СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ
METHOD OF PREPARING POLYMER NANOCOMPOSITES

Изобретение относится к способу получения нанокомпозитов на основе полимеров и наносиликатов, модифицированных органическими соединениями, с улучшенными функциональными свойствами, в частности, прочностными характеристиками, предназначенных для изготовления изделий в электротехнике, машиностроении, в том числе в авиакосмической технике.
Известен способ приготовления нанокомпозита на основе полиолефина смешением полиолефина и смектитовой глины в присутствии, по крайней мере, одного интеркалирующего агента - эфира гидроксизамещенных карбоксильных кислот, гидроксизамещенного амида и оксидированного полиолефина с соотношением интеркалирующего агента к глине, по крайней мере, 1:3 (заявка США №2003232912).
Недостатком этого метода является низкий процентный прирост модуля упругости по отношению к исходному образцу (3-7%).
Наиболее близким из аналогов, принятым за прототип, является способ получения полимерного нанокомпозита на основе полиолефина, включающий смешение полиолефина, наполнителя, неионогенного поверхностно-активного вещества (ПАВ) и целевых добавок (заявка РФ №2005117963).
Недостатком нанокомпозита, полученного указанным способом, является низкий процентный прирост модуля упругости. При использовании различных соотношений полимера, наполнителя и ПАВ максимальный прирост модуля упругости по отношению к исходному образцу составляет 3-20%.
Технической задачей заявляемого изобретения является разработка способа получения полимерных нанокомпозитов, обеспечивающего улучшение технологических параметров, в том числе, увеличение модуля упругости.
Для решения поставленной технической задачи предложен способ получения полимерных нанокомпозитов с улучшенными прочностными характеристиками, включающий смешение в расплаве полимера и наполнителя - слоистого силиката, отличающийся тем, что наполнитель в виде водной дисперсии предварительно модифицируют органическими катионами путем смешения с ионогенным поверхностно-активным веществом с последующей сушкой, в качестве наполнителя используют наполнитель с катионной обменной емкостью 60-150 мг-экв/100 г, в качестве ионогенного поверхностно-активного вещества используют четвертичное аммониевое соединение - алкилбензилдиметиламмоний хлорид в количестве 40-150% от катионной обменной емкости наполнителя, в качестве полимера используют полисульфон или полиамид, а концентрация водной дисперсии наполнителя составляет 1-7%.
В качестве наполнителя используют монтмориллонит, бентонит.
Предложенным способом получают штепсельные разъемы, корпуса приборов, соединительные трубки и др.
Полиолефины, используемые для получения нанокомпозитов по прототипу, являются полимерами общего назначения. Для использования в машиностроении и аэрокосмической технике требуются теплостойкие конструкционные материалы, такие как полисульфон и полиамид. Повышение прочностных показателей таких материалов даст возможность расширить область их применения и увеличить ресурс работы изделий. Использование в заявляемом изобретении ионогенных ПАВ с ароматическим кольцом в большей степени способствует эксфолиации наполнителя в полимерной матрице, чем ПАВ, не содержащих ароматики. При этом добавление ПАВ в заявляемом способе производят в суспензию наносиликата, так как это ПАВ не является термостойким, и его необходимо вводить до стадии плавления полимера. В случае использования полисульфона и полиамида эффект повышения прочностных свойств наиболее заметен ввиду сродства применяемого ПАВ и полимера.
В качестве слоистых силикатов используют материалы природного происхождения, такие как монтмориллонит, бентонит и т.п.с катионной обменной емкостью 60-150 мг-экв./100 г, предпочтительнее 90-120 мг-экв./100 г.
В качестве органического компонента (органических катионов) могут использоваться различные ПАВ, в частности ароматические соли первичных, вторичных, третичных аминов, четвертичные аммониевые соединения, содержащие по крайней мере один длинный углеводородный радикал, который может содержать дополнительные функциональные группы, двойные связи, гетероатомы и пр. Также могут быть использованы сульфониевые, фосфониевые органические основания, производные пиридина и имидазолина и т.п. Наилучший технический результат заявляемого изобретения достигается при использовании четвертичных аммониевых соединений, таких как алкилбензилдиметиламмоний хлорид.
Количество органического модификатора (ПАВ) должно составлять 40-150% от катионной обменной емкости наполнителя.
Приготовление суспензии осуществляется с использованием любого известного диспергирующего оборудования - различных типов пропеллерных, лопастных мешалок, ультразвукового оборудования и пр. Выделение порошкообразного модифицированного наносиликата может осуществляться при помощи любых известных методов, в частности методом центрифугирования, фильтрации, сушки в виброкипящем слое и др. Удаление остаточной влаги осуществляется путем сушки модифицированного наносиликата на воздухе либо под вакуумом. Высушенный модифицированный наносиликат может в случае необходимости подвергаться измельчению до размеров 10-40 мкм при помощи любого типа мельниц.
-4
-5
2
Смешение модифицированного наносиликата с полимером с получением нанокомпозита осуществляется в стандартном смесительном оборудовании. Из полученных нанокомпозитов могут быть изготовлены такие изделия как корпуса приборов, штепсельные разъемы, соединительные трубки и др. Помимо высоких прочностных свойств, изделия, изготовленные из нанокомпозитов, полученных по предлагаемому способу, обладают низкой влагопроницаемостью - 10-10 г·см/см.
Примеры осуществления
Пример 1
6%-ную водную суспензию природного бентонита получали путем смешения порошкообразного бентонита с дистиллированной водой и перемешивания на установке «Воронеж» в течение 30 мин. К полученной суспензии добавляли 36 мг/100 г алкилбензилметиламмоний хлорида, что соответствует 40% от КОЕ наполнителя. Содержание органического катиона составляет 90 мг-экв/100 г. Затем осуществляли перемешивание в течение 1 часа и центрифугирование. Далее получали полимерный нанокомпозит путем смешения порошкообразного полисульфона с наполнителем в одношнековом экструдере при температуре 275-300°С и скорости вращения шнека 20 об/мин.
Технология получения полимерных нанокомпозитов по примерам 2 и 3 аналогична примеру 1. В примере 2 в качестве наносиликата использовали монтмориллонит, в примере 3 в качестве полимера - полиамид.
Свойства полученных полимерных нанокомпозитов представлены в таблице.
Таблица
Показатели
Примеры по изобретению
1
2
3
Обменная емкость наполнителя, мг-экв. /100 г
90
60
150
Концентрация водной дисперсии, %
6
1
7
Количество ПАВ, % от обменной емкости наполнителя
40
70
150
Модуль упругости при изгибе, МПа:
с наполнителем
2310
2430
2000
без наполнителя
1777
1860
1600
Прирост модуля упругости, %
30
30
25
Как видно из таблицы, нанокомпозиты, полученные заявляемым способом, имеют повышенные прочностные свойства - прирост модуля упругости составляет 25-30%, в то время как у прототипа этот прирост составляет 3-20%. Применение таких нанокомпозитов позволит увеличить надежность и ресурс работы изделий, выполненных из них.