СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНОЙ НАНОКОМПОЗИЦИИ НА ОСНОВЕ ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА
METHOD OF PRODUCING POLYVINYL CHLORIDE BASED POLYMER NANOCOMPOSITION

Изобретение относится к области производства конструкционных, в том числе строительных, материалов, а именно к технологии производства поливинилхлоридных композиций с нанодобавками.
Известны способы получения полимерных композиций с нанодобавками на основе термопластичного связующего (полипропилена, полиэтилена низкой и высокой плотностей, поливинилхлорида (ПВХ) и полистирола), заключающиеся во введении нанодобавки в мономеры с дальнейшим смешением в основной полимер [Preparation and mechanical properties of solid-phase grafting nanocomposites of PVC/graft copolymers/MMT / Z.Dunbai, C.Changgen, J. Demin // Journal of Wuhan University of Technology. 2006, №4, Vol.21, P.26-30]. Перемешиваются нанодобавка и ПВХ до однородного состояния, после чего в смесь вводят предварительно смешанные между собой мономеры бутилакрилата, метилметакрилата, малеинового ангидрида, бензопероксида и перемешивают. Смешанную композицию запечатывают, нагревают при 80°C в течение 4-6 ч.
К основным недостаткам данного способа следует отнести сложность и необходимость значительного переоснащения, переоборудования имеющегося производства под данный вид производства вследствие появляющихся новых технологических операций и отсутствия «гибкого» производства продукции.
Известен способ приготовления полимерных композиций с нанодобавками, заключающийся во введении нанодобавки непосредственно при приготовлении композиции или смешением в расплаве. Авторы рассматривают совмещение [Material properties of nanoclay PVC composites / W.Awad, G.Beyer, D. Benderly // Polymer. 2009. Vol.50, P.1857-1867] нанодобавки с диизодецилфталатом в смесителе в течение 5 минут при 4000 об/мин с добавлением полярного активатора и последующим смешением с ПВХ.
К недостаткам композиций, полученных таким образом, следует отнести относительно высокое содержание вводимой нанодобавки и низкие значения физико-механических характеристик получаемых.
Известен способ, включающий смешение порошкообразного ПВХ с нанодобавкой и остальными компонентами в закрытой мешалке [PVC-MWNT (Multiwall carbon nanotube) nanocomposites / K.Leskovics, I.Velki, K.Marossy. // Material Sciences and Engineering. 2009. Vol.34/2, P.61-67]. Способ приготовления заключается в следующем: взвешенные компоненты перемешиваются при комнатной температуре в закрытом смесителе.
К основным недостаткам данного способа можно отнести сложность равномерного распределения небольшого количества наноразмерной добавки (минимальный процент содержания нанодобавки 5%), как следствие, увеличение водопоглощения и уменьшение прочности, текучести и термостабильности.
Проведенный анализ техники и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволил установить, что не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Задачей является получение ПВХ-нанокомпозиций с улучшенными технологическими и эксплуатационными характеристиками, такими как показатель прочности, текучесть расплава и термостабильность, обеспечивая равномерное распределение малого количества нанодобавки.
Результат достигается тем, что в способе получения полимерной нанокомпозиции на основе ПВХ, заключающемся в смешении порошкообразного ПВХ, модификатора ударной прочности, комплексного стабилизатора, нанодобавки, согласно изобретению ПВХ предварительно смешивают с нанодобавкой, выбранной из углеродных нанотрубок, оксида меди и оксида алюминия, при соотношении 100:0,1-5 м.ч., далее полученный концентрат вводят в основную композицию в количестве 2-5 м.ч., при этом количество нанодобавки в композиции равно 0,002-0,08 м.ч.
Результат также достигается тем, что для приготовления премикса смешивают 100 м.ч. порошкообразного ПВХ с 0,05-5 м.ч. нанодобавки.
Для получения полимерной нанокомпозиции на основе ПВХ использовались компоненты, удовлетворяющие следующим требованиям:
Поливинилхлорид суспензионный марки С7058М (ГОСТ 14332-78)
Комплексный стабилизатор, например Interstab (сертификат №99-00244)
Модификатор ударной прочности, например FM-22
В качестве нанодобавки можно использовать: различные аллотропные формы углерода (углеродные одно- и многослойные нанотрубки, фуллерены), слоистые силикаты, аэросил, двуокись титана, наноразмерныс порошки металлов, полимерные добавки.
Полимерную нанокомпозицию на основе ПВХ готовили следующим образом. Предварительно готовили премикс по следующей методике.
Порошкообразный ПВХ в количестве 100 м.ч. смешивали с 0.05-5 м.ч. нанодобавки, далее подвергали тщательному высокоэнергетическому, механохимическому воздействию смешением в планетарной шаровой мельнице или шаровой мельнице при 100-700 об/мин течение 3-40 минут. Данный вид совмещения под действием ударных и сдвиговых нагрузок способствует равномерному диспергированию наноразмерной добавки.
Готовый премикс смешивали с чистым ПВХ-порошком до получения в композиции заданной концентрации нанодобавки. После добавляли остальные компоненты: комплексный стабилизатор Interstab в количестве 3-7 м.ч. и модификатор ударной прочности FM-22 количестве 5-8 м.ч.
Для исследований свойств полимерных нанокомпозиций на основе ПВХ были изготовлены образцы в виде пленок. Пленочные образцы готовились методом термопластикации на лабораторных вальцах с фрикцией 1:1.25 при температуре валков 90-100°C в течение 5-6 мин. Вальцевание проводилось при толщине зазора между валками 8-13 мкм.
Пример 1. Согласно изобретению готовили премикс, состоящий из 100 м.ч. ПВХ и 0,1 м.ч. многослойных углеродных нанотрубок (УНТ) фирмы «Arkema» (Франция).
Композицию, с заданным содержанием, например 0,002 м.ч. УНТ, готовили при следующем соотношении компонентов, м.ч.:
ПВХ
98
Модификатор ударной прочности FM-22
5
Комплексный стабилизатор Interstab
4
Премикс
2.002
Пример 2. Согласно изобретению готовили премикс, состоящий из 100 м.ч. ПВХ и 5 м.ч. наноразмерного порошка оксида алюминия (производства Томского политехнического университета).
Композицию, содержащую, например 0,08 м.ч. оксида алюминия, готовили при следующем соотношении компонентов, м.ч.:
ПВХ
98.4
Модификатор ударной прочности FM-22
5
Комплексный стабилизатор Interstab
4
Премикс
1.68
Пример 3. Согласно изобретению готовили премикс, состоящий из 100 м.ч. ПВХ и 1 м.ч. наноразмерного порошка оксида меди (производства Томского политехнического университета).
Композицию, содержащую, например 0,05 м.ч. оксида меди, готовили при следующем соотношении компонентов, м.ч.:
ПВХ
95
Модификатор ударной прочности FM-22
5
Комплексный стабилизатор Interstab
4
Премикс
5.05
Свойства композиций представлены в таблице.
Сравнительные характеристики ПВХ-композиций, исходной и модифицированной нанодобавками по примерам 1-3
Нанодобавка (на 100 мас.ч. ПВХ)
Показатель
Прочность на растяжение, МПа
Показатель текучести расплава (ПТР), г/10 мин
Термостабильность, мин
Без нанодобавки (контрольный)
36
0,15
41
Модифицированная многослойными УНТ: 0,002 м.ч. (0.0018%)
46
0,26
66
Модифицированная наноразмерным порошком оксида алюминия: 0,008 м.ч. (0.0073%)
40
0,19
61
Модифицированная наноразмерным порошком оксида меди: 0,005 м.ч. (0.0046%)
41
0,23
63
Прототип - сухое смешение с: 3% Nanosyl 7000
32
0,16
55
Из примера применения в качестве модификаторов УНТ, наноразмерные порошки оксида меди и оксида алюминия видно, что при введении нанодобавок в соответствии с изобретением улучшаются термостабильность, показатель текучести расплава (ПТР) и прочностные показатели вследствие более равномерного распределения сверхмалого количества нанодобавки, в результате уменьшается конечная стоимость производимых по данной методике изделий.