°C в течение 10 мин по ГОСТ 12019-66 в открытой пресс-форме типа ограничительной рамки. Для предотвращения прилипания нанокомпозита при прессовании к поверхности пресс-формы используют прокладки из непластифицированной триацетатной или целлюлозной пленки по ГОСТ 7730-89 или алюминиевой фольги по ГОСТ 618-73 толщиной (0,075±0,025) мм. Из пластин вырубаются лопатки стандартных размеров. Механические испытания проводят на машине Instron-1122 в режиме растяжения при скорости перемещения верхнего траверса 5 мм/мин и комнатной температуре. Полученные физико-химические показатели по влиянию измельчения ПЭНП на свойства полученного материала приведены в таблицах 1-4.

Таблица 1
Физико-механические параметры исходного ПЭНП марки 15803-020 и подвергнутого экструзионному измельчению при Тпр=160°C
Материал	EH, МПа	εp, %	σp, МПа
Исходный	181	478	9.0
Измельченный	197	277	10.2

Таблица 2
Физико-механические параметры композитов
Материал	Ен, МПа	εp, %	σp, МПа
Исходный, гранулир.	78	693	15.6
Измельченный	84	620	14.8
ПЭ + 10% глины	103	549	13.7

Таблица 3
Физико-механические параметры композитов в зависимости от количества наполнителя
Материал	EH, МПа	, МПа	, %	σp, МПа	εp, %
ПЭ 100%	160	8.3	63.8	12.1	437
ПЭ + 2.5% гл.	198	8.3	60.6	10.4	318
ПЭ + 5.0% гл.	210	7.9	57.4	9.0	271
ПЭ + 7.5% гл.	272	8.1	50.1	9.3	278
ПЭ + 10% гл.	277	7.9	55.2	8.4	223
ПЭ + 27.5% гл.	342	7.9	14.5	7.7	127

Таблица 4
Физико-механические параметры композитов в зависимости от количества наполнителя
ПЭ после экструдера + Cloisite 20А (%)	Модуль упругости, МПа	Предел текучести, МПа	Прочность, МПа	Удлинение, %
При пределе текучести	При разрыве
ПЭ	87	8.3	11.8	90	565
1	117	8.6	12.1	85	544
3	129	8.7	11.0	102	454
5	178	10.3	13.5	90	512
10	164	9.3	10.6	143	376
15	233	9.5	10.8	60	246

Способ получения нанокомпозиционного материала, включающий смешение в расплаве полиэтилена низкой плотности и слоистого силиката, отличающийся тем, что перед смешением в расплаве полиэтилен низкой плотности предварительно подвергают высокотемпературному сдвиговому измельчению в одношнековом диспергаторе с тремя температурными зонами, при температуре в 1-й зоне 180°С, 2-й зоне 240°С и 3-й зоне 70°С, при этом полиэтилен низкой плотности изменяет свою кристаллическую структуру, в качестве слоистого силиката используют природный монтмориллонит, модифицированный четвертичной аммониевой солью, при соотношении компонентов, мас.%:

полиэтилен низкой плотности	90-99
модифицированный монтмориллонит	10-1