полиамидный композиционный материал, модифицированный фуллереновыми наполнителями (варианты)
Классы МПК: | C08L77/02 полиамиды, получаемые из омега-аминокислот или их лактамов C08K3/04 углерод |
Автор(ы): | Зуев Вячеслав Викторович (RU), Шлыков Александр Викторович (RU) |
Патентообладатель(и): | Закрытое акционерное общество "Инновации ленинградских институтов и предприятий" (ЗАО ИЛИП) (RU), Общество с ограниченной ответственностью "НАНОПАМ" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-12-08 публикация патента:
20.11.2011 |
Изобретение относится к 12-блочным полиамидам конструкционного назначения и может применяться для изготовления деталей и конструкций с повышенными требованиями по прочности и эластичности. Композиционный материал состоит из матрицы полиамида 12-блочного и модифицирующей углеродной добавки - фуллерен С60, или смесь фуллеренов С60, С70. Соотношение компонентов, мас.%: фуллерен С60, или смесь фуллеренов С60, C70 - 0.001-1.0, полиамид 12-блочный - остальное до 100. Во втором варианте модифицирующей углеродной добавкой является фуллереновая сажа с содержанием в ней фуллеренов от 3 до 16 мас.%. Фуллереновую сажу вводят в количестве 0.01-1.0 мас.%. Изобретение позволяет увеличить прочность композиции на 30-50% при росте эластичности, увеличить температуру размягчения, плавления и деструкции на воздухе, при этом плотность и влагопоглощение остаются практически неизменными. 2 н.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.
Формула изобретения
1. Полиамидный композиционный материал, модифицированный фуллереновыми наполнителями, состоящий из матрицы полиамида и модифицирующей его углеродной добавки, причем в качестве углеродной добавки используется фуллерен С60 или смесь фуллеренов С 60, С70, отличающийся тем, что в качестве матрицы полиамида используется матрица полиамида 12-блочного при следующем соотношении компонентов, мас.%:
фуллерен С60 или смесь фуллеренов С60, C70 | 0,001-1,0 |
полиамид 12-блочный | остальное до 100 |
2. Полиамидный композиционный материал, модифицированный фуллереновыми наполнителями, состоящий из матрицы полиамида и модифицирующей его углеродной добавки, причем в качестве углеродной добавки используется фуллереновая сажа с содержанием в ней фуллеренов от 3 до 16 мас.%, отличающийся тем, что в качестве матрицы полиамида используется матрица полиамида 12-блочного при следующем соотношении компонентов, мас.%:
фуллереновая сажа | 0,01-1,0 |
полиамид 12-блочный | остальное до 100 |
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к полимерным материалам класса полиамидов 12-блочных конструкционного назначения и может найти широкое применение в различных отраслях промышленности для изготовления деталей и конструкций с повышенными требованиями по прочности и эластичности при сохранении начальной плотности и влагопоглощения.
Имеется опыт существенного изменения ряда свойств полиамидов блочных путем их наполнения - сочетания с веществами различной природы, растворимых или нет в полимерной матрице. Распределяясь в полимерной матрице, эти наполнители существенно модифицируют свойства полимерной основы. В качестве наполнителей используются порошки неорганического происхождения, полимеры и органические и неорганические волокна, включая стекло- и углеволокно. Действие модификаторов основано на целом ряде факторов. В случае ультрадисперсных наполнителей, применяемых в концентрациях менее 0.5 мас.%, модификаторы выступают в качестве искусственных центров зародышеобразования, изменяя структуру и степень кристалличности полиамидов. Частицы с ярко выраженной анизотропией формы, в первую очередь, волокна изменяют свойства полимерной матрицы, не только влияя на ее структуру, но и изменяя механизм разрушения полимерного образца путем перераспределения напряжений внутри него. Наиболее распространенным и массовым способом модификации полиамидов в России (полиамида 6-блочного, капролона) направленным на повышение его твердости, повышение электрической прочности и улучшение ряда других свойств, является модификация капролона мелкоизмельченным графитом (ТУ 6-06-38-89 «Графитонаполненная композиция полиамида 6-блочного»). Этот материал обрабатывается фрезерованием, точением, сверлением и шлифованием. Материал имеет низкий коэффициент трения и может работать без смазки в узлах трения. Этот материал производится в процессе низкотемпературной полимеризации лактама аминокапроновой кислоты в присутствии щелочных катализаторов и различных активаторов. Графитонаполненная композиция полиамида 6-блочного с содержанием графита 2 мас.% обеспечивает более долгую работу деталей из нее в узлах трения и скольжения. Недостатком графитонаполненого капролона является низкий уровень ударной вязкости, предела прочности и падение общих механических свойств, включая снижение модуля Юнга. Подобное изменение механических свойств исключает использование графитонаполненных композиций в изделиях и деталях, несущих существенные механические нагрузки.
Попытки использовать подобную модификацию предпринимались и по отношению к полиамиду 12-блочному. Так в заявке US № 20080171824, опубл. 17.07.2008 г., «Polymers filled highly expanded graphite» описано введение в матрицу полиамида 12-блочного в концентрации до 5 мас.% графита и технического углерода в процессе прядения волокон и прессования. Эффект подобной модификации оказывается во многом аналогичным модификации этими добавками капролона, т.е. повышается жесткость, коэффициент линейного расширения, температурная стойкость, для некоторых композиций с высоким содержанием графита наблюдается рост электропроводности. Однако подобная модификация отрицательно сказывается на механических свойствах, вызывая снижение прочности, эластичности модуля Юнга.
Повышение механических характеристик полиамида 12-блочного достигается за счет введение в эту матрицу стекловолокна. Известна заявка US № 20080167415, опуб. 10.07.2008 г., «Polyamide molding materials reinforced with flat glass fibers and injection molded part made thereof». В полиамидную матрицу вводится 40-80 мас.% стекловолокна специальной формы, что обеспечивает 2-3 кратный рост прочности и модуля Юнга композиции. Таким образом, обеспечивается высокий прирост механической прочности. В то же время рост механических характеристик сопровождается почти 2-х кратным ростом удельного веса композиции, что сказывается на весовых характеристиках конечных изделий. Проблемой создания подобных композиций является и достижение равномерного распределения модификатора в полимерной матрице. Учитывая отсутствие сродства между полимерной матрицей и стекловолокном, последнее склонно образовывать агломераты в процессе прессования, что ведет к падению механических характеристик композиционного материала.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности (прототипом) является полиамидный композиционный материал (варианты) (Патент РФ № 2316571; опубл. 10.02.2008), который представляет собой композицию на основе полиамида 6-блочного конструкционного и антифрикционного назначения с модифицирующей его углеродной добавкой. В качестве углеродной добавки используются либо фуллерены С 60, либо С70, либо их смесь, с содержанием углеродной добавки 0.0001÷1.5 мас.%, либо фуллереновая сажа, содержание которой составляет 0,01÷3,0 мас.%. Композиция на основе полиамида 6-блочного предназначена для замены обычного полиамида 6-блочного в областях его применения.
Основными недостатками композиций на основе полиамида 6-блочного модифицированного углеродными добавками с фуллереновым наполнением являются:
- недостаточное улучшение механических характеристик, включая прочность на сжатие и разрыв, модуль Юнга, удлинение на разрыв, эластичность;
- выбранный метод синтеза композиционного материала (анионная полимеризация в присутствии натрия и толуидиндиизоцианата) не обеспечивает стабильности фуллеренов в условиях полимеризации и как результат, фуллерены химически изменяются в процессе синтеза. В результате набор ценных физико-химических характеристик фуллеренов не удается сохранить в конечном продукте.
Задачей заявляемого технического решения является повышение механических характеристик материала, расширение температурного рабочего интервала для изделий из заявляемой композиции.
Поставленная задача решается в двух вариантах, обеспечивающих получение одного и того же результата и связанных между собой единым изобретательским замыслом.
По первому варианту в полиамидном композиционном материале, состоящем из матрицы полиамида и модифицирующей его углеродной добавки; в качестве углеродной добавки используется фуллерен С60, или смесь фуллеренов С60, С70, а в качестве матрицы полиамида используется матрица полиамида 12-блочного при следующем соотношении компонентов, мас.%:
фуллерен С60, или смесь фуллеренов С60, С70 | 0.001-1.0, |
полиамид 12-блочный | остальное до 100. |
По второму варианту в полиамидном композиционном материале, состоящем из матрицы полиамида и модифицирующей его углеродной добавки; в качестве углеродной добавки используется фуллереновая сажа с содержанием в ней фуллеренов от 3 до 16 мас.%, а в качестве матрицы полиамида используется матрица полиамида 12-блочного при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Фуллереновая сажа | 0.01-1.0, |
полиамид 12-блочный | остальное до 100. |
При этом улучшение механических характеристик достигается при использовании первого типа углеродной добавки (примерно в 10 раз), тогда как второй тип углеродной добавки обеспечивает больший рост пластичности композиции. Для улучшения температурных характеристик использование обеих модифицирующих добавок равнозначно.
Сущность изобретения состоит в следующем. Фуллерен С60 растворим в матрице полиамида 12-блочного. В то же время фуллереновая сажа и фуллерен С70 не растворимы в этой матрице. Для действия комбинированных наполнителей при наполнении кристаллизующихся полимеров известна следующая закономерность. В том случае, когда полимер усиливается комбинированным наполнителем, максимальный эффект наблюдается для случая, когда один компонент слабо диспергирован в полимерной матрице, образует значительные агрегаты, а степень дисперсности другого велика. При этом высокодисперсный наполнитель способствует кристаллизации полимеров с образованием мелких сферолитов и повышает степень кристалличности полимеров. Кроме того, высокодисперсный наполнитель концентрируется в межфазных областях и таким образом влияет на структуру и морфологию кристаллического полимера на самых разных уровнях его организации, приводит к изменениям в размерах, форме, типе распределения надмолекулярных структур. Частицы низкодисперсного наполнителя концентрируются в аморфных областях. Поскольку наполнитель имеет тенденцию скапливаться именно в менее упорядоченных областях, действие наполнителя на свойства кристаллизующегося полимера, связанное с его влиянием на аморфную часть, может быть достигнуто при гораздо меньших концентрациях наполнителя, чем в случае его введения в аморфный полимер. Это же может быть одной из причин роста прочностных характеристик наполненных кристаллических полимеров при малых концентрациях наполнителя. Этот случай наблюдается для смеси фуллеренов С60, С70, так как фуллерен С 60 растворен в полимерной матрице, а фуллерен С70 - нет. С этим же эффектом связан рост механических характеристик полимерных композитов, усиленных фуллереновой сажей, так как входящий в ее состав фуллерен С60 растворяется в полимерной матрице, а остальные компоненты - нет.
Изобретение поясняется графиками, на которых приведено изменение модуля Юнга композиции в зависимости от доли внесенной углеродной добавки.
Фиг.1. Зависимость величины модуля Юнга, определенного методом сжатия, от количества введенных в полиамид 12-блочный фуллеренов С60 (1), смеси фуллеренов С60 , С70 (2).
Фиг.2. Зависимость величины модуля Юнга, определенного методом сжатия, от количества введенной в полиамид 12-блочный фуллереновой сажи.
Фиг.3. Температурный режим синтеза полимерных композиций на основе модифицированного полиамида 12-блочного.
Описание технологии синтеза композиций на основе полиамида 12-блочного, модифицированного фуллереновыми наполнителями.
Исследовано три вида фуллереновых наполнителей:
- индивидуальный фуллерен С60 (чистота 99.9%),
- смесь фуллеренов С60, С70 (68% фуллерена С60, 30% фуллерена С70 по весу, сумма высших фуллеренов около 2%),
- фуллереновая сажа.
Фуллереновая сажа является основным сырьем для получения фуллеренов и представляет собой ультрадисперсный углерод - продукт электродугового сжигания графитовых электродов в атмосфере инертного газа со средним размером частиц 0.5-1.0 мкм. Фуллереновая сажа является продуктом экстракции фуллеренов С60 и С70 (с небольшой, до 2 мас.% примесью высших фуллеренов - С 76, С78, C84, C90 ).
Исходное сырье для композиции - лаурилактам - предоставлено в виде крупных плоских гранул с диаметром до 15 мм и толщиной до 3 мм. Во время измельчения одновременно смешивают лауролактам со стеариновой кислотой в пропорции 69.4/1, что соответствует заданному соотношению исходных реагентов 98,5% к 1.42%. Измельчение проводится до состояния порошка с размером частиц менее 0.2 мм. Оба модификатора предоставлены в виде порошков. Сначала готовятся навески смеси лауролактама и стеариновой кислоты (8 навесок по 30 г). Расчетное количество добавок для приготовления материалов с заданными концентрациями 0.006 г, 0.012 г, 0.018 г и 0.024 г соответственно. Взвешивание фуллеренов производится на аналитических весах с точностью измерения до 0.00005 г. Навески модификатора помещаются в пластмассовые стаканы с реакционной смесью и тщательно перемешиваются. Процесс полимеризации проводится с различной скоростью нагревания термошкафа и продолжительностью от 2 до 12 часов.
В результате синтезированы компактные образцы полимерных композиций весом 30-50 г, модифицированные:
- индивидуальным фуллереном С60 (чистота 99,9%) с содержанием в образцах от 0,001 до 1,0 мас.%,
- смесью фуллеренов С60, С70 (68% фуллерена С60, 30% фуллерена С70 по весу, сумма высших фуллеренов около 2%) с содержанием в образцах от 0,001 до 1,0 мас.%,
- фуллереновой сажей с ее содержанием в образцах от 0,01 до 5 мас.%.
В результате были получены визуально однородные образцы либо оранжевого цвета (модифицированные индивидуальным фуллереном С60), либо коричневого цвета (модифицированные смесью фуллеренов С60/С70 ), либо черного цвета (модифицированные фуллереновой сажей).
Испытания образцов модифицированных полимерных композиций проводились в соответствии с ГОСТами, принятыми для полимерных материалов класса полиамидов, к которым относится немодифицированный полиамид 12-блочный.
В табл.1 приведены результаты испытаний предела прочности при сжатии, модуля Юнга, эластичности для немодифицированного полиамида 12-блочного и модифицированных композиций при различном составе.
Таблица 1 | |||||
Модификатор | Содержание модификатора, мас.% | Е, МПа (определен методом сжатия) | Е, ГПа (получен на УЗ-установке) | р, МПа | p, % |
- | 846±70 | 2,42±0,19 | 67±5 | 16±1 | |
С60 | 0,02 | 1007±43 | 2,61±0,06 | 72±5 | 20±2 |
0,04 | 978±92 | 2,96±0,08 | 69±5 | 17±1 | |
0,06 | 998±71 | 2,84±0,12 | 71±6 | 22±2 | |
0,08 | 1035±79 | 2,48±0,06 | 68±4 | 28±2 | |
С60-С70 | 0,02 | 1087±19 | 3,44±0,13 | 84±5 | 32±2 |
0,04 | 1012±45 | 3,30±0,18 | 75±5 | 19±1 | |
0,06 | 820±38 | 3,51±0,14 | 110±5 | 30±2 | |
0,08 | 1081±65 | 3,41±0,16 | 96 | 23±3 | |
Фуллереновая сажа | 0,1 | 725±78 | 2,98±0,07 | 85±15 | 42±2 |
0,2 | 899±92 | 3,07±0,13 | 110 | 33±2 | |
0,5 | 1007±26 | 2,65±0,21 | 66±2 | 20±1 |
На графиках приведено изменение модуля Юнга композиций в зависимости от их состава.
Из таблицы и графиков видно, что добавка фуллереновых наполнителей, осуществленная в соответствии с заявляемым изобретением, приводит:
- к увеличению прочности и эластичности на 30-50%. Этот эффект аналогичен введению стекловолокна, однако, в отличие от введения стекловолокна, содержание фуллеренового модификатора меньше в 10-1000 раз. Кроме того, введение фуллеренового модификатора не сказывается на плотности образца,
- к увеличению температуры размягчения, плавления и начала термодеструкции на 10-15°С.
При этом такие характеристики, как плотность и влагопоглощение, остаются практически неизменными.
Класс C08L77/02 полиамиды, получаемые из омега-аминокислот или их лактамов