RU2588622C1 - Method of producing ultra-high molecular polyethylene, modified with nanoparticles of hafnium oxide - Google Patents
Method of producing ultra-high molecular polyethylene, modified with nanoparticles of hafnium oxide Download PDFInfo
- Publication number
- RU2588622C1 RU2588622C1 RU2015119017/05A RU2015119017A RU2588622C1 RU 2588622 C1 RU2588622 C1 RU 2588622C1 RU 2015119017/05 A RU2015119017/05 A RU 2015119017/05A RU 2015119017 A RU2015119017 A RU 2015119017A RU 2588622 C1 RU2588622 C1 RU 2588622C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- uhmwpe
- acetophenone
- mixture
- modified
- hafnium
- Prior art date
Links
Landscapes
- Processes Of Treating Macromolecular Substances (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
- Transition And Organic Metals Composition Catalysts For Addition Polymerization (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к способам получения полимерных нанокомпозитных материалов и непосредственно касается получения сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), модифицированного наноразмерными частицами оксида гафния, который может быть применен в различных областях, например, для изготовления керамики, катализаторов, биомедицинских материалов, для изготовления материалов для элементов энергонезависимой памяти для нужд микроэлектроники.The present invention relates to methods for producing polymer nanocomposite materials and directly relates to the production of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) modified with nanosized particles of hafnium oxide, which can be used in various fields, for example, for the manufacture of ceramics, catalysts, biomedical materials, for the manufacture of materials for non-volatile elements memory for the needs of microelectronics.
Например, известно использование полимерных материалов, на примере поликарбонатов, модифицированных наночастицами оксида гафния, в таких областях медицины, как терапия, диагностика (RU 2447105, А61K 33/24, 2012, MX 2014007131 А61K 33/24, 2014; ЕР 201101193968, А61K 33/24, 2011), в самолетостроении для изготовления летательных конструкций (RU 2447105, C08L 69/02, 2012).For example, it is known to use polymeric materials, for example, polycarbonates modified with hafnium oxide nanoparticles, in such fields of medicine as therapy, diagnostics (RU 2447105, A61K 33/24, 2012, MX 2014007131 A61K 33/24, 2014; EP 201101193968, A61K 33 / 24, 2011), in aircraft construction for the manufacture of aircraft structures (RU 2447105, C08L 69/02, 2012).
На практике доказано, что полимерные композиции на основе полиолефинов, полиамидов, модифицированные наноразмерными частицами оксидов, карбидов, нитридов металлов, обладают улучшенными физико-механическими свойствами. Выявлено, что введение даже незначительных количеств наполнителей в матрицу полимерных материалов позволяет получать материалы с необычными физическими свойствами, в разы превышающими аналогичные свойства по сравнению с не модифицированным полимерами. Существенную роль при получении полимерных нанокомпозитных материалов, обладающих определенными физико-механическими свойствами, играет структура и размер вводимой модифицирующей добавки. Выявлено, что использование для модификации полимеров оксидов металлов в нанодисперсном состоянии существенно влияет на их свойства, например, позволяет уменьшить температуру изготовления композитных материалов, значительно увеличивает стойкость к истиранию, что является одной из причин широкого их применения в последнее время для изготовления новых полимерных материалов. В композиционных материалах одним из важных, характеризующих их параметров является размер входящих наночастиц, в том числе оксидов. В зависимости от размера частиц их подразделяют на наноструктурированные частицы (с размером 1-10 нм) и микроструктурированные частицы (с размером 50-500 нм). Размер частиц оксидов металлов, как следует из информационных источников, влияет на их каталитическую активность: чем меньше размер частиц, тем больше их каталитическая активность (JP 20100267439, C01G 35/00, 2010, JP 2011140433, 2011).In practice, it is proved that polymer compositions based on polyolefins, polyamides, modified with nanosized particles of metal oxides, carbides, nitrides, have improved physical and mechanical properties. It was revealed that the introduction of even insignificant amounts of fillers into the matrix of polymeric materials allows one to obtain materials with unusual physical properties that are several times higher than similar properties compared to unmodified polymers. The structure and size of the introduced modifying additive plays an essential role in the preparation of polymeric nanocomposite materials with certain physical and mechanical properties. It was revealed that the use of metal oxides in the nanodispersed state for modification of polymers significantly affects their properties, for example, it allows to reduce the manufacturing temperature of composite materials, significantly increases abrasion resistance, which is one of the reasons for their widespread use recently for the manufacture of new polymeric materials. In composite materials, one of the important parameters characterizing them is the size of the incoming nanoparticles, including oxides. Depending on the particle size, they are divided into nanostructured particles (with a size of 1-10 nm) and microstructured particles (with a size of 50-500 nm). The particle size of metal oxides, as follows from information sources, affects their catalytic activity: the smaller the particle size, the greater their catalytic activity (JP 20100267439, C01G 35/00, 2010, JP 2011140433, 2011).
Как показывает практика, наночастицы металлов, имеющие диаметр d=1-10 nм, сами по себе обладают сверхвысокой активностью, что усложняет их получение как таковых. Поэтому для облегчения получения этих материалов предложено получать наночастицы металлов, введенные в полимерную матрицу, и получать различные гетероструктуры, содержащие наночастицы. Исходные металлсодержащие соединения в описанном процессе подвергают терморазложению (термолизу) прямо в полимерной матрице, как правило, углеродсодержащей матрице, например, «carbon-rain» или поликарбосиланах или олигомерах. Особый интерес представляет применение в качестве матрицы сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМГГ) или High - pressure polyethelen (НРРЕ). Такой полимер имеет полукристаллическую пористую структуру (semicrystallen), содержащую как кристаллическую, так и аморфную области, что играет ключевую роль и определяет свойства материалов. Показателями, характеризующими пористость, являются: удельная поверхность пор (Ssp), объем пор (V0) и радиус пор (r). Как известно, сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) относится к неполярным полиэтиленам низкого давления, синтезируемым в результате полимеризации этилена. [SA.P. Gubain and G.Yu. Yrcov, Int. J. Materials& Product Technology, vol. 23, nos ½, 2005]. Выявлено, что введение даже незначительных количеств наполнителей в матрицу СВМПЭ позволяет получать материалы с необычными физическими свойствами, в разы превышающими аналогичные свойства по сравнению с не модифицированным СВМПЭ.As practice shows, metal nanoparticles having a diameter of d = 1-10 nm, in themselves, have ultra-high activity, which complicates their preparation as such. Therefore, to facilitate the preparation of these materials, it was proposed to obtain metal nanoparticles introduced into the polymer matrix and to obtain various heterostructures containing nanoparticles. The starting metal-containing compounds in the described process are subjected to thermal decomposition (thermolysis) directly in a polymer matrix, usually a carbon-containing matrix, for example, carbon-rain or polycarbosilanes or oligomers. Of particular interest is the use as a matrix of ultra-high molecular weight polyethylene (SVMHG) or High - pressure polyethelen (HPPE). Such a polymer has a semi-crystalline porous structure (semicrystallen) containing both crystalline and amorphous regions, which plays a key role and determines the properties of materials. The indicators characterizing the porosity are: specific pore surface (S sp ), pore volume (V 0 ) and pore radius (r). As you know, ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) refers to non-polar low-pressure polyethylene, synthesized as a result of polymerization of ethylene. [SA.P. Gubain and G.Yu. Yrcov, Int. J. Materials & Product Technology, vol. 23, nos ½, 2005]. It was revealed that the introduction of even insignificant amounts of fillers into the UHMWPE matrix allows one to obtain materials with unusual physical properties that are several times higher than those compared to unmodified UHMWPE.
Особое внимание при получении полимеров, модифицированных наночастицами, уделяется разработке техники их смешения. Выделяются три основных метода смешения полимеров с наночастицами: 1) диспергирование в растворах; 2) совместная полимеризация «in-situ»; 3) смешение в расплаве (RU 2433082, В82Y 3/00, 2012). Как известно, выбор того или иного метода обусловлен типом полимера. Например, для полярных полимеров применяются все три названные метода. Для неполярных или слабо полярных полимеров, к которым относится и СВМПЭ, более предпочтителен метод совместной полимеризации «in-situ». В качестве исходных продуктов для получения модифицированного СВМПЭ могут использоваться уже готовые нанопорошки оксидов металлов, которые затем смешивают с полимером (СВМПЭ) и смесь подвергают соответствующей обработке. Так, известный способ (Г.Е. Селютин и др. Изменение износостойкости пластин сверхвысокомолекулярного полиэтилена при его модификации. Химическая технология, 2009 г., №7, с. 422) включает введение механически активированных керамических порошков в сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) с молекулярной массой до 8×106. Для этого исходную смесь подвергают обработке в планетарных активаторах на установке мощностью порядка 1000 Вт/г, перемешивают в миксере и далее подвергают методу горячего прессования. Этот процесс, как видно, включает дополнительную стадию получения модификатора - наночастиц оксидов металлов, которые могут быть предварительно получены различными методами.Particular attention in the preparation of polymers modified with nanoparticles is given to the development of techniques for their mixing. Three main methods of mixing polymers with nanoparticles are distinguished: 1) dispersion in solutions; 2) joint in situ polymerization; 3) melt mixing (RU 2433082, B82Y 3/00, 2012). As you know, the choice of a method is determined by the type of polymer. For example, for polar polymers, all three of these methods are applied. For non-polar or weakly polar polymers, which include UHMWPE, the in situ co-polymerization method is more preferred. Ready-made nanopowders of metal oxides, which are then mixed with a polymer (UHMWPE) and the mixture are subjected to appropriate processing, can be used as initial products for obtaining modified UHMWPE. Thus, the known method (G.E. Selyutin et al. Changes in the wear resistance of ultra-high molecular weight polyethylene plates during its modification. Chemical Technology, 2009, No. 7, p. 422) involves the introduction of mechanically activated ceramic powders into ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) with molecular weighing up to 8 × 10 6 . For this, the initial mixture is subjected to processing in planetary activators on a plant with a capacity of about 1000 W / g, mixed in a mixer and then subjected to the hot pressing method. This process, as can be seen, involves an additional step in the preparation of a modifier — metal oxide nanoparticles, which can be preliminarily obtained by various methods.
Известно несколько методов получения наночастиц оксидов металлов: механохимический, плазмохимический, жидкофазный метод химического осаждения из растворов, гидротермальный синтез.Several methods for producing metal oxide nanoparticles are known: mechanochemical, plasma chemical, liquid-phase chemical precipitation from solutions, hydrothermal synthesis.
Механохимический метод, который включает стадию измельчения предварительно диспергированного оксида металла в планетарных или шаровых мельницах. Метод довольно трудоемок и недостаточно эффективен. Для получения нанодисперсных оксидов металлов также применяются плазмохимический метод (RU 2071678, C01G 31/02, 1994); гидротермальный синтез (CN 1636932, C01G 25/02, 2005); твердофазный синтез (CN 101844807, В82 В 3/00, C01G 27/02, 2010; CN 101823766, В82В 3/00, C01G 27/02, 2010), осуществляемый при температуре порядка 500-800°C. Все эти перечисленные методы являются довольно энергоемкими и требуют сложного специального оборудования.The mechanochemical method, which includes the stage of grinding a pre-dispersed metal oxide in planetary or ball mills. The method is quite laborious and not effective enough. To obtain nanodispersed metal oxides, the plasma chemical method is also used (RU 2071678, C01G 31/02, 1994); hydrothermal synthesis (CN 1636932, C01G 25/02, 2005); solid-phase synthesis (CN 101844807, B82B 3/00, C01G 27/02, 2010; CN 101823766, B82B 3/00, C01G 27/02, 2010), carried out at a temperature of about 500-800 ° C. All of these methods are quite energy intensive and require sophisticated special equipment.
Для получения нанопорошков металлов, в том числе и оксида гафния, применяется также жидкофазный метод, который считается наименее трудоемким и энергоемким. В качестве исходных солей гафния в этом методе, как и в твердофазном методе, обычно применяется хлорид гафния и реже оксихлорид гафния. Однако нанопорошки, полученные данным методом, обладают высокой степенью агрегации и агломерации, что делает их непригодными для получения плотной высокопрочной керамики (Шабанова Н.А. и др. Химия и технология нанодисперсных оксидов. М.: Академкнига, 2006, 309). Для предотвращения агрегации приходится применять дополнительные стадии, например, распыление и быструю заморозку жидким азотом, вакуумную сублимацию и последующую прокалку (US 5004710) или осаждение в ультразвуковом поле (от 20-50 кГц) с последующей сушкой и прокалкой (RU 2058939, C01G 25/02, 2000), сушку под воздействием СВЧ-излучения в частотном диапазоне 500-2000 МГц с непрерывной мощностью 3-50 кВт. (Konstantinova Т.Е. et.al. The mechanisms of particle formation in Y-doped ZrO2 // Int/J/Nanotechnology, 2006, vol. 3, №1, p. 29-38).To obtain metal nanopowders, including hafnium oxide, the liquid-phase method is also used, which is considered the least labor-intensive and energy-intensive. In this method, as in the solid-phase method, hafnium chloride and, less commonly, hafnium oxychloride are usually used as the starting hafnium salts. However, nanopowders obtained by this method have a high degree of aggregation and agglomeration, which makes them unsuitable for obtaining dense high-strength ceramics (Shabanova N.A. et al. Chemistry and Technology of Nanodispersed Oxides. M .: Akademkniga, 2006, 309). To prevent aggregation, additional steps have to be used, for example, spraying and quick freezing with liquid nitrogen, vacuum sublimation and subsequent calcination (US 5004710) or sedimentation in an ultrasonic field (from 20-50 kHz), followed by drying and calcination (RU 2058939, C01G 25 / 02, 2000), drying under the influence of microwave radiation in the frequency range 500-2000 MHz with a continuous power of 3-50 kW. (Konstantinova T.E. et.al. The mechanisms of particle formation in Y-doped ZrO 2 // Int / J / Nanotechnology, 2006, vol. 3, No. 1, p. 29-38).
Дополнительные исследования показали, что рассмотренный выше метод получения СВМПЭ, модифицированного наночастицами оксидов металлов, включающий предварительную стадию получения наночастиц оксидов металлов, очень трудоемок и недостаточно эффективен для получения СВМПЭ, модифицированного наночастицами оксида гафния.Additional studies showed that the above method for producing UHMWPE modified with nanoparticles of metal oxides, including the preliminary stage of obtaining nanoparticles of metal oxides, is very laborious and not effective enough to produce UHMWPE modified with nanoparticles of hafnium oxide.
Для предлагаемого изобретения наиболее близким по технической сущности является метод совместной полимеризации «in-situ», Этим методом получают, например, нанокомпозиты полиамида-6, полиэтилена, в том числе СВМПЭ, и полистирола (RU 2433082, В82 3/00, 2012).]. Метод «in-situ» предлагается также для введения в СВМПЭ наночастиц оксидов переходных металлов, выбранных из группы: М=Ва, Be, Са, Cd, Со, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Nd, Ni, Pt, Re, Ti, Pb, Sr, Sm, W, Zn ([SA.P. Gubain and G.Yu. Yrcov, Int. J.Materials& Product Technology, vol. 23, nos ½, 2005], а также для получения СВМПЭ, модифицированного пентоксидом тантала (RU 2532926, C08L 213/06, 2014). В цитированной выше публикации предлагается вводить в матрицу СВМПЭ наночастицы оксидов переходных металлов, выбранных из группы: М=Ва, Be, Са, Cd, Co,Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Nd, Ni, Pt, Re, Ti, Pb, Sr, Sm, W, Zn, для чего предлагается использовать широкую группу неорганических солей данных металлов и их металлсодержащие соединения формулы: MRn, где М - указанный выше металл, a R=СО, НСОО, СН3СОО, С2О4. В качестве конкретных примеров в данной статье приводится использование ацетата железа, ацетата бария, ацетата стронция. Например, разложение ацетата железа до образования оксида железа предлагается проводить в растворе полиэтилена в очищенном масле (bobbin oil) и при температуре 250°C в атмосфере. Существенную роль на свойства модифицированного СВМПЭ оказывает введение именно наноразмерных частиц, что объясняется высокой поверхностной энергией таких частиц и способностью их влиять на формирование надмолекулярных агрегатов макромолекул СВМПЭ, которые при наличии модифицирующих частиц приобретают большую упорядоченность [Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. - М. Химия, 2000].For the present invention, the closest in technical essence is the method of co-polymerization "in situ", this method is obtained, for example, nanocomposites of polyamide-6, polyethylene, including UHMWPE, and polystyrene (RU 2433082, B82 3/00, 2012). ]. The in-situ method is also proposed for introducing into the UHMWPE nanoparticles of transition metal oxides selected from the group: M = Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Nd, Ni, Pt, Re , Ti, Pb, Sr, Sm, W, Zn ([SA.P. Gubain and G. Yu. Yrcov, Int. J. Materials & Product Technology, vol. 23, nos ½, 2005], and also for the production of UHMWPE, modified tantalum pentoxide (RU 2532926, C08L 213/06, 2014). In the publication cited above, it is proposed to introduce into the UHMWPE matrix nanoparticles of transition metal oxides selected from the group: M = Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe , Mn, Mo, Nd, Ni, Pt, Re, Ti, Pb, Sr, Sm, W, Zn, for which it is proposed to use a wide group of inorganic Olay these metals and metal containing compounds of the formula:. MRn, where M - above metal, a R = CO, HCOO, CH 3 COO, C 2 O 4 As specific examples in this article the use of iron acetate, barium acetate, acetate strontium For example, decomposition of iron acetate to form iron oxide is proposed to be carried out in a solution of polyethylene in purified oil (bobbin oil) and at a temperature of 250 ° C in the atmosphere. The introduction of nanosized particles plays a significant role in the properties of modified UHMWPE, which is explained by the high surface energy of such particles and their ability to influence the formation of supramolecular aggregates of UHMWPE macromolecules, which become more orderly in the presence of modifying particles [Pomogailo AD, Rosenberg AS Ufland I.E. Metal nanoparticles in polymers. - M. Chemistry, 2000].
Известно также получение сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), модифицированного наноразмерными частицами пентоксида тантала (RU 2532926, C08L 213/06, 2014). Данный известный способ также, как и вышерассмотренный, осуществляют так называемым методом совместной полимеризация «in-situ». Данный способ осуществляют в несколько стадий: получают бензольный раствор СВМПЭ; добавляют к нему бензиловый спирт; перемешивают полученную реакционную массу со скоростью 400-500 об/мин при кипении в течение 5,0-6,0 часов; фильтруют, промывают бензолом, отгоняют растворитель; добавляют к полученной реакционной массе бензольный раствор пентахлорида тантала в количестве, соответствующем мольному соотношению пентахлорида тантала к бензиловому спирту, равному 1:5-5,3; образовавшуюся реакционную массу перемешивают со скоростью 400-500 об/мин при кипении в течение 3-4-х часов, охлаждают; выделяют целевой продукт фильтрацией, промывкой, экстракцией хлороформом и вакуумной отгонкой растворителя.It is also known to obtain ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) modified with nanosized particles of tantalum pentoxide (RU 2532926, C08L 213/06, 2014). This known method as well as the above, carry out the so-called method of joint polymerization "in situ". This method is carried out in several stages: receive a UHMWPE benzene solution; benzyl alcohol is added to it; mix the resulting reaction mass at a speed of 400-500 rpm at boiling for 5.0-6.0 hours; filtered, washed with benzene, distilled off the solvent; add to the resulting reaction mass a benzene solution of tantalum pentachloride in an amount corresponding to a molar ratio of tantalum pentachloride to benzyl alcohol equal to 1: 5-5.3; the resulting reaction mass is stirred at a speed of 400-500 rpm at boiling for 3-4 hours, cooled; the target product is isolated by filtration, washing, extraction with chloroform and vacuum distillation of the solvent.
Выход СВМПЭ, модифицированного оксидом тантала, в расчете на исходный загруженный полиэтилен в данном случае составляет 93%.The output of UHMWPE modified with tantalum oxide, calculated on the initial loaded polyethylene in this case is 93%.
Содержание наночастиц пентоксида тантала в данном полимере составляет 0,07 мас. %.The content of tantalum pentoxide nanoparticles in this polymer is 0.07 wt. %
Для расширения ассортимента композиционных материалов с улучшенными физико-механическими свойствами предлагается способ получения сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), модифицированного наночастицами оксида гафния, включающий стадию диспергирования СВМПЭ в органических растворителях, последующую стадию введения в образовавшуюся органическую суспензию СВМПЭ органического раствора тетрахлорида гафния и стадию выделения СВМПЭ, модифицированного наночастицами оксида гафния, характеризующийся тем, что на начальной стадии процесса к исходному СВМПЭ при интенсивном перемешивании добавляют ацетофенон или ацетофенон-ксилольную смесь и затем прикапывают бензоловый спирт, после чего реакционную массу интенсивно перемешивают в течение 4-5 часов, поддерживая температуру на уровне 80-100°C, и к образовавшейся суспензии прикапывают раствор тетрахлорида гафния в ацетофеноне или ацетофенон-ксилольной смеси, содержащий тетрахлорид гафния в количестве, соответствующем его мольному соотношению к бензиловому спирту, равному 1:4,3, после чего смесь интенсивно перемешивают в течение 5-6 часов, поддерживая температуру на уровне 80-100°C, и затем образовавшуюся суспензию охлаждают, обрабатывают хлороформом, отгоняют из нее растворитель и сушат.To expand the range of composite materials with improved physicomechanical properties, a method for producing ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) modified with hafnium oxide nanoparticles is proposed. modified nanoparticles of hafnium oxide, characterized in that at the initial stage In the process, acetophenone or acetophenone-xylene mixture is added to the initial UHMWPE with vigorous stirring and then benzene alcohol is added dropwise, after which the reaction mass is intensively stirred for 4-5 hours, maintaining the temperature at 80-100 ° C, and a tetrachloride solution is added dropwise to the resulting suspension. hafnium in acetophenone or acetophenone-xylene mixture containing hafnium tetrachloride in an amount corresponding to its molar ratio to benzyl alcohol equal to 1: 4.3, after which the mixture is intensively mixed for 5-6 hours, maintaining the temperature at 80-100 ° C, and then the resulting suspension is cooled, treated with chloroform, the solvent is distilled from it and dried.
При этом используемая в качестве растворителя ацетофенон-ксилольная смесь содержит, предпочтительно, 15-50% ксилола от общего объема смеси.The acetophenone-xylene mixture used as a solvent preferably contains 15-50% xylene of the total mixture volume.
Перемешивание проводят, предпочтительно, со скоростью 400-500 об/мин.Stirring is preferably carried out at a speed of 400-500 rpm.
Как видно из краткого описания процесса, предлагаемый способ включает в себя три основных стадии.As can be seen from the brief description of the process, the proposed method includes three main stages.
Первая стадия заключается в диспергировании СВМПЭ в ацетофеноне или ацетофенон-ксилольной смеси при нагревании и перемешивании с последующим добавлением необходимого количества бензилового спирта. Необходимыми условиями проведения данного этапа являются:The first stage consists in dispersing UHMWPE in acetophenone or acetophenone-xylene mixture with heating and stirring, followed by the addition of the required amount of benzyl alcohol. The necessary conditions for this stage are:
введение необходимого количества бензилового спирта (из расчета мольного соотношения бензилового спирта к хлориду гафния, равному 4-4,3:1);the introduction of the required amount of benzyl alcohol (based on the molar ratio of benzyl alcohol to hafnium chloride equal to 4-4.3: 1);
осуществление диспергирования СВМПЭ при интенсивном перемешивании, предпочтительно со скоростью 400-500 об/мин (например, с применением магнитной мешалки);dispersing UHMWPE with vigorous stirring, preferably at a speed of 400-500 rpm (for example, using a magnetic stirrer);
поддержание определенных температурных и временных режимов (80-100°C в течение 4-5 часов), которые напрямую зависят от выбранных растворителей;maintaining certain temperature and time conditions (80-100 ° C for 4-5 hours), which are directly dependent on the selected solvents;
выбор в качестве растворителей для диспергирования СВМПЭ ацетофенона или ацетофенон-ксилольной смеси, в которой содержание ксилола составляет, предпочтительно, 15-50% от общего объема смеси растворителей.the choice of acetophenone or acetophenone-xylene mixture as a solvent for dispersing UHMWPE, in which the xylene content is preferably 15-50% of the total volume of the solvent mixture.
Выбор в качестве растворителей для диспергирования СВМПЭ ацетофенона или ацетофенон-ксилольной смеси объясняется тем, что именно эти растворители выбраны в качестве растворителей твердого хлорида гафния на последующей стадии рассматриваемого процессаThe choice of acetophenone or acetophenone-xylene mixture as solvents for dispersion of UHMWPE is explained by the fact that these solvents were chosen as solvents of solid hafnium chloride at the next stage of the process under consideration
Вторая стадия, идущая с образованием наночастиц диоксида гафния в макромолекулах СВМПЭ, включает добавление к нагретой суспензии, образовавшейся после добавления бензилового спирта к СВМПЭ, соответствующего количества хлорида гафния, который в макромолекулах полимера (СВМПЭ) вступает в реакцию с бензиловым спиртом согласно ниже приведенному химизму реакции, и в результате гидролиза образуется диоксид гафния:The second stage, which takes place with the formation of hafnium dioxide nanoparticles in UHMWPE macromolecules, involves adding to the heated suspension formed after adding benzyl alcohol to UHMWPE the corresponding amount of hafnium chloride, which in polymer macromolecules (UHMWPE) reacts with benzyl alcohol according to the reaction chemistry given below , and as a result of hydrolysis, hafnium dioxide is formed:
Необходимым условием проведения данного этапа предлагаемого способа является выбор в качестве исходного гафнийсодержащего продукта тетрахлорида гафния, который в реакцию с бензиловым спиртом вводится в виде раствора в ацетофеноне или в ацетофенон-ксилольной смеси,A necessary condition for carrying out this stage of the proposed method is the selection of hafnium tetrachloride as the initial hafnium-containing product, which is introduced into the reaction with benzyl alcohol in the form of a solution in acetophenone or in an acetophenone-xylene mixture,
Выбор в качестве растворителей для диспергирования СВМПЭ ацетофенона или ацетофенон-ксилольной смеси объясняется тем, что именно эти растворителя обладают лучшей растворяющей способностью по отношению к твердому хлориду гафния, в отличие, например, от бензола, который, как известно, применяется при получении СВМПЭ, модифицированного наночастицами оксида тантала (RU 2532926, C08L 213/06, 2014). Известно, что при растворении хлорида гафния в ацетофеноне и ксилоле образуются промежуточные комплексные соединения, которые влияют на эффективность процесса гидролиза.The choice of acetophenone or acetophenone-xylene mixture as dispersion solvents for UHMWPE is explained by the fact that these solvents have the best dissolving ability with respect to solid hafnium chloride, unlike, for example, benzene, which is known to be used in the preparation of modified UHMWPE tantalum oxide nanoparticles (RU 2532926, C08L 213/06, 2014). It is known that upon dissolution of hafnium chloride in acetophenone and xylene, intermediate complex compounds are formed that affect the efficiency of the hydrolysis process.
Тетрахлорид гафния (твердый продукт) используется в количестве, соответствующем его мольному соотношению к бензиловому спирту, равному 1:4,0-4,3. Необходимым условием проведения данной стадии процесса являются температурные и временные режимы, а именно интенсивное перемешивание образовавшейся реакционной массы в течение 5-6 часов, поддерживая температуру на уровне 80-100°C, а именно проведение процесса при температуре кипения растворителя или близкой к температуре кипения. В случае завышения температуры имеет место нежелательное гелеобразование СВМПЭ.Hafnium tetrachloride (solid product) is used in an amount corresponding to its molar ratio to benzyl alcohol equal to 1: 4.0-4.3. A necessary condition for carrying out this stage of the process is temperature and time conditions, namely, intensive mixing of the resulting reaction mass for 5-6 hours, maintaining the temperature at 80-100 ° C, namely, carrying out the process at the boiling point of the solvent or close to the boiling point. In the case of an increase in temperature, undesired gelation of UHMWPE occurs.
Третья стадия - это очистка конечного продукта от растворителя (ацетофенона, ксилола) и не прореагировавших исходных продуктов, для которой применяются известные методы очистки: фильтрация, обработка продукта растворителем (хлороформом), и последующая отгонка растворителей и сушка.The third stage is the purification of the final product from the solvent (acetophenone, xylene) and unreacted starting materials, for which the known purification methods are used: filtration, processing of the product with solvent (chloroform), and subsequent distillation of the solvents and drying.
Ниже изобретение иллюстрируется следующими примерами.Below the invention is illustrated by the following examples.
Пример 1.Example 1
В четырехгорлую колбу, вместимостью 2000 см, снабженную магнитной мешалкой, термометром, обратным холодильником с хлоркальциевой трубкой, а также капельной воронкой, загружают 150 г СВМПЭ. Добавляют в эту же колбу небольшими порциями 400 мл растворитель (смесь ацетофенона и ксилола в равном объемном соотношении) при скорости перемешиваний магнитной мешалки 400 об/с. Сразу же после добавления растворителя в колбу заливают 31,5 г бензилового спирта (30 мл, 290 ммоль) через капельную воронку и по окончании прибавления бензилового спирта смесь интенсивно перемешивают со скоростью 500 оборотов в минуту при 100°C в течение 5 часов с помощью магнитной мешалки.In a four-necked flask with a capacity of 2000 cm, equipped with a magnetic stirrer, a thermometer, a reflux condenser with a calcium chloride tube, and also a dropping funnel, 150 g of UHMWPE are charged. 400 ml of solvent (a mixture of acetophenone and xylene in an equal volume ratio) are added to the same flask in small portions at a stirring speed of a magnetic stirrer of 400 rpm. Immediately after adding the solvent, 31.5 g of benzyl alcohol (30 ml, 290 mmol) was added to the flask through a dropping funnel and, after the addition of benzyl alcohol, the mixture was intensively stirred at a speed of 500 rpm at 100 ° C for 5 hours using magnetic mixers.
После добавления к суспензии СВМПЭ бензилового спирта добавляют предварительно полученный раствор хлорида гафния в количестве, соответствующем мольному соотношению бензилового спирта к тетрахлориду гафния, равному 4:1. Добавляемый раствор получают из хлорида гафния (72 ммоль; 23,11 г) и ацетофенон-ксилольной смеси, содержащей 50% ксилола (50 мл). Для приготовления раствора берут плоскодонную колбу вместимостью 250 см, добавляют с помощью стеклянной воронки тетрахлорид гафния, затем растворитель. Полученный раствор добавляют через капельную воронку к суспензии СВМПЭ при постоянном перемешивании при скорости 400 об/мин и нагревании при 90°C в течение 6 часов. Затем образовавшуюся суспензию охлаждают до комнатной температуры, после чего продолжают охлаждение на водяной бане. Полученную суспензию фильтруют в вакууме водоструйного насоса, обрабатывают хлороформом 3 часа при 100°C. Отгоняют растворитель на роторном испарителе (20-30 мм рт.ст. 110 об/мин). Получают белый порошок массой 142,5 г. Выход продукта в расчете на исходный загруженный полиэтилен составляет 95%. Получившийся после фильтрации порошок заливают 100 мл хлороформа, перемешивают и снова фильтруют на фильтре Шотта в вакууме водоструйного насоса. Для полной и тщательной промывки продукта от непрореагировавших исходных веществ помещают получившийся порошок в аппарат Сокслета. В экстракционную колбу аппарата Сокслета наливают 300 мл хлороформа. Проводят экстракцию хлороформом в течение 3 часов. После отгонки растворителя получают белый порошок массой 142,5 г. Выход продукта в расчете на исходный загруженный полиэтилен составляет 95%.After adding benzyl alcohol to the suspension of UHMWPE, the previously prepared hafnium chloride solution is added in an amount corresponding to a molar ratio of benzyl alcohol to hafnium tetrachloride equal to 4: 1. The added solution was prepared from hafnium chloride (72 mmol; 23.11 g) and an acetophenone-xylene mixture containing 50% xylene (50 ml). To prepare the solution, a flat-bottomed flask with a capacity of 250 cm is taken, hafnium tetrachloride is added using a glass funnel, then the solvent. The resulting solution was added through a dropping funnel to the suspension of UHMWPE with constant stirring at a speed of 400 rpm and heating at 90 ° C for 6 hours. Then the resulting suspension is cooled to room temperature, after which cooling is continued in a water bath. The resulting suspension is filtered under vacuum of a water-jet pump, treated with chloroform for 3 hours at 100 ° C. The solvent is distilled off on a rotary evaporator (20-30 mm Hg 110 rpm). A white powder weighing 142.5 g is obtained. The product yield, based on the initial loaded polyethylene, is 95%. The powder obtained after filtration is poured into 100 ml of chloroform, stirred and again filtered on a Schott filter in a vacuum of a water-jet pump. For complete and thorough washing of the product from unreacted starting materials, the resulting powder is placed in a Soxhlet apparatus. 300 ml of chloroform are poured into an Soxhlet extraction flask. Extraction is carried out with chloroform for 3 hours. After distillation of the solvent, a white powder weighing 142.5 g is obtained. The product yield, based on the initial loaded polyethylene, is 95%.
Пример 2.Example 2
Загружают 150 г СВМПЭ и добавляют в эту же колбу небольшими порциями 400 мл ацетофенона при скорости перемешивании магнитной мешалки 500 об/мин. Сразу же после добавления растворителя в колбу прикапывают 33,8 г бензилового спирта (32,3 мл, 311,75 ммоль). По окончании прибавления бензилового спирта смесь перемешивают при скорости 500 об/мин при температуре 80°C в течение 4 часов.150 g of UHMWPE are charged and 400 ml of acetophenone are added to the same flask in small portions at a stirring speed of a magnetic stirrer of 500 rpm. 33.8 g of benzyl alcohol (32.3 ml, 311.75 mmol) are added dropwise to the flask immediately after the addition of solvent. Upon completion of the addition of benzyl alcohol, the mixture is stirred at a speed of 500 rpm at a temperature of 80 ° C for 4 hours.
К суспензии добавляют предварительно полученный раствор хлорида гафния (мольное соотношение бензилового спирта к хлориду гафния 4,3:1). Раствор хлорида гафния получают из хлорида гафния (72 ммоль; 23,11 г) и ацетофенона (50 мл). Для приготовления раствора берут плоскодонную колбу, вместимостью 250 см3, добавляют с помощью стеклянной воронки тетрахлорид гафния, затем растворитель. Полученный раствор добавляют через капельную воронку к суспензии СВМПЭ при постоянном перемешивании со скоростью 500 об/мин и нагревании при 90°C в течение 5 часов, образовавшуюся суспензию далее обрабатывают аналогично примеру 3: охлаждают, подвергают фильтрации, экстракционной очистке хлороформом, вакуумной отгонке растворителей и сушке (аналогично примеру 1).A pre-prepared hafnium chloride solution is added to the suspension (molar ratio of benzyl alcohol to hafnium chloride 4.3: 1). A hafnium chloride solution is prepared from hafnium chloride (72 mmol; 23.11 g) and acetophenone (50 ml). To prepare the solution, a flat-bottomed flask with a capacity of 250 cm 3 is taken, hafnium tetrachloride is added using a glass funnel, then the solvent. The resulting solution is added via a dropping funnel to the UHMWPE suspension with constant stirring at a speed of 500 rpm and heating at 90 ° C for 5 hours, the resulting suspension is further processed as in example 3: it is cooled, filtered, extracted with chloroform, vacuum distilled solvents and drying (analogous to example 1).
Пример 3.Example 3
Загружают 150 г СВМПЭ и добавляют в эту же колбу небольшими порциями 400 мл ацетофенон-ксилольной смеси, содержащей 15% объемных ксилола, при скорости перемешиваний магнитной мешалки 500 об/мин. Сразу же после добавления растворителя в колбу прикапывают 31,5 г бензилового спирта (30 мл, 290 ммоль) через капельную воронку и по окончании прибавления бензилового спирта смесь перемешивают при скорости 500 об/мин при температуре 80°C в течение 4 часов.150 g of UHMWPE are charged and 400 ml of acetophenone-xylene mixture containing 15% by volume of xylene are added in small portions to the same flask at a stirring speed of the magnetic stirrer of 500 rpm. Immediately after adding the solvent, 31.5 g of benzyl alcohol (30 ml, 290 mmol) are added dropwise through a dropping funnel and, after the addition of benzyl alcohol, the mixture is stirred at a speed of 500 rpm at 80 ° C for 4 hours.
После добавления к суспензии СВМПЭ бензилового спирта добавляют предварительно полученный раствор хлорида гафния в количестве, соответствующем мольному соотношению бензилового спирта к тетрахлориду гафния, равному 4:1. Добавляемый раствор получают из хлорида гафния (72 ммоль; 23,11 г) и ацетофенон - ксилольной смеси, содержащей 15% ксилола(50 мл). Для приготовления раствора берут плоскодонную колбу вместимостью 250 см3, добавляют с помощью стеклянной воронки тетрахлорид гафния, затем растворитель. Полученный раствор добавляют через капельную воронку к суспензии СВМПЭ при постоянном перемешивании и нагревании при 90°C в течение 6 часов.After adding benzyl alcohol to the suspension of UHMWPE, the previously prepared hafnium chloride solution is added in an amount corresponding to a molar ratio of benzyl alcohol to hafnium tetrachloride equal to 4: 1. The added solution is obtained from hafnium chloride (72 mmol; 23.11 g) and acetophenone - a xylene mixture containing 15% xylene (50 ml). To prepare the solution, a flat-bottomed flask with a capacity of 250 cm 3 is taken, hafnium tetrachloride is added using a glass funnel, then the solvent. The resulting solution was added via a dropping funnel to the suspension of UHMWPE with constant stirring and heating at 90 ° C for 6 hours.
Затем образовавшуюся суспензию охлаждают до комнатной температуры, после чего продолжают охлаждение на водяной бане. Полученную суспензию фильтруют в вакууме водоструйного насоса, обрабатывают хлороформом 3 часа при 100°C. Отгоняют растворитель на роторном испарителе (20-30 мм рт.ст. 110 об/мин). Получают белый порошок массой 142,5 г. Выход продукта в расчете на исходный загруженный полиэтилен составляет 95%.Then the resulting suspension is cooled to room temperature, after which cooling is continued in a water bath. The resulting suspension is filtered under vacuum of a water-jet pump, treated with chloroform for 3 hours at 100 ° C. The solvent is distilled off on a rotary evaporator (20-30 mm Hg 110 rpm). A white powder weighing 142.5 g is obtained. The product yield, based on the initial loaded polyethylene, is 95%.
Приведенные ниже данные показывают, что сверхвысокомолекулярный полиэтилен, модифицированный наночастицами оксида гафния, представляет собой белый порошок с размером частиц в области 50-200 микрон.The data below show that ultra-high molecular weight polyethylene modified with hafnium oxide nanoparticles is a white powder with a particle size in the region of 50-200 microns.
Как показывают дополнительные исследования, материалы, полученные на основе СВМПЭ, модифицированного оксидом гафния, имеют высокие физико-механические свойства. При исследовании полученных по описываемому методу образцов модифицированного СВМПЭ методом ДСК обнаружено увеличение температуры начала плавления на 5°C при содержании наночастиц оксидов 0,1% вес, что свидетельствует о существенном влиянии введенной добавки на кристалличность полимера. Так же данные исследования методом ДРС свидетельствуют о существенном изменении диэлектрической проницаемости образцов модифицированного наночастицами оксидов гафния СВМПЭ, что указывает на изменение морфологических свойств образцов, в частности на характер упаковки макромолекул полимера в кристаллитах. Прочность на разрыв и модуль упругости полученных образцов на 10-20% выше, чем у исходного СВМПЭ.As additional studies show, materials based on UHMWPE modified with hafnium oxide have high physical and mechanical properties. In the study of samples of the modified UHMWPE obtained by the described method by DSC, an increase in the temperature of the onset of melting by 5 ° C was detected with an oxide nanoparticle content of 0.1% by weight, which indicates a significant effect of the added additive on the crystallinity of the polymer. Also, the data obtained by the DLS method indicate a significant change in the dielectric constant of the samples modified by nanoparticles of hafnium oxides UHMWPE, which indicates a change in the morphological properties of the samples, in particular, on the nature of the packing of polymer macromolecules in crystallites. The tensile strength and elastic modulus of the obtained samples are 10-20% higher than that of the initial UHMWPE.
Подтверждением того, что образец действительно содержит наночастицы оксида гафния, являются микрофотографии его поверхности, сделанные при помощи сканирующего электронного микроскопа HITACHI SU 1510.The fact that the sample really contains hafnium oxide nanoparticles is confirmed by micrographs of its surface made using a HITACHI SU 1510 scanning electron microscope.
Данный продукт может быть применен для изготовления изоляторов, работающих в диапазоне высоких и сверхвысоких частот, опор изоляторов, кабелепроводов и др. электротехнических устройств, в химической промышленности для футеровки емкостей, труб, для транспортировки жидкостей.This product can be used for the manufacture of insulators operating in the high and ultra-high frequency range, insulator supports, conduits and other electrical devices, in the chemical industry for lining containers, pipes, and for transporting liquids.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015119017/05A RU2588622C1 (en) | 2015-05-21 | 2015-05-21 | Method of producing ultra-high molecular polyethylene, modified with nanoparticles of hafnium oxide |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015119017/05A RU2588622C1 (en) | 2015-05-21 | 2015-05-21 | Method of producing ultra-high molecular polyethylene, modified with nanoparticles of hafnium oxide |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2588622C1 true RU2588622C1 (en) | 2016-07-10 |
Family
ID=56370606
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015119017/05A RU2588622C1 (en) | 2015-05-21 | 2015-05-21 | Method of producing ultra-high molecular polyethylene, modified with nanoparticles of hafnium oxide |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2588622C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011089017A1 (en) * | 2010-01-22 | 2011-07-28 | Basell Polyolefine Gmbh | Ultra-high molecular weight polyethylene |
RU2433082C2 (en) * | 2009-09-28 | 2011-11-10 | Закрытое акционерное общество "Уралпластик-Н" | Method to produce polymer compositions based on micro- and nano-disperse ceramic powders |
RU2505562C1 (en) * | 2012-05-22 | 2014-01-27 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии И Химической Технологии Сибирского Отделения Российской Академии Наук (Иххт Со Ран) | Composite material based on synthetic cis-isoprene rubber and ultrahigh molecular weight polyethylene (uhmwpe) for outer lining of conveyor belts |
RU2532926C1 (en) * | 2013-09-12 | 2014-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ", Министерства образования и науки Российской Федерации | Method of ultrahigh-molecular weight polyethylene (uhmwpe), modified with nanosized tantalum pentoxide particles |
CN104524629A (en) * | 2014-11-26 | 2015-04-22 | 北京大学第三医院 | Crosslinking-modified ultrahigh-molecular-weight polyethylene material and preparation method thereof |
-
2015
- 2015-05-21 RU RU2015119017/05A patent/RU2588622C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2433082C2 (en) * | 2009-09-28 | 2011-11-10 | Закрытое акционерное общество "Уралпластик-Н" | Method to produce polymer compositions based on micro- and nano-disperse ceramic powders |
WO2011089017A1 (en) * | 2010-01-22 | 2011-07-28 | Basell Polyolefine Gmbh | Ultra-high molecular weight polyethylene |
RU2505562C1 (en) * | 2012-05-22 | 2014-01-27 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии И Химической Технологии Сибирского Отделения Российской Академии Наук (Иххт Со Ран) | Composite material based on synthetic cis-isoprene rubber and ultrahigh molecular weight polyethylene (uhmwpe) for outer lining of conveyor belts |
RU2532926C1 (en) * | 2013-09-12 | 2014-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ", Министерства образования и науки Российской Федерации | Method of ultrahigh-molecular weight polyethylene (uhmwpe), modified with nanosized tantalum pentoxide particles |
CN104524629A (en) * | 2014-11-26 | 2015-04-22 | 北京大学第三医院 | Crosslinking-modified ultrahigh-molecular-weight polyethylene material and preparation method thereof |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
А.Д.ПОМОГАЙЛО, "Наночастицы металлов в полимерах", "Химия", М., 2000, стр. 151-255. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Jiang et al. | Barium titanate at the nanoscale: controlled synthesis and dielectric and ferroelectric properties | |
Du et al. | Thermal properties and combustion characterization of nylon 6/MgAl-LDH nanocomposites via organic modification and melt intercalation | |
US7727909B2 (en) | Method for producing fine-grained particles | |
KR102173253B1 (en) | Synthesis of magnesium adamantane carboxylate and oxide nanocomposite | |
Zhao et al. | Synthesis and characterization of CaTiO 3 particles with controlled shape and size | |
JP2008504199A5 (en) | ||
CN106661333A (en) | Conductive polymer material and molded article by using same | |
RU2532926C1 (en) | Method of ultrahigh-molecular weight polyethylene (uhmwpe), modified with nanosized tantalum pentoxide particles | |
EP3248676A1 (en) | Surface treating method using a couette-taylor reactor | |
Jang et al. | A novel synthesis of nanocapsules using identical polymer core/shell nanospheres | |
Yang et al. | Ni (OH) 2 as an novel shell layer material for core-shell dielectric filler based on barium titanate and their dielectric polymer composites in P (VDF-HFP) matrix | |
KR20150143342A (en) | Organic zinc catalyst, preparation method of the catalyst and production method of poly(alkylene carbonate) resin over the catalyst | |
Zhao et al. | Effects of modifying agents on surface modifications of magnesium oxide whiskers | |
Zhang et al. | Microwave-assisted solution-phase preparation and growth mechanism of FeMoO 4 hierarchical hollow spheres | |
Eleuteri et al. | Stereocomplexation of Poly (Lactic Acid) s on graphite nanoplatelets: From functionalized nanoparticles to self-assembled nanostructures | |
RU2588622C1 (en) | Method of producing ultra-high molecular polyethylene, modified with nanoparticles of hafnium oxide | |
RU2584159C1 (en) | Method of producing ultra-high molecular polyethylene, modified with zirconium oxide nanoparticles | |
RU2590556C1 (en) | Method for producing ultra-high molecular weight polyethylene, modified with nanoparticles of titanium oxide | |
Yang et al. | Microwave-assisted in situ ring-opening polymerization of ε-caprolactone in the presence of modified halloysite nanotubes loaded with stannous chloride | |
Sun et al. | Synthesis and characterization of hollow TiO2 particles coated with polyimide brushes by click chemistry | |
JP5219072B2 (en) | Method for producing metal titanate particles | |
Chen et al. | Synthesis and characterization of polyurethane/CdS–SiO2 nanocomposites via ultrasonic process | |
KR102429719B1 (en) | Reducedcarbon nano-particle and method for preparing the same | |
CN106188521B (en) | Synthesis of polymer polyalcohol macromolecule dispersing agent | |
Zhao et al. | Synthesis and characterization of PbS/modified hyperbranched polyester nanocomposite hollow spheres at room temperature |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20170222 |