Двухстадийный способ получения массивных блочных изделий на основе политетрафторэтилена и молекулярных композитов из ультрадисперсного политетрафторэтилена и наночастиц кремния и титана

Изобретение относится к области синтеза молекулярного нанокомпозита, основанного на смешении молекулярного нанокомпозита, синтезированного в газовой фазе, и суспензионного политетрафторэтилена в механоактиваторе, и производства из полученного материала блочных изделий. В качестве наполнителей для суспензионного политетрафторэтилена (ПТФЭ) служат молекулярные композиты из ультрадисперсного ПТФЭ и наночастиц оксида титана (ТФП) и оксида кремния (КФП), полученные пиролизом с последующим осаждением аммиачной водой.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ) из-за ряда его физических и химических свойств (химическая и термическая стойкость, гидрофобность, низкий коэффициент трения и др.) является перспективной полимерной матрицей для композитов. Однако такие свойства ПТФЭ как нерастворимость и высокая вязкость расплава затрудняют введение наполнителей в полимерную матрицу и получение композитов с гомогенным распределением неагломерированных наночастиц наполнителя.

Аналогом является способ получения композита на основе политетрафторэтилена и ультрадисперсных керамик, состоящих из нитрида кремния и оксидов бора, алюминия, кремния в сочетании с органическим модификатором - флуорексом 1510 [Патент РФ 2099365. Классы МПК: C08J 5/16, C08L 27/18. Опубликован: 20.12.1997 г.]. Аналогичный способ относится к области антифрикционных материалов на полимерной основе, которые могут использоваться для изготовления уплотнительных элементов пар вращательного и возвратно-поступательного перемещения и других элементов герметизаторов.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения гомогенного композита композиционного материала на основе ПТФЭ и диоксида кремния SiO₂. Смешанные компоненты материала конденсируют в газовой фазе, полученный сублимат обрабатывают 5% масс .раствором аммиака, далее эмульсию отделяют от раствора и сушат при температуре 100…170°С [Патент РФ 2469056. Классы МПК: C08L 27/18, C08K 3/36, C08J 5/16, C08J 5/00. Опубликован: 10.12.2012 г.]. Полученный композиционный материал может быть использован в качестве антифрикционной добавки самостоятельно или добавки в порошок ПТФЭ промышленного продукта с целью улучшения его прочностных свойств.

Предлагаемый способ отличается тем, что позволяет распространить известный метод легирования органических и неорганических материалов на технологию получения в механоактиваторе молекулярных композиционных полимеров на основе политетрафторэтилена и наночастиц кремния и титана для производства блочных изделий. Способ позволяет управлять теплофизическими и триботехническими свойствами и структурой получаемых полимерных композитов.

Технической задачей изобретения является создание способа получения политетрафторэтилена и молекулярных композитов из политетрафторэтилена и металлических и керамических наночастиц.

Поставленная задача решается путем смешения порошка суспензионного ПТФЭ и нанокомпозитов ПТФЭ и SiO₂, TiO₂, полученных путем пиролиза с последующей обработкой аммиачной водой. В качестве полимерной матрицы используется суспензионный ПТФЭ (ГОСТ 10007-80). Композиты готовятся в режиме механического смешения, таблетирования и спекания с содержанием ТФП, КФП 0,05-0,5 мас.ч. на 100 мас.ч. ПТФЭ, в частности 0,05; 0,1; 0,5 мас.ч. на 100 мас.ч. ПТФЭ.

Режимы приготовления образцов: смешение в механоактиваторе в течение 15 мин при частоте вращения n=1000 об/мин. Таблетирование в плунжерной пресс-форме при давлении Р=100 МПа в течение 60 сек. Спекание при Т=365-370°С в течение 60 мин. без избыточного давления. Полученные блочные композиты получили название ПТФЭ+ТФП и ПТФЭ+КФП.

В отличие от известного способа дополнительно молекулярные композиты подвергаются обработке в механоактиваторе.

Полученные вышеописанным способом нанокомпозиты отличаются тем, что металлические и керамические наночастицы, закрепленные на поверхности частиц ультрадисперсного ПТФЭ, теряют способность к агломерации, в то же время экстремально взаимодействуют с внешними компонентами полимерной системы, сохраняя основной комплекс физических характеристик, образуют определенные управляемые микро- и макроструктуры, ответственные за изменение эксплуатационных показателей готовых изделий различного функционального назначения.

Сложное строение наполнителей, содержащих TiO₂ и SiO₂, их взаимодействие с матрицей, а также наличие низко- и высокомолекулярных фракций полимерного компонента, используемого в качестве ультрадисперсного модификатора, должно сказаться на отличии от исходного ПТФЭ теплофизических, термических, диэлектрических, релаксационных, физико-механических и трибологических свойств композитов.

Рентгеновский анализ показал, что наполнители влияют на соотношение между кристаллической и аморфной фазами полимера. Для оценки влияния граничных слоев системы полимер-наполнитель на межмолекулярное и межфазное взаимодействие частиц наполнителя с матрицей были проведены исследования тепловых эффектов методом сканирующей дифференциальной калориметрии, получены температурные зависимости удельной скорости поглощения энергии образцов композитов.

На основании данных теплофизических исследований энергетического состояния блочных комбинированных нанокомпозитов на основе ПТФЭ было заключено, что ультрадисперсные молекулярные наполнители ТФП и КФП в концентрации до 1,0 мас.ч. резко повышают взаимодействие в граничном слое полимер-наполнитель, делают структуру более жесткой за счет образования большего количества связей между полимерной матрицей и активными участками поверхности наноразмерного наполнителя.

Разница в энергетическом состоянии комбинированного нанокомпозита в сравнении с исходным ПТФЭ обуславливает улучшение всего комплекса показателей системы для полимерных систем ПТФЭ+КФП (фиг. 1) и ПТФЭ+ТФП (фиг. 2) в зависимости от концентрации наполнителя: повышение скорости поглощения энергии W_max, снижение теплопроводности λ, повышение деформационной теплостойкости T_тп и износостойкости в условиях абразивного износа I_m (время абразивного износа 20, 40, 60 мин).

Таким образом, выявлена возможность регулирования структуры и свойств полимерных композитов на основе ПТФЭ малыми добавками дисперсного металл-керамо-полимерного нанокомпозита на основе ультрадисперсного ПТФЭ и титано- и кремнийсодержащих наночастиц. Разработанная технология позволяет распространить известный метод легирования органических и неорганических материалов на технологию получения молекулярных композиционных полимеров на основе политетрафторэтилена для производства промышленных изделий, например подшипников скольжения (фиг. 3) и рабочих колес вакуумного насоса (фиг. 4).