ПОЛИМЕР С УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
POLYMER WITH IMPROVED CHARACTERISTICS AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящая заявка относится к получению полимерного композиционного компонента с повышенной уплотненностью, степенью ориентации и степенью отверждения благодаря увеличенной подвижности цепи.
[0002] Органические соединения были разработаны и применяются для различных целей. Полимеры как класс органических соединений были разработаны для применения в качестве монолитных материалов или матриц для композиционных конструкций, армированных различными типами волокон или мелкодисперсных материалов. Двумя основными видами полимерных материалов являются термопластичные и термореактивные соединения.
[0003] Основой термопластичных материалов являются различные органические молекулы с различными длинами цепей и различными боковыми фрагментами, которые могут отсутствовать или представлять собой различные радикалы, вплоть до сложных ароматических радикалов. Указанные полимеры широко классифицируют по возможности нагревания материала и придания ему формы. Это можно осуществить путем обеспечения возможности свободного движения отдельных цепей полимера друг относительно друга с исключением физического спутывания. Указанные материалы можно нагревать, формовать и повторно охлаждать без изменения или потери свойств материала. В термореактивных соединениях поперечная сшивка имеет настолько сложную структуру, что подвод термической энергии не обеспечивает дополнительной подвижности ранее отдельных органических молекул. После формования указанных соединений их нельзя повторно нагреть и изменить их форму, поскольку нагревание не возвращает материал к его исходному неотвержденному состоянию. Указанные соединения очень стабильны по размерам, поскольку кристаллизация не может быстро развиваться после образования окончательного сшитого компонента. Из двух основных типов полимеров термореактивные соединения более способны к стойкости при очень высоких температурах и относительно способны выдерживать воздействие неблагоприятных факторов окружающей среды.
[0004] По мере расширения сфер применения возрастает потребность в увеличении температуры эффективной работы и возможности работать в различных условиях среды для органических полимерных материалов. При повышении температуры полимерные материалы могут разрушаться посредством разрыва связей в структуре полимера или посредством дальнейшего взаимодействия полимера с другими химическими соединениями, что вызывает эффективное изменение общего состава и характеристик материала. Для увеличения температуры эффективной работы и возможности работы в различных условиях среды для полимерных материалов с улучшенными характеристиками желательно обеспечить увеличенное количество и прочность межцепных взаимодействий, связей и сшивок. Указанные взаимодействия между цепями могут быть различных типов, включая ковалентные поперечные сшивающие связи, ионные связи и более слабые ван-дер-ваальсовы силы, действующие между полярными центрами молекул.
[0005] Недавняя работа показала, что простые полимерные материалы, такие как полиэтилен, можно обрабатывать при помощи способов деформации при экструзии или другой механической деформации, которые обеспечивают ориентацию длинных цепей полимера и приведение их в очень упорядоченную тесную близость, что способствует образованию большого числа ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Указанная обработка позволяет добиться значительного повышения прочности, деформации при разрушении и общей жесткости такого высокомолекулярного полиэтилена. Пример такого материала коммерчески известен как Dynema.
[0006] Несмотря на то, что такой материал имеет значительно улучшенные низкотемпературные характеристики, он все еще плохо подходит для высокотемпературных применений в сложных условиях, например, для ответственных применений в аэрокосмической области. Для поддержания действительно повышенных термических характеристик и стойкости к неблагоприятным факторам окружающей среды желательно получение полимеров с улучшенными поперечными сшивками и прочными боковыми группами. Современные полимерные материалы с наилучшими характеристиками, используемые в аэрокосмической области, получают на основе полиимидов. Указанные материалы имеют максимальную температуру долговременного применения в диапазоне 550-600°F (288-316°C). Указанные материалы, как и другие органические материалы, имеют ограниченное применение при повышенной температуре и высокой влажности среды (жаркие/влажные условия). Проникновение воды в полимер может также приводить к потере межцепной прочности и общему ухудшению свойств материала.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] Способ обработки полимерного материала согласно одному из неограничивающих вариантов реализации настоящего изобретения, включающий кратковременное увеличение подвижности в полимере с обеспечением возможности конкретной ориентации полимерных цепей.
[0008] Дополнительный вариант реализации настоящего изобретения, в котором указанный полимер включает термореактивный материал.
[0009] Дополнительный вариант реализации любого из вышеуказанных вариантов реализации настоящего изобретения, в котором увеличенную подвижность обеспечивают посредством введения пластификатора.
2
[0010] Дополнительный вариант реализации любого из вышеуказанных вариантов реализации настоящего изобретения, в котором указанный пластификатор содержит HO.
2
[0011] Дополнительный вариант реализации любого из вышеуказанных вариантов реализации настоящего изобретения, в котором указанный пластификатор содержит СО.
[0012] Дополнительный вариант реализации любого из вышеуказанных вариантов реализации настоящего изобретения, в котором указанный пластификатор удаляют до завершения цикла отверждения.
[0013] Дополнительный вариант реализации любого из вышеуказанных вариантов реализации настоящего изобретения, в котором увеличенную подвижность обеспечивают посредством импульсного электрического поля.
[0014] Дополнительный вариант реализации любого из вышеуказанных вариантов реализации настоящего изобретения, в котором увеличенную подвижность обеспечивают посредством ультразвукового облучения.
[0015] Способ обработки полимерного материала согласно другому неограничивающему варианту реализации настоящего изобретения, включающий инициирование цикла отверждения полимера; увеличение подвижности внутри полимера во время цикла отверждения; и прекращение увеличения подвижности по достижении заданного порогового значения до завершения цикла отверждения.
[0016] Дополнительный вариант реализации любого из вышеуказанных вариантов реализации настоящего изобретения, в котором указанную увеличенную подвижность обеспечивают кратковременным способом.
[0017] Дополнительный вариант реализации любого из вышеуказанных вариантов реализации настоящего изобретения, в котором увеличенную подвижность обеспечивают посредством введения пластификатора.
[0018] Дополнительный вариант реализации любого из вышеуказанных вариантов реализации настоящего изобретения, в котором пластификатор удаляют после завершения предпочтительного ориентирования молекулярных цепей полимера.
[0019] Дополнительный вариант реализации любого из вышеуказанных вариантов реализации настоящего изобретения, в котором пластификатор удаляют до завершения цикла отверждения.
[0020] Дополнительный вариант реализации любого из вышеуказанных вариантов реализации настоящего изобретения, в котором увеличенную подвижность обеспечивают посредством импульсного электрического поля.
[0021] Дополнительный вариант реализации любого из вышеуказанных вариантов реализации настоящего изобретения, в котором увеличенную подвижность обеспечивают посредством ультразвукового облучения.
с
с
[0022] Полимерный материал согласно другому неограничивающему варианту реализации настоящего изобретения, содержащий термореактивный материал с термоокислительной стабильностью, меньшей или равной примерно 2,2% потери массы при примерно 650°F (343°C) при атмосферном давлении в течение 1000 ч, температурой стеклования (Т) в сухих условиях, большей или равной примерно 700°F (371°C), и температурой стеклования (Т) в жарких/влажных условиях, большей или равной примерно 690°F (366°C).
[0023] Дополнительный вариант реализации любого из вышеуказанных вариантов реализации настоящего изобретения, в котором указанный полимерный материал представляет собой полиимид.
[0024] Вышеуказанные особенности и элементы можно комбинировать в различных комбинациях, без исключения, если явно не указано иное. Указанные особенности и элементы, а также действия с ними будут более понятны в свете следующего описания и прилагаемых чертежей. Тем не менее, следует понимать, что следующее описание и чертежи предназначены служить только примерами, а не ограничениями.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0025] Различные признаки будут более понятны специалисту в данной области техники из следующего подробного описания неограничивающего варианта реализации настоящего изобретения. Чертежи, сопровождающие подробное описание, можно кратко описать следующим образом:
[0026] Фигура 1 представляет собой технологическую схему процесса, иллюстрирующую способ получения термореактивного соединения согласно одному из неограничивающих вариантов реализации настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0027] На фигуре 1 схематически показан способ 20 обработки полимерного материала для отверждения термореактивного материала с образованием компонента из полимерного композиционного компонента, такого как компонент для применения в аэрокосмической области. Термореактивный материал может представлять собой материал из термореактивной смолы, часто называемый термореактопластом, например, нефтехимический материал, который необратимо отверждают.
[0028] Способ 20 обработки полимерного материала начинается с композиционного материала, которому придают форму конструкции при помощи производственных инструментов или другой подготовки, такой как обработка препрега в автоклаве, различные способы пропитки связующим или комбинации указанных способов (стадия 30). Композиционный материал может быть изготовлен из любой из высоко- или низкотемпературных термореактивных матриц для композиционных материалов, такими образами как скручивание препрега, пропитка связующим, литьевое прессование смолы (RTM), пропитка пленочным связующим (RFI), мокрое наслоение и тому подобное.
[0029] Затем инициируют цикл отверждения (стадия 40). Цикл отверждения можно индуцировать при помощи нагревания, при помощи химической реакции или другим подходящим излучением, в вакууме или без вакуума. В цикле отверждения происходит трансформация материала благодаря процессу поперечной сшивки. Вводимая энергия и/или катализаторы вызывают взаимодействие молекулярных цепей в химически активных центрах, например, ненасыщенных или эпоксидных центрах, соединяя цепи в жесткую трехмерную структуру. Процесс поперечной сшивки приводит к образованию молекулы с большей молекулярной массой, что приводит к образованию материала с более высокой температурой плавления. В ходе реакции молекулярная масса возрастает до такой степени, что температура плавления становится выше температуры окружающей среды, и материал принимает форму твердого материала.
[0030] После инициирования цикла отверждения или вслед за этим, кратковременно увеличивают подвижность процесса сшивки (стадия 50). То есть, осуществляют увеличение подвижности цепей до достижения желаемого порогового значения до завершения цикла отверждения (стадия 60). Увеличение подвижности внутри полимера обеспечивает возможность конкретной ориентации цепей полимера, что обеспечивает оптимальную сшивку и стабильность структуры с точки зрения полярного заряда.
[0031] Увеличенные степень ориентации и межцепное связывание обеспечивают две основные особенности: повышенную общую прочность компаунда, что обеспечивает способность материала выдерживать более высокую температуру; и пониженный свободный объем для поступления молекул воды, что уменьшает проникновение воды и ухудшение свойств под действием влаги, обе указанных особенности имеют особую ценность для аэрокосмических компонентов. Ориентированные полимерные цепи обеспечивают эффективное межцепное взаимодействие и поперечную сшивку при помощи ковалентных связей и ван-дер-ваальсовых взаимодействий, когда полимерные цепи ориентированы с желаемым расположением цепей друг относительно друга. Увеличенную подвижность цепей можно обеспечить, например, посредством введения пластификатора, электрических импульсов, ультразвука, циклического изменения давления во время переработки материала, и изменения условий окружающей среды во время переработки материала.
2
2
[0032] В одном из неограничивающих вариантов реализации настоящего изобретения увеличенную подвижность обеспечивают посредством введения пластификатора, который обеспечивает увеличенную подвижность цепей, но легко может быть удален после достижения желаемого порогового значения и осуществления ориентации молекулярных цепей. Примеры указанного подхода включают введение HO, СО или других соединений, которые можно легко экстрагировать перед завершением стадии отверждения (стадия 60). В другом неограничивающем варианте реализации настоящего изобретения увеличенную подвижность обеспечивают посредством воздействия импульсного электрического поля, что обеспечивает возможность увеличенного постепенного движения молекул благодаря воздействию на электронные заряды. Указанные подходы экспериментально показали эффективную возможность увеличения подвижности цепей, что обеспечивает возможность размещения отдельных молекулярных зарядов в заданных положениях и расположении их друг относительно друга. Указанные подходы экспериментально показали особенную применимость для переработки относительно сложных полимеров, таких как полиимиды.
[0033] В другом неограничивающем варианте реализации настоящего изобретения увеличенную подвижность обеспечивают посредством ультразвукового облучения. Экспериментально было показано, что подходы с использованием ультразвука особенно применимы для переработки и увеличения подвижности цепей полимерных материалов.
[0034] Следует отметить, что желаемое пороговое значение может относиться, например, к уровню желаемой плотности, температуры, времени или другого свойства до завершения цикла отверждения (стадия 60). То есть, желаемое пороговое значение для способа 20 обработки полимерного материала может быть определено экспериментально, с получением «рецепта», обеспечивающего возможность повторения уровня характеристик продукта. Другими словами, способ 20 обработки полимерного материала обеспечивает возможность моделирования и предсказания подвижности полимера в зависимости от типа полимера (основное соединение, боковые структуры, хиральность и молекулярная масса) и условий переработки.
с
с
[0035] Способ 20 обработки полимерного материала, при котором кратковременно увеличивают подвижность способа поперечной сшивки, приводит к образованию желаемого количества поперечных сшивок (ковалентных связей или ван-дер-ваальсовых взаимодействий) для улучшения целевых свойств, таких как повышенная температура применения, механические свойства и стойкость к воздействию окружающей среды. Например, полимерный материал, полученный согласно способу 20, обеспечивает комбинацию свойств, включающую термоокислительную стабильность, меньшую или равную примерно 2,2% потери массы при температуре примерно 650°F (343°C) и атмосферном давлении в течение 1000 ч, температуру стеклования (Т) в сухих условиях, большую или равную примерно 700°F (371°C), и температуру стеклования (Т) в жарких/влажных условиях, большую или равную примерно 690°F (366°C).
[0036] Фазу повышенной подвижности и ориентацию полимерных цепей можно измерить экспериментально для содействия оптимизации полимеров с улучшенными характеристиками и способов, необходимых для получения указанных полимеров. Можно легко разработать способ увеличения подвижности органических полимеров, что позволяет получить эффективную ориентацию цепей с хорошей упаковкой, высокой плотностью и хорошо сшитыми стабильными структурами, с получаемыми в результате улучшенными характеристиками работы в жарких влажных условиях.
[0037] Существует множество преимуществ, достигаемых при получении полимерного композиционного компонента (деталей сложной формы или простых стандартных продуктов, таких как волокна, пленки, листы, блоки или другие стандартные конфигурации) с повышенной уплотненностью, степенью ориентации и степенью отверждения, посредством увеличения подвижности цепей. Указанные преимущества включают получение структур с более высокой молекулярной массой, увеличенной прочностью, увеличенной ударной вязкостью, увеличенной термостойкостью до разрушения молекулярной структуры и стойкостью к проникновению воды или другому разрушению под действием неблагоприятных факторов окружающей среды, что увеличивает механические и термические свойства при работе в жарких/влажных условиях. Несмотря на то, что в указанном способе основное внимание уделяют термореактивным материалам, данный способ можно также применять для ориентации термопластичных материалов, только без поперечной сшивки.
[0038] Применение терминов в единственном числе и аналогичных указаний в контексте описания (в частности в контексте следующей формулы изобретения) следует рассматривать как охватывающее и единственное, и множественное число, если не указано иное или иное определенно не предписывается контекстом. Модификатор «примерно», применяемый вместе с количеством, включает указанное значение и имеет значение, предписываемое контекстом (например, включает степень ошибки, связанную с измерением определенного количества). Все указанные диапазоны включают крайние точки, и крайние точки диапазонов можно независимо комбинировать между собой. Следует учитывать, что термины, указывающие на относительное расположение, такие как «впереди», «сзади», «верхний», «нижний», «выше», «ниже» и тому подобное, указывают на обычное рабочее положение механизма и не должны рассматриваться как ограничивающие иным образом.
[0039] Несмотря на то, что различные неограничивающие варианты реализации имеют определенные показанные компоненты, варианты реализации настоящего изобретения не ограничены указанными конкретными комбинациями. Возможно применять некоторые компоненты или признаки из любого неограничивающего варианта реализации в комбинации с признаками или компонентами из любого другого неограничивающего варианта реализации.
[0040] Следует отметить, что аналогичные позиционные обозначения указывают на соответствующие или аналогичные элементы на различных чертежах. Также следует отметить, что хотя в показанном варианте реализации показано определенное расположение компонентов, можно выгодно применять другие расположения компонентов.
[0041] Несмотря на то, что показаны, описаны и заявлены определенные последовательности стадий, следует понимать, что стадии можно осуществлять в любом порядке, отдельно или в комбинации, если не указанно иное, и при этом все еще будет достигаться преимущество, обеспечиваемое настоящим изобретением.
[0042] Приведенное описание является исключительно примером, а не ограничением. В настоящем описании приведены различные неограничивающие варианты реализации, тем не менее, среднему специалисту в данной области техники понятно, что различные модификации и варианты в свете указанных выше идей входят в объем прилагаемой формулы изобретения. Следовательно, понятно, что в объеме прилагаемой формулы изобретения можно практически осуществлять настоящее изобретение иначе, чем конкретно описано. По этой причине необходимо изучить прилагаемую формулу изобретения для определения истинного объема и содержания изобретения.