СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
METHOD OF PRODUCING NANOSTRUCTURED POLYMER COMPOSITE COATING MATERIAL

Изобретение относится к способам получения полимерных композиционных материалов (ПКМ), которые могут быть использованы, в частности, для нанесения изоляционных покрытий на металлические проволоки.
Из уровня техники известен способ изготовления полимерного композиционного материала, согласно которому полиэтилен и мастербатч, содержащий монтмориллонит (ММТ), загружают в двухшнековый экструдер контрвращения и осуществляют смешивание при температуре 170-200°C с диспергированием ММТ. Количество ММТ в получаемом композиционном материале составляет 3 мас.%. При этом для изготовления мастербатча осуществляют органомодификацию ММТ (обработкой четвертичными аммониевыми солями) и смешивание полученного материала с полимером в соотношении 1:1 (см. Araujo Е.М. et al. Processing and characterization of polyethylene/Brazilian clay nanocomposites / J. Material science & engineering, A. 445-446, 2007, p.p.141-147). В результате получают ПКМ с матрицей из полиэтилена и наполнителем в виде нанодисперного монтмориллонита. Недостатком известного способа является недостаточно равномерное распределение частиц монтмориллонита по объему матрицы.
Задачей заявленного изобретения является получение наноструктурированного ПКМ с высоким уровнем физико-механических и эксплуатационных характеристик.
Технический результат изобретения заключается в повышении равномерности распределения частиц монтмориллонита в полимерной матрице, а также в повышении физико-механических характеристик материала, таких как стойкость к растрескиванию, коррозионная стойкость, термостойкость, морозостойкость, адгезии покрытия к материалу подложки, износо- и абразивостойкость.
Указанный технический результат изобретения достигается за счет того, что способ получения полимерного наноструктурированного композиционного материала для нанесения покрытий включает смешивание полиэтилена и мастербатча монтмориллонита в двухшнековом экструдере при температуре, обеспечивающей плавление полиэтилена, и последующее экструдирование полученного материала, при этом мастербатч получают путем предварительной органомодификации монтмориллонита и его введения в полимер, причем органомодифицированный монтмориллонит вводят в полимер в количестве 20-40 мас.%, а смешивание мастербатча с полиэтиленом осуществляют в двухшнековом экструдере однонаправленного вращения с обеспечением содержания монтмориллонита в получаемом полимерном материале - 0,1-2 мас.%.
Кроме того, указанный технический результат достигается в частных случаях реализации изобретения за счет того, что:
- органомодификацию монтмориллонита осуществляют путем его обработки четвертичными аммониевыми солями,
- смешивание полиэтилена и мастербатча осуществляют при температуре 170-200°C,
- на выходе из экструдера осуществляют вакуумную дегазацию экструдируемого материала,
- после экструдирования полимерный материал измельчают в гранулы.
Авторами изобретения было установлено, что упомянутое двухстадийное смешивание компонентов материала в двухшнековом экструдере однонаправленного вращения в сочетании с составом получаемого композиционного материала, содержащего монтмориллонит в количестве 0,1-2 мас.%, позволяет достигнуть оптимальное сочетание физико-механических свойств материала, необходимых для его функционирования в качестве защитного покрытия, в частности трещиностойкость, изностойкость, термостойкость, химическая (коррозионная) стойкость и др. При содержании ММТ менее 0,1 мас.% не происходит значительного влияния добавки на процесс кристаллизации материала, и, как следствие, свойства полимерного композиционного материала будут совпадать со свойствами матричного полимера, а при содержании более 2 мас.% в ходе кристаллизации критически снизится степень кристалличности полимерной матрицы и, как следствие, прочность полимерного композиционного материала уменьшится до неприемлемого уровня.
Применение органомодификации ММТ в сочетании с использованием двухшнекового экструдера однонаправленного вращения обеспечивает улучшенную эксфолиацию мастербатча ММТ в полиэтилене.
При этом предварительное введение органомодифицированного ММТ в полимер в количестве 20-40 мас.% (с учетом указанного выше содержания ММТ в готовом композите) обеспечивает наилучшее распределение частиц монтмориллонита в объеме полиэтиленовой матрицы, что дополнительно улучшает характеристики материала.
Заявленный способ осуществляется следующим образом.
Для приготовления мастербатча монтмориллонит подвергают органомодификации путем его обработки четвертичными аммониевыми солями в зет-образном смесителе с системой вакуумной дегазации.
Органомодификация ММТ необходима для дальнейшей диспергации монтмориллонита в полимере (полиэтилене) и необходимости в улучшении эксфолиации ММТ в конечном продукте.
После органомодификации ММТ вводят в полимер в количестве 20-40 мас.% путем смешивания на двухшнековом экструдере однонаправленного вращения при температуре расплава 190-200°C. В результате получают мастербатч (суперконцентрат) ММТ.
Затем полученный мастербатч вместе с полиэтиленом загружают в двушнековый экструдер однонаправленного вращения и смешивают при температуре 170-200°C. При таких условиях происходит плавление полиэтилена, его пластифицирование и диспергирование в нем ММТ. При этом мастербатч вводят в смесь из условия получения концентрации ММТ в конечном материале в интервале 0,1-2 мас.%.
При необходимости на выходе из экструдера осуществляют вакуумную дегазацию материала для удаления из расплава газообразных продуктов деструкции материала. Для этого в двухшнековом экструдере создается зона с атмосферным давлением за счет увеличения витков шага шнека и происходит откачка газов прямоточным вакуумным насосом.
После прохождения расплава через фильеру полученный полимерный материал измельчают в гранулы для дальнейшего использования при нанесении покрытия.
В результате получают бимодальный наноструктурированный ПКМ, с матрицей из полиэтилена и наномодификатором - монтмориллонитом, присутствующим в количестве 0,1-2 мас.% и равномерно распределенным по объему матрицы. При этом в композиционном материале ММТ имеет пластинчатую форму частиц, с размерами: длина - 100-200 нм, толщина - 2-6 нм. Данные частицы монтмориллонита образуют наноструктуру, обеспечивающую структурирование полимера в момент кристаллизации (эффект нуклеации), повышающее физико-механические свойства материала (прочность, модуль упругости, морозостойкость и т.д.), а также его барьерные свойства (снижается газо- и паропроницаемость), что увеличивает коррозионную стойкость материала.
Пример предпочтительной реализации способа
Для приготовления мастербатча монтмориллонит подвергают органомодификации путем его обработки четвертичными аммониевыми солями в зет-образном смесителе с системой вакуумной дегазации.
Состав смеси:
- ММТ 50-60 мас.%,
- Олеилтриметиламмоний хлорид - 10-20 мас.%,
14
18
- Диметилди(C-C)алкил аммоний хлорид - 20-30 мас.%.
Смешивание компонентов проводят при температуре 60°C.
Затем полученный органомодифицированный ММТ смешивают с полиэтиленом LLDPE в двухшнековом экструдере в количестве 20-40% при температуре 190-200°C.
После этого мастербатч (в количестве 0.5-2 мас.%), а также полиэтилен смешивают в двушнековом экструдере однонаправленного вращения с отношением L\D=50 при температуре 190-200°C и скорости вращения шнеков 400-500 об/мин. В результате получают композиционный материал на основе полиэтилена, содержащий 0,1-0,5 мас.% монтмориллонита.
Полученный таким образом композиционный материал наносят на подложку, например на металлическую проволоку (путем экструзии), в качестве защитного покрытия.
Данный композиционный материал при использовании в качестве покрытия обладает, в частности, следующими эксплуатационными свойствами:
- высокая стойкость к растрескиванию,
- высокая устойчивость к агрессивным средам,
- высокая термостойкость,
- высокая морозостойкость,
- повышенная адгезия к материалу подложки,
- высокая износо- и абразивостойкость.
Таким образом, заявленный способ позволяет получать наноструктурированный полимерный материал с повышенным уровнем эксплуатационных свойств, необходимых для использования его в качестве материала покрытия.
Следует отметить, что заявленное изобретение не ограничено частными случаями его реализации, раскрытыми в описании. Возможны также иные формы выполнения рассмотренного способа в объеме приведенных существенных признаков изобретения.