Композиционный материал

Изобретение относится к способу получения композиционного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и слоистосиликатного наполнителя, обладающего улучшенными физико-механическими характеристиками, предназначенного в качестве суперконструкционного полимерного материала.

В последнее время широкое распространение получил новый класс композиционных материалов на основе полимерной матрицы и различных слоистосиликатных модификаторов, предназначенных в качестве суперконструкционных полимерных материалов. Среди слоистосиликатных частиц особенно примечателен галлуазит. За последнее время к нему значительно возрос интерес. Несмотря на то, что галлуазит известен в течение многих столетий, только в 1990-х ученые обнаружили, что частицы галлуазита имеют форму наноразмерных трубок и выявили возможность использовать структуру таких частиц для различных областей нанотехнологии. Галлуазит, в свою очередь, обладает рядом существенных преимуществ. Он выступает как нетоксичное вещество, биосовместим, обладает высокой удельной поверхностью (до 100 м²/г), имеет высокую ионообменную емкость, очень высокую химическую и термическую стабильность, способность прочно удерживать сорбированные на внутренней поверхности. Кроме того, структурные особенности галлуазит позволяют получать на их основе композиционные материалы, содержащие во внутреннем пространстве и внешней поверхности нанотрубок различные органические и неорганические соединения, обладающие разными функциональными особенностями. В процессе поиска патентной и научно-технической литературы были установлены закономерности влияния галлуазита на свойства пластиков, используемых в качестве суперконструкционных полимерных. В связи с этим, актуальным является разработка новых композитных материалов на основе отечественных полимеров, в частности сверхвысокомолекулярного полиэтилена и галлуазита.

Известна заявка на изобретение США №20150191582 «Атмосферостойкий нанокомпозитный материал на основе полиэтилена низкой плотности, глины, кремнезема и оксида цинка». Как утверждают авторы изобретения, нанокомпозитный материал включает в себя полиэтилен низкой плотности, один наноразмерный наполнитель, оксид кремния и оксид цинка. В качестве наноразмерного наполнителя используется монтмориллонит, органомодифицированный четвертичной аммониевой солью. Нанокомпозитный материал получают путем экструзионного смешения. Переработка композиции столь высокой степени наполнения на современных высокоскоростных экструдерах затруднена и может привести к быстрому износу оборудования, кроме того, может привести к снижению механических характеристик.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту предлагаемой является заявка на изобретение ВОИС №2004026952, направленная на получение нанокомпозита с использованием органоглины. Нанокомпозит включает в себя полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) и органоглину при соотношении от 100:1 до 1:1. Способ основан на введении органоглины в ПЭВП, растворенный в органическом растворителе с последующим выпариванием растворителя из полимера. В качестве органического растворителя используется смесь ароматического и полярного растворителей при соотношении 50:50, выбранного из группы простых и сложных эфиров, гликолей, спиртов и кетонов. В качестве модификаторов глины используются соединения алкиламинов или четвертичных аминов.

В качестве основного недостатка нанокомпозитного материала по настоящей заявке на изобретение можно указать трудности, связанные с предварительной органомодификацией слоистосиликатного материала, что приводит к дополнительной трудоемкости процесса.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание композиционного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), модифицированного галлуазитом, обладающего улучшенными прочностными и физико-механическими характеристиками, а также равномерное распределение частиц модификатора в композиционном материале с использованием распылительной сушки, тем самым исключая агломерацию галлуазита, что приводит к улучшению характеристик композиционного материала.

Указанный технический результат достигается путем введения в сверхвысокомолекулярный полиэтилен, предварительно растворенный в хлороформе, галлаузита, при следующем соотношении мас.ч.:

Для получения полимерных композитов в качестве матричного полимера использован сверхвысокомолекулярный полиэтилен марки GUR 4113 с молекулярной массой 3,2 млн, а в качестве модификатора выступал очищенный природный галлуазит, месторождения Кимперсайского района (Актюбинская область, Республика Казахстан), со следующими характеристиками:

- удельная площадь поверхности - 65 м² г;

- объем пор ~1,25 мл/г;

- удельный вес - 2,53 г/см³;

- средний диаметр трубки - 20 нм;

- внутренний диаметр просвета - 15 нм;

- длина трубки - 100 нм.

Данное изобретение иллюстрируется следующим примером.

СВМПЭ предварительно растворяется в органическом растворителе, предпочтительно в хлороформе, при соотношении 1:5, в полученный раствор полимера вводится галлуазит, предварительно очищенный от балластных веществ. Полученная смесь подвергается смешению с использованием механической мешалки, с последующей сушкой полученной суспензии в распылительной сушке. В результате сушки был получен сыпучий порошок с диаметром частиц 50-70 мкм. Полученный порошок пригоден для использования в 3D-печати методом послойного лазерного спекания, литья под давлением и для экструзии.

Вышеприведенный пример, носящий иллюстративный характер, демонстрирует возможность получения композиционного материала, обладающего улучшенными прочностными и физико-механическими характеристиками.

В таблицах 1-4 представлены характеристики образцов композиционного материала, полученных путем экструзии при оборотах шнека экструдера 200 об/мин и зонах нагрева 150°С, 160°С, 245°С, 260°С, 270°С, 280°С.

В таблице 1 представлено количественное соотношение компонентов в композиционном материале.

В таблицах 2-4 представлены свойства полученных образцов.