СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С НАНОНАПОЛНИТЕЛЯМИ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PRODUCING POLYMER COMPOSITE MATERIALS WITH NANO-FILLERS AND UNIT FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к полимерным композиционным материалам с нанонаполнителями, полученным способом дезагрегации наноразмерных частиц для применения их в качестве модифицирующих добавок и модифицирования материала.
Известен способ получения композиционных покрытий, включающий дезагрегирование наноразмерных частиц и модифицирование материала, при котором водную суспензию, содержащую 1-5% детонационных наноалмазов, для дезагрегации подвергают обработке на роторно-пульсационной или ультразвуковой установке или на дезинтеграторе, нагревают 2 часа в 15% растворе соляной кислоты с отмывкой осадка от избытка кислоты до значений pH 3,5-6,0, затем обрабатывают 2 часа 0,5-2% раствором натриевой щелочи с последующим удалением избытка щелочи до значений pH 6,0-8,0. (Патент РФ №2357017, МПК C25D 15/00, опубликован 27.05.2009 г.)
Известен способ получения полимерного нанокомпозита (патент РФ №2446187, МПК C01J 3/20, В82В 3/00, опубликован 27.12.2011 г.), наиболее близкий к заявленному способу и устройству для его реализации и принятый за прототип, включающий разбиение агрегатов наночастиц, который осуществляют следующим образом. Осуществляют смешение термопласта с наполнителем - наноалмазом детонационного синтеза на лабораторном смесителе червячно-плунжерного типа в расплаве термопласта в режиме упругой неустойчивости. При этом разрушение агрегатов наночастиц происходит за счет энергии, выделяющейся при схлопывании кавитационных пузырьков, образующихся в условиях, когда нормальные напряжения достигают предела когезионной прочности расплава. Смешение термопласта с наполнителем - наноалмазом детонационного синтеза осуществляют в расплаве термопласта в режиме упругой неустойчивости. При этом поток расплава можно представить в виде «трубок», а наполнитель локализуется между ними. Увеличение скорости сдвига приводит к возникновению крутильных и поперечных мод движения «трубок», что способствует гомогенизации материала. Смешение осуществляют при температуре 190-200°C. В описанном способе процессы дезагрегирования наноразмерных частиц и модифицирования материала наноразмерными частицами совмещены.
В качестве прототипа устройства для осуществления способа принят смеситель червячно-плунжерного типа, который содержит основание с реактором и загрузочным отверстием, приводимым в движение с помощью электродвигателя через редуктор, систему обогрева реактора, где смешение осуществляют в расплаве полимера при температуре 190-200°C в режиме упругой неустойчивости при больших скоростях сдвига (патент РФ №2446187, МПК C01J 3/20, В82В 3/00, опубликован 27.12.2011 г.).
Недостатками известного способа получения композиционного материала с нанонаполнителями и устройства для его реализации является необходимость перевода термопластичного материала в расплав, необходимость выхода на определенный режим, обеспечивающий качественное перемешивание, высокие температуры, которые не позволяют перерабатывать все материалы, большие энергетические затраты.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в упрощении процессов дезагрегации наноразмерных частиц и модифицирования полимерного материала наноразмерными частицами и снижение энергетических затрат.
Технический результат достигается тем, что в способе получения полимерных композиционных материалов с нанонаполнителями, включающем дезагрегацию наноразмерных частиц, путем разбиения агрегатов наноразмерных частиц и последующее модифицирование полимерного материала наноразмерными частицами, новым является то, что разбиение агрегатов наноразмерных частиц проводят посредством сухого шаржирования шаржирующей массой, путем вращения в реакторе, после чего загружают в реактор полимерный материал и модифицирование его дезагрегированными наноразмерными частицами осуществляют посредством сухого шаржирования шаржирующей массой, путем вращения в вышеупомянутом реакторе сначала в твердом агрегатном состоянии, а затем нагревают полимерный материал до перехода его в высокоэластическое состояние и продолжают модифицировать с последующей обработкой поверхностно-активным веществом.
Время дезагрегации выбирают в зависимости от природы наноразмерных частиц. Перевод материала в высокоэластическое состояние осуществляют нагреванием до температуры, значение которой определяется температурой перехода модифицируемого материала в высокоэластическое состояние. Время модифицирования материала в твердом агрегатном состоянии и в высокоэластическом состоянии зависит от природы наноразмерных частиц и модифицируемого материала.
Технический результат достигается тем, что в установке для получения полимерных композиционных материалов с нанонаполнителями, содержащей размещенные на основании реактор с загрузочным отверстием, соединенный с электродвигателем через редуктор, систему обогрева реактора с панелью управления, новым является то, что основание, выполнено в виде рамы с валом, на котором жестко закреплен реактор, вал рамы соединен с редуктором через муфту и оснащен токосъемником кольцевым, электродвигатель соединен с устройством для изменения числа оборотов двигателя с частотным преобразователем и индикацией числа оборотов на валу, кроме того, реактор имеет впускной клапан, снабжен вакуумным насосом и соединен с электронасосом, соединенным с преобразователем сигнала и с аккумулятором.
Система обогрева реактора представляет собой обогреватель керамический, соединенный с устройством для изменения температуры реактора с термодатчиком и индикацией температуры в реакторе, при этом панель управления соединена с вышеупомянутым термодатчиком реактора.
На фиг.1 представлена схема установки для получения полимерного композиционного материала с нанонаполнителями.
На фиг.2 представлено устройство для изменения температуры реактора с термодатчиком и индикацией температуры в реакторе.
На фиг.3 представлено устройство для изменения числа оборотов двигателя с индикацией числа оборотов на валу.
Установка для осуществления способа (фиг.1) содержит основание, выполненное в виде рамы 1 с валом, на котором жестко закреплен реактор 2. В реакторе 2 имеется загрузочное отверстие (на чертеже не показано), через которое осуществляют загрузку наноразмерных частиц, модифицируемого материала и шаржирующей массы, представляющей собой, например, полые керамические шарики, с наружным диаметром, например, 30 мм, с внутренним диаметром, например, 20 мм, содержащие внутри, например, керамические шарики диаметром, например, 15 мм. На раме 1 закреплен электродвигатель 3. Вал рамы 1 соединен с редуктором 4, через муфту 5, оснащен токосъемником 6. Электродвигатель 3 соединен с редуктором 4 и с устройством 7 для изменения числа оборотов двигателя 3 с индикацией числа оборотов на валу (фиг.3).
Система обогрева реактора представляет собой обогреватель керамический 8, позволяющий изменять температуру в диапазоне от 0 до 200°C, соединенный с устройством 9 для изменения температуры реактора 2 с термодатчиком 10 и индикацией температуры в реакторе 2 (фиг.2), которая соединена с термодатчиком 10 реактора 2. В реакторе 2 имеется впускной клапан 11 для подачи воздуха, насос вакуумный 12 для отвода паров воды, реактор 2 соединен с электронасосом 13 для впрыска поверхностно-активных веществ, соединенным с преобразователем сигнала 14 для дистанционного пуска электронасоса 13 и с аккумулятором 15 для питания электронасоса 13. Устройство 9 для изменения температуры реактора 2 с термодатчиком 10 и индикацией температуры в реакторе 2 (фиг.2) представляет собой панель управления 16, содержащую выключатель автоматический 17, служащий для защиты от короткого замыкания и перегрузок электросети, соединенный с измерителем регулятором цифровым 18, который необходим для индикации текущей температуры и регулирования и поддержания постоянной температуры в реакторе 2. Измеритель регулятор цифровой 18 соединен с термодатчиком 10 через токосъемник кольцевой 6, передающий сигнал между вращающимися деталями. Измеритель регулятор цифровой 18 и выключатель автоматический 17 соединены с контактором 19, служащим для коммутации слабоиндуктивных нагрузок. Параллельно с ним соединена лампа включения 20 обогревателя керамического 8, информирующая о работе обогревателя керамического 8, соединенного с контактором 19 через токосъемник кольцевой 6. Выключатель автоматический 17 соединен с выключателем 21 насоса вакуумного 12, служащим для отключения насоса вакуумного 12 от питания электрической сети. Параллельно к выключателю автоматическому 17 подсоединена лампа включения 22 насоса вакуумного 12, информирующая о работе насоса вакуумного 12. Насос вакуумный 12 подключен к электрической сети через токосъемник кольцевой 6.
Устройство 7 для изменения числа оборотов двигателя с индикацией числа оборотов на валу (фиг.3) представляет собой панель управления 23, которая содержит выключатель автоматический 24, соединенный с контактором 25. Контактор 25 соединен с частотным преобразователем 26 и с выключателем управления 27 частотного преобразователя 26, включающим частотный преобразователь 26. Частотный преобразователь 26 соединен с электродвигателем 3 и позволяет регулировать частоту трехфазного напряжения питания электродвигателя 3, изменяя при этом частоту вращения электродвигателя 3.
Работает установка для реализации предлагаемого способа следующим образом. Открывают крышку реактора 2 (фиг.1), в котором находится шаржирующая масса, и загружают расчетное количество наноразмерных частиц. Закрывают крышку реактора 2. Подключают к сети питания панель управления 23 (фиг.3). При включении автоматического выключателя 24 замыкается цепь контактора 25, при этом включается частотный преобразователь 26. Затем с помощью частотного преобразователя 26 задают необходимое число оборотов электродвигателя 3 с пульта управления устройства 7 для изменения числа оборотов двигателя 3 с индикацией числа оборотов на валу. При этом вращение передается от электродвигателя 3 к редуктору 4, далее через муфту 5 на вал рамы 1. Во время вращения происходит разбиение агрегатов наноразмерных частиц посредством сухого шаржирования шаржирующей массой на индивидуальные частицы за счет соударения шариков шаржирующей массы друг об друга и об стенки реактора 2. При этом скорость протекания процесса, а также его параметры (скорость вращения реактора, время протекания процесса) зависят от природы наноразмерных частиц. После завершения процесса дезагрегации останавливают реактор 2, проводят выдержку в вертикальном положении.
Загружают в реактор 2 модифицируемый материал, в емкость, соединенную с электронасосом 13, заливают расчетное количество поверхностно-активного вещества, включают электродвигатель 3 вращения реактора 2. Модифицирование материала дезагрегированными наноразмерными частицами проводят сначала в твердом агрегатном состоянии, например, при комнатной температуре, при этом наноразмерные частицы равномерно распределяются на поверхности модифицируемого материала, а затем переводят материал в высокоэластическое состояние, для чего включают обогрев реактора 2 и выставляют необходимую температуру. Для этого панель управления 16 (фиг.2) подключают к электросети, далее включают автоматический выключатель 17, при этом включается измеритель регулятор цифровой 18. Сигнал от термодатчика 10 поступает в измеритель регулятор цифровой 18. Если текущая температура реактора 2 ниже требуемой, то измеритель регулятор цифровой 18 замыкает цепь контактора 19, вследствие чего включается обогреватель керамический 8 и осуществляется обогрев реактора 2 до нужной температуры. При включении обогревателя керамического 8 загорается лампа включения 20 обогревателя керамического 8. При достижении требуемой температуры измеритель регулятор цифровой 18 размыкает цепь контактора 19 и обогреватель керамический 8 отключается от питания сети. Перевод материала в высокоэластическое состояние способствует закреплению наноразмерных частиц в модифицируемом материале. Продолжительность процесса модифицирования материала в высокоэластическом состоянии зависит от природы материала, при этом происходит закрепление наноразмерных частиц в поверхности размягченного материала. По истечении заданного времени обогрев выключают, а реактор 2 продолжает вращаться. Затем проводят обработку поверхностно-активным веществом, чтобы закрепить наноразмерные частицы в модифицируемом материале. Для этого включают с пульта дистанционного управления электронасоса 13 впрыск поверхностно-активного вещества, для предотвращения отделения наноразмерных частиц от модифицируемого материала. Для удаления паров влаги и снижения температуры в реакторе 2 до комнатной, включают насос вакуумный 12. Во избежание образования вакуума в реакторе 2 имеется впускной клапан 11 для подачи воздуха. Управление работой насоса вакуумного 12 осуществляют через выключатель 21 насоса вакуумного 12 (фиг.2). Включают выключатель 21 насоса вакуумного 12, при этом ток поступает через токосъемник кольцевой 6 к насосу вакуумному 12 и включает его. При включении насоса вакуумного 12 загорается лампа включения 22 насоса вакуумного 12. По истечении указанного времени отключают насос вакуумный 12 с помощью выключателя 21 насоса вакуумного 12.
Затем открывают крышку реактора 2 и осуществляют выгрузку модифицируемого материала при повороте реактора 2 загрузочным отверстием вниз, осуществляемом с пульта управления устройства 7 для изменения числа оборотов электродвигателя 3 с индикацией числа оборотов на валу.
Пример
Открывают крышку реактора 2 (фиг.1), в котором находится шаржирующая масса, и загружают расчетное количество наноразмерных частиц, углеродные наномасштабные, квазиодномерные, нитевидные образования поликристаллического графита. Объем реактора 2, например, 5 литров. Керамические шарики шаржирующей массы, в количестве 30 штук, обработаны пыле- и водоотталкивающим составом, фторсодержащими поверхностно-активными веществами. Закрывают крышку реактора 2. Подключают к сети питания панель управления 23 (фиг.3). Включают автоматический выключатель 24, замыкающий цепь контактора 25, при этом включается частотный преобразователь 26. Затем с помощью частотного преобразователя 26 задают необходимое число оборотов электродвигателя 3, 30 об/мин с пульта управления устройства 7 для изменения числа оборотов двигателя 3 с индикацией числа оборотов на валу. При этом вращение передается от электродвигателя 3 к редуктору 4, далее через муфту 5 на вал рамы 1. Вращение осуществляют в течение, например, трех минут, при этом происходит разбиение агрегатов наноразмерных частиц посредством сухого шаржирования шаржирующей массой на индивидуальные частицы за счет соударения шариков шаржирующей массы друг об друга и об стенки реактора 2. После завершения процесса дезагрегации останавливают реактор 2, проводят выдержку в вертикальном положении в течение 5 минут.
Загружают в реактор 2 модифицируемый материал гранулы полиэтилена в объеме 3 литра (во избежание образования мертвых зон в реакторе 2), в емкость, соединенную с электронасосом 13, заливают расчетное количество поверхностно-активного вещества, раствор поливинилацетата в воде. Включают электродвигатель 3 вращения реактора 2-42,5 об/мин. Модифицирование полимерного материала дезагрегированными наноразмерными частицами проводят сначала в твердом агрегатном состоянии, например, при комнатной температуре в течение двух минут. А затем переводят материал в высокоэластическое состояние, для чего включают обогрев реактора 2 и выставляют температуру 75°C. Для этого панель управления 16 (фиг.2) подключают к электросети, далее включают автоматический выключатель 17, при этом включается измеритель регулятор цифровой 18. Сигнал от термодатчика 10 поступает в измеритель регулятор цифровой 18. Если текущая температура реактора 2 ниже требуемой, то измеритель регулятор цифровой 18 замыкает цепь контактора 19, вследствие чего включается обогреватель керамический 8 и осуществляется обогрев реактора 2 до нужной температуры. При включении обогревателя керамического 8 загорается лампа включения 20 обогревателя керамического 8. При достижении требуемой температуры измеритель регулятор цифровой 18 размыкает цепь контактора 19 и обогреватель керамический 8 отключается от питания сети. Модифицирование продолжают в течение 1 минуты дезагрегированными наноразмерными частицами посредством сухого шаржирования шаржирующей массой. После чего обогрев выключают, а реактор 2 продолжает вращаться в течение 2 минут. Затем проводят обработку поверхностно-активным веществом. Для этого включают с пульта дистанционного управления электронасоса 13 впрыск поверхностно-активного вещества по две-три секунды с перерывами, для предотвращения отделения наноразмерных частиц от модифицируемого материала. Для удаления паров влаги и снижения температуры в реакторе 2 до комнатной включают насос вакуумный 12, продолжают процесс в течение 5-7 минут. Во избежание образования вакуума в реакторе 2 имеется впускной клапан 11 для подачи воздуха. Управление работой насоса вакуумного 12 осуществляют через выключатель 21 насоса вакуумного 12 (фиг.2). Выключателем 21 приводят в действие насос вакуумный 12, при этом ток поступает через токосъемник кольцевой 6 к насосу вакуумному 12 и включает его. При включении насоса вакуумного 12 загорается лампа включения 22. По истечении указанного времени отключают насос вакуумный 12 с помощью выключателя 21.
Затем открывают крышку реактора 2 и осуществляют выгрузку модифицируемого материала при повороте реактора 2 загрузочным отверстием вниз, осуществляемом с пульта управления устройства 7 для изменения числа оборотов электродвигателя 3 с индикацией числа оборотов на валу.
Таким образом, в предлагаемом способе и установке для его осуществления дезагрегацию наноразмерных частиц, путем разбиения агрегатов наноразмерных частиц, и последующее модифицирование материала наноразмерными частицами осуществляют посредством сухого шаржирования шаржирующей массой, а перевод термопластичного материала в высокоэластическое состояние осуществляют при температуре, значение которой определяется температурой перехода модифицируемого материала в высокоэластическое состояние, что значительно упрощает технологию получения полимерных композиционных материалов с нанонаполнителями и снижает энергетические затраты.