СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF OBTAINING NANOMODIFIED POLYMER MATERIALS

Данное изобретение относится к способу получения полимерных материалов с целью введения наночастиц в полимерную матрицу, используемую для создания изделий из модифицированных полимерных материалов, и может быть использовано в устройствах серийного производства полимерных изделий.
Предпосылкой создания изобретения является необходимость получения исходных модифицированных полимерных материалов (МПМ) с требуемыми свойствами, пригодных для изготовления изделий с улучшенными свойствами в различных областях техники и промышленности.
Известны способы получения полимерных материалов с целью введения наночастиц в полимерную матрицу.
Существует способ [Патент на изобретение Ru 2428402 от 29.09.2009, Польский Юрий Ехилевич, Михайлов Сергей Анатольевич, Амирова Лилия Миниахметовна, Данилаев Максим Петрович] диспергирования нано- и микрочастиц, их смешения с частицами полимера и закрепления на поверхности частиц полимера с целью введения нано- или микрочастиц в полимерную матрицу, используемую для создания изделий из модифицированных полимерных материалов, которые могут быть использованы в устройствах серийного производства указанных изделий. Реализация данного способа достигается тем, что смешение отдельных нано- или микрочастиц происходит в газовой среде, при этом конгломераты нано- или микрочастиц вводятся в поток газа. Полученная смесь ионизируется, и конгломераты нано- или микрочастиц заряжаются, затем диспергируются на отдельные заряженные нано- или микрочастицы. Одновременно частицы полимера вводятся в другой поток газа, полученная смесь также ионизируется, при этом частицы полимера заряжаются противоположным по знаку зарядом относительно заряда нано- или микрочастиц. Затем раздельные двухфазные газовые потоки смешиваются, при этом нано- или микрочастицы осаждаются на частицах полимера за счет электростатического взаимодействия между заряженными противоположными по знаку зарядами нано- или микрочастиц и частиц полимера. Закрепление нано- или микрочастиц на полимерном материале осуществляется за счет воздействия электромагнитным полем на частицы полимера вместе с осажденными на их поверхности частицами. Производство изделий из модифицированного полимерного материала осуществляется стандартным способом, например с использованием экструдера с последующей формовкой деталей.
Существует способ [Патент на изобретение RU 2446187 от 17.06.2010, Карбушев Валерий Валерьевич, Семаков Александр Васильевич, Куличихин Валерий Григорьевич] получения полимерного нанокомпозита, включающий смешение термопласта с наполнителем - наноалмазом детонационного синтеза, указанное смешение осуществляют в расплаве термопласта в режиме упругой неустойчивости, для чего выбирают температуру и напряжение сдвига, обеспечивающие значение числа Вайссенберга не менее 10, при следующем соотношении компонентов, мас.%: термопласт 95,0-99,5; наноалмаз детонационного синтеза 0,5-5,0.
Существует способ получения полимерных материалов [Заявка на изобретение RU 2002135374 от 20.07.2004, Григорьев Евгений Иванович (Кардаш Игорь Ефимович, Чвалун Сергей Николаевич, Пебалк Андрей Владимирович, Завьялов Сергей Алексеевич], выбранный в качестве прототипа, содержащих наночастицы металлов, путем совместной конденсации в вакууме на подложке паров параксилилена (его производных или смесей), получаемых из циклофана и его производных, отличающийся тем, что соконденсация проводится с парами металлов (или их смесей), получаемых пиролизом карбонилов металлов (или их смесей).
Приведенный в качестве прототипа способ имеет ряд недостатков. Основными недостатками являются:
- недостаточный контроль процесса получения наномодифицированного материала;
- невозможность нанесения на одну частицу определенного количества мономера.
Решаемая техническая задача изобретения заключается в повышении степени контроля структуры наномодифицированного полимерного материала благодаря конденсации мономера на поверхности наночастиц.
Решаемая техническая задача в способе получения наномодифицированных полимерных материалов, включающем конденсацию паров мономера, достигается тем, что вещество мономер предварительно нагревают до температуры кипения, далее пары мономера подают в газовый канал, тем самым создавая первый двухфазный поток, включающий газ и пары мономера, затем первый двухфазный поток подают в камеру смешения, одновременно во второй газовый канал подают охлажденные до температуры не менее 0 градусов по Цельсию наночастицы, создавая тем самым второй двухфазный поток, который также подают в камеру смешения одновременно с первым двухфазным потоком, а конденсацию паров мономера стирола на наночастицах получают в камере смешения, устанавливая температуру стенок которой не ниже температуры кипения мономера, процесс смешения двух двухфазных газовых потоков осуществляют не менее 0,1 с, в результате чего получают конденсат частиц мономера на поверхности наночастиц, который далее полимеризуют до твердого состояния.
На чертеже изображен схематичный чертеж установки для осуществления предложенного способа. Установка для осуществления способа получения наномодифицированных полимерных материалов содержит: баллон 1, редуктор 2, манометр 3, ресивер 4, краны 5, 6, газовые каналы 7, 8, манометры 9, 10, эжектор для паров мономера 11, эжектор для наночастиц 12, горелку 13, датчик температуры 14, холодильник 15, датчик температуры 16, камеру смешения 17, горелку 18, датчик температуры 19, камеру полимеризации 20, ультрафиолетовые лампы 21, электростатический фильтр 22.
Баллон 1 соединен с редуктором 2, к которому подсоединен манометр 3, далее подключают ресивер 4, к которому через краны 5 и 6, подсоединяют газовые каналы 7 и 8, к газовым каналам подсоединяют манометры 9 и 10. Газовый канал 7 подсоединяют к эжектору для паров мономера 11, а газовый канал 8 подсоединяют к эжектору для наночастиц 12. Эжектор для паров мономера 11 устанавливают на горелку 13, к эжектору подсоединен датчик температуры 14, а к эжектору для наночастиц 12 подсоединяют холодильник 15, на который установлен датчик температуры 16. Оба эжектора 11 и 12 подсоединяют к камере смешения 17, под которой установлена горелка 18, на камере смешения 17 установлен датчик температуры 19. К камере смешения 17 подсоединяют камеру полимеризации 20, на которой закреплены ультрафиолетовые лампы 21, далее к камере полимеризации подсоединяют электростатический фильтр 22.
Из баллона 1 через редуктор 2 подается газ, например азот, под давлением, давление регулируется и выставляется при помощи манометра 3, далее газ попадает в ресивер 4, далее открывают краны 5 и 6 и газ попадает в первый газовый канал 7 и во второй газовый канал 8. Давление в газовых каналах выставляется при помощи манометров 9 и 10. Далее газ подается в эжектор для мономера 11, создавая первый двухфазный поток. Эжектор 11 содержит мономер, например стирол (Энциклопедия полимеров. Том 3, Ред. коллегия: В.А. Кабанов (глав. ред.) и др. Т.3. П-Я. М., Сов. Энц., 1977. 1152 стр., ил.], находящийся в жидком состоянии, причем внутри эжектора создают температуру выше температуры кипения стирола, т.е. выше 146 градусов по Цельсию, благодаря чему мономер закипает и образуются пары. Одновременно газ подается в эжектор для наночастиц 12 и создается второй двухфазный поток. В качестве наночастиц используются углеродные нанотрубки [Рамбиди Н.Г. Физические и химические основы нанотехнологий / Н.Г. Рамбиди, А.В. Березкин. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 456 с.]. Необходимая температура мономера создается и поддерживается при помощи горелки 13. Температуру в эжекторе для мономера 11 контролируют при помощи датчика температуры 14. Эжектор 12 для наночастиц содержит холодильник 15, с помощью которого охлаждаются наночастицы до 0 градусов по Цельсию, и датчик температуры 16, с помощью которого контролируется температура. Далее два двухфазных потока попадают в общую камеру смешения 17. Температура стенок камеры смешения выставляется, например, 150 градусов по Цельсию. Это необходимо для того, чтобы пары мономера не полимеризовались на стенках камеры смешения. Камера смешения изготавливается из теплопроводного материала. Температура поддерживается при помощи горелки 18 и контролируется при помощи датчика температуры 19. Далее два двухфазных потока перемешиваются в камере смешения, благодаря чему пары мономера стирола конденсируются на углеродных нанотрубках за счет разницы температур, смешение осуществляется не менее 0,1 с, после чего смесь попадает в камеру полимеризации 20. Смешение длится более 0,1 секунды, поскольку именно за это время можно произвести конденсацию мономера на поверхности наночастиц. Камера изготовлена из кварцевого стекла. Полимеризацию осуществляют под воздействием ультрафиолетового излучения за счет шестнадцати ультрафиолетовых ламп 21. Кварцевое стекло пропускает ультрафиолет, за счет чего инициируется реакция радикальной полимеризации, благодаря которой частицы мономера стирола полимеризуются на центрах конденсации - углеродных нанотрубках. После полимеризации мономера образуется порошок, который отлавливается при помощи электростатического фильтра 22. Таким образом, по сравнению с прототипом, за счет контроля разницы температур наночастиц и мономера в камере смешения обеспечивается контроль структуры наномодифицированного материала.