СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОСТАБИЛЬНОГО НАНОКОМПОЗИТНОГО ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТНОГО ВОЛОКНА
METHOD OF OBTAINING THERMALLY STABLE NANOCOMPOSITE POLYETHYLENETEREPHTHALATE FIBRE

Изобретение относится к химии и технологии полимеров и касается способов получения термостабильного нанокомпозитного волокна, которое может найти применение в текстильной промышленности, в строительстве, а также в других отраслях промышленности.
Из уровня техники известен способ получения модифицированных полимерных изделий на основе полиэтилентерефталата (ПЭТФ) (например, US 2009/088512), в котором смешивают ПЭТФ с добавкой-модификатором и формуют готовое изделие при температуре, близкой к температуре плавления ПЭТФ. Основным препятствием на пути реализации этого способа является то, что не все перспективные модификаторы выдерживают без разложения нагревание до температуры плавления ПЭТФ. Кроме того, не все добавки химически совместимы с ПЭТФ, что влечет за собой сложность получения однородного расплава и, как следствие, сложность получения материала со стабильными характеристиками, однородного по механическим, оптическими и иным свойствам.
Из US 2006/0235136 известен способ получения термостабильного полимерного волокна нанокомпозитной структуры. При этом рассматриваемый полимер нагревается до температуры 200°C, так чтобы динамическая вязкость составляла порядка 100000 Пуаз (10000 Па·с в системе СИ). Получаемый расплав полимера смешивается с углеродными нанотрубками при температуре не менее 200°C, до образования вязкой смеси. Вязкий раствор полимера с углеродными нанотрубками продувается инертным газом для удаления кислорода. Очищенный от кислорода полимер с углеродными нанотрубками охлаждается до затвердевания, дробится, так чтобы размер получаемых гранул на превышал 3 мм в диаметре. Гранулы твердого полимера загружаются в бункер-накопитель и повторно продуваются инертным газом для удаления кислорода, содержащегося между ними. Полученные очищенные от кислорода полимерные гранулы, содержащие углеродные нанотрубки загружаются в экструдер и формуется волокно нанокомпозитной структуры. По совокупности существенных признаков изобретение по US 2006/0235136 является прототипом заявляемого изобретения.
Недостатком указанного способа является сложность введения и равномерного распределения углеродных нанотрубок в объеме материала, что является определяющим с точки зрения повышения термостабильности. В данном случае порошок углеродных нанотрубок продолжительное время перемешивается с расплавом полимера, для их равномерной диспергации в объеме вещества. Этот процесс связан со значительными энергетическими и временными затратами.
Таким образом, задачей, на решение которой направленно данное изобретение является получение нанокомпозитного полиэтилентерефталатного волокна повышенной термостабильности с минимальными затратами на его производство.
Указанная задача решается, за счет усовершенствования способа введения и равномерного распределения углеродных нанотрубок в объем полиэтилентерефталата. Для этого от общего объема полимера отделяют десятую часть, нагревают в термостатируемом смесителе до получения расплава при постоянном перемешивании и подают на расплав водный раствор углеродных нанотрубок, обработанный ультразвуком, затвердевший полимер дробят на гранулы, полученные гранулы, содержащие углеродные нанотрубки перемешивают с оставшейся частью исходного полимера, помещают в экструдер и формуют волокно.
В процессе изучения и лабораторных испытаний возможных вариантов модификации и равномерного распределения углеродных нанотрубок в объеме полиэтилентерефталата было найдено, что для промышленного получения термостабильного нанокомпозитного волокна вместо энергоемкой операции перемешивания расплава полимера с порошком углеродных нанотрубок для их равномерной диспергации, может быть использован способ, основанный на введении углеродных нанотрубок в расплав полиэтилентерефталата в виде водной суспензии. Было показано, что данный метод введения углеродных нанотрубок в полимер в отличии от прототипа является наиболее энергоэффективным. Использование данной технологии позволяет получать полиэтилентерефталатное волокно с равномерно распределенными в нем углеродными нанотрубками.
Изобретение иллюстрируется примерами получения термостабильного нанокомпозитного полиэтилентерефталатного волокна. В качестве примеров приведены способы получения термостабильного нанокомпозитного полиэтилентерефталатного волокна за счет модификации матрицы материала углеродными нанотрубками. Во всех приведенных примерах углеродные нанотрубки смешивали с водой и обрабытывали ультразвуком. От основного объема полиэтилентерефталата отделяли десятую часть, помещали в термостатируемый смеситель, нагревали до получения расплава и подавали на него суспензию с углеродными нанотрубками, при этом расплавленный полимер отвердевал и дробился на гранулы. Полученный гранулы полиэтилентерефталата с углеродными нанотрубками смешивали с основной частью полимера, перемешивали, помешали в экструдер и формовали волокно. Во всех приведенных примерах в качестве модифицирующей добавки использовали более дешевые многослойные углеродные нанотрубки по сравнению с однослойными углеродными нанотрубками, применяемыми в прототипе. Использование менее дорогих углеродных нанотрубок в совокупности с новым способом их введения в объем полимера позволило достичь заявленного технического результата, заключающегося в получении нанокомпозитного полиэтилентерефталатного волокна повышенной термостабильности с снижением затрат на его производство.
Пример
Для получения образца 2: 4 кг полиэтилентерефталата помещали в термостатируемый смеситель нагревали при перемешивании до температуры 280-300°C до получения расплава. Отвешивали 0,4 кг многослойных углеродных нанотрубок, смешивали с 12 л воды и обрабатывали ультразвуком в течении 15 минут с частотой ультразвуковых колебаний 24000 Гц. Полученную суспензии с многослойными углеродными нанотрубками подавали на расплав полиэтилентерефталата в термостатируемый смеситель, скорость вращения лопастей смесителя составляла 2000 об/мин., при этом происходило резкое остывание полимера, затвердевание и измельчение на гранулы. Твердые гранулы полиэтилентерефталата модифицированные углеродными нанотрубками, смешивали с 36 кг исходного, не модифицированного полиэтилентерефталалта, перемешивали, загружали в экструдер и формовали волокно.
В остальных примерах способ получения нанокомпозитного волокна оставался неизменным, изменялась лишь концентрация углеродных нанотрубок в водной суспензии и соответственно в общем объеме полиэтилентерефталата.
Оценку термостабильности полученного волокна проводили по ГОСТ 21793-76 «Пластмассы. Метод определения кислородного индекса». Данный ГОСТ не устанавливает классификации материалов в зависимости от величины кислородного индекса - минимальной концентрации кислорода в кислородно-азотной смеси, выраженной в объемных процентах, при которой будет поддерживаться горение испытуемого материала, чем больше кислородный индекс, тем труднее зажечь материал. Значение кислородного индекса в зависимости от концентрации углеродных нанотрубок в объеме полимера представлены в таблице. Кислородный индекс для немодифицированного полиэтилентерефталатного волокна равен 21. При введение в объем полиэтилентерефталата углеродных нанотрубок кислородный индекс повышается, так при концентрации 5% от массы всего полимера кислородный индекс составляет 27. При увеличении концентрации углеродных нанотрубок в объеме полимера сверх 5% кислородный индекс не изменяется. Кислородный индекс для полиэилентерефталатного волокна полученного по способу описанному в прототипе в зависимости от концентрации углеродных нанотрубок в объеме полимера именяется от 24 до 27.
Во всех случаях кислородный индекс модифицированного волокна превышал кислородный индекс чистого волокна, что свидетельствует о том, что нанокомпозитное полиэтилентерефталатное волокно приобрело свойство повышенной термостабильности. Во всех случаях был достигнут результат, заключающийся в получении нанокомпозитного полиэтилентерефталатного волокна с повышенными показателями термостабильности при снижении затрат на его производство по сравнению прототипом.
Таблица.
№ п/п
Концентрация углеродных нанотрубок в водном растворе
Концентрация углеродных нанотрубок в общем объеме полиэтилентерефта лата, % масс
Кислородный индекс
1
Образец 1
0
0
21
2
Образец 2
3,3
1
23
3
Образец 3
6,6
2
24
4
Образец 4
9,9
3
26
5
Образец 5
13,2
4
27
6
Образец 6
16,5
5
27
7
Образец 7
19,8
6
27
8
Образец 8
23,1
7
27
9
Прототип
-
0-5%
24-27