Способ распределения наночастиц на основе углерода, при производстве нанокомпозиционных однонаправленных термопластичных лент
METHOD OF CARBON-BASED NANOPARTICLES DISTRIBUTION DURING PRODUCTION OF NANOCOMPOSITE ONE-WAY THERMOPLASTIC TAPES

Способ относится к области получения наномодифицированных полимерных композиционных материалов и может быть использован при изготовлении изделий и конструкций в машиностроительной, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и космической промышленностях.
Из существующего уровня техники известны несколько основных технологий производства однонаправленных термопластичных лент (ОТЛ). Для наполнения термопластичного полимера, могут быть применены различные способы введения наночастиц на основе углерода.
Известен способ введения фуллеренов и других частиц в раствор полимера, описанный в патенте RU2176070 C2. При пропитке из раствора, в большинстве случаев, необходимо использовать сильные растворители, такие как, например, метиленхлорид или N-метилпирролидон. Недостатками данного метода является то, что растворение полимера зачастую снижает его характеристики. Также большая сложность связана с удалением растворителя во время спекания. Кроме того, такое производство является довольно токсичным. Но основным ограничением является сложность растворения некоторых полимеров.
Известен способ введения фуллеренов и других частиц в расплав полимера, описанный в патентах US20130302605 A1, EP2632717 A1, RU2446187 C2. Пропитка из расплава является технологичным способом непрерывного производства ОТЛ, позволяющим не только использовать широкий спектр термопластичных полимеров, но и вводить различные модификаторы в расплав. Недостатком данной технологии является высокая вязкость расплава многих полимеров, которая сильно затрудняет качественную, однородную пропитку ровинга. Применение различных технологических приемов, для повышения качества пропитки, таких как перегиб пропитанного ровинга через серию валков или гребенок, снижает скорость протяжки и увеличивает нагрузку на волокно, из-за чего снижается продуктивность производства.
Известен способ введения фуллеренов и других частиц при сухом смешивании с полимером, описанный в патенте US8808580B2. Недостатки технологии пропитки сухим порошком, или в кипящем слое: отсутствие технической возможности точного регулирования концентрации порошка на волокне; взвесь порошка в воздухе на производстве небезопасна как с пожарной, так и с экологической точек зрения.
Известна технология пропитки ровинга из водной суспензии, по патентам US Patent 4680224, US Patent 4292105. Но технология имеет ряд ограничений, так как большинство полимерных порошков гидрофобные, и получить устойчивую суспензию без добавления ПАВ не представляется возможным. Если в пропиточную ванну добавлять исходные компоненты, без предварительной обработки, осаждение на ровинг углеродной и полимерной составляющих будет различным.
Наиболее близким из известных аналогов является патент WO/2010/081821, принимаемый за прототип. Существенным отличием является то, что в указанном патенте замешивание термопластичного полимера с наночастицами на основе углерода происходит либо путем осаждения, либо методом двухшнековой экструзии, что является технически более сложными процессами.
Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлен заявляемый способ, является распределение наночастиц на основе углерода, при производстве нанокомпозиционных однонаправленных термопластичных лент методом пропитки из суспензии.
Решение указанной технической проблемы достигается за счет того, что заявленный способ распределения наночастиц на основе углерода, при производстве нанокомпозиционных ОТЛ, позволяет вводить наночастицы на основе углерода в термопластичную композиционную ленту, при пропитке из водной суспензии. Суспензия может быть замешана на основе других, химически нейтральных к компонентам ОТЛ жидкостях. Модифицирующие частицы могут быть из различных материалов, с температурой плавления выше, чем температура плавления термопластичного полимера. Средний размер модифицирующих частиц в порошке составляет 80 нм.
Техническим результатом заявляемого способа, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является изменение прочностных и триботехнических характеристик изделия из ОТЛ, при введении наночастиц на основе углерода, в частности порошка фуллереновой сажи (ФС) заявляемым методом в концентрации до 2 масс. %.
Описание фигур:
Фиг. 1 - График измерения прочности с помощью трехточечного изгиба. 0% ФС - пунктирная кривая, 1% ФС - сплошная кривая, 2% ФС - штрихпунктирная кривая, 4% ФС - штриховая кривая.
На фиг. 2 изображены графики коэффициентов трения в зависимости от скорости трения и нагрузки. а, б, в, г - соответственно 0, 1, 2, 4 масс % фуллереновой сажи.
На фиг. 3 изображен график износа в зависимости от концентрации ФС.
При содержании порошка ФС от 0 до 2 масс. %, наблюдается рост значений прочности и модуля упругости изделий из ОТЛ при испытании на 3-точечный изгиб. Самый высокий уровень свойств демонстрируют образцы с содержанием ФС 2 масс. %. При этом значении предел прочности вырос на 20%, а модуль упругости на 15%, [Фиг. 1]. Введение ФС, заявляемым методом, позволяет уменьшить разброс коэффициента трения как при различных скоростях трения, так и при различных нагрузках, фиг. 2. Еще одним эффектом от введения ФС является снижение степени износа, что представлено на фиг. 3.
Суть метода состоит во введении наночастиц на основе углерода в порошковую матрицу путем замешивания сухих порошков, в присутствии поверхностно активного вещества (ПАВ), в частности лаурилсульфат натрия. Пустоты и дефекты поверхности полимера заполняются наночастицами на основе углерода и ПАВом, что позволяет получить визуально равномерное распределение наполнителя в порошке полимера, что выражается в визуальном отсутствии агломератов ФС и визуально равномерном изменении цвета порошка полимера.
Для получения вышеупомянутого полуфабриката могут быть использованы различные способы замешивания, как, например, шаровая мельница, вибромельница, «пьяная бочка» или иной метод замешивания. В зависимости от конфигурации мельницы устанавливаются необходимые параметры, при которых порошок полимера не подвергается пластической деформации, а в конце замешивания не остается визуально заметных агломератов частиц и полученный полуфабрикат имеет однородный цвет. Затем, полученная смесь полимерного порошка с наночастицами на основе углерода и ПАВ, замешивается в воде, в необходимой концентрации, для получения суспензии. В данной работе изучено влияние добавления ФС 0.5, 1, 2 и 4 масс % в полимер.
В качестве матрицы могут быть использованы такие полимеры как полиэтилен (PE), полипропилен (PP), полиамид (PA), полифениленсульфид (PPS), полиимид (PI), полиамидимид (PAI), полиэфирэфиркетон (PEEK) так и другие термопластичные полимеры, в форме порошка.
В качестве ровинга могут использоваться углеродные, стеклянные, базальтовые волокна, или другие материалы волокна с температурой плавления выше, чем у матрицы.
Примеры производства ОТЛ данным методом:
Пример 1. Суспензия на основе полиамида
1. В мельницу типа «пьяная бочка» загружаются полимерный порошок - полиамид, наночастицы на основе углерода - ФС и ПАВ - лаурилсульфат натрия в следующем соотношении: 10 грамм полимерного порошка, 2 масс. % наночастиц на основе углерода и 1 масс %. ПАВ. В качестве мелющих тел используются стеклянные шары. Замешивание производится в течение 4-х часов. Скорость вращения в районе 50-80 об/мин.
2. Полученная порошковая смесь замешивается с дистиллированной водой до получения суспензии, с концентрацией 4 г/л. Замешивание производится с помощью магнитной мешалки.
3. Дальнейшее получение ОТЛ производится методом протяжки ровинга через полученную водную суспензию.