RU2609469C1 - Quasicrystalline phase based concentrate for production of filled thermoplastic polymeric compositions and method for production thereof - Google Patents

Quasicrystalline phase based concentrate for production of filled thermoplastic polymeric compositions and method for production thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2609469C1
RU2609469C1 RU2015156784A RU2015156784A RU2609469C1 RU 2609469 C1 RU2609469 C1 RU 2609469C1 RU 2015156784 A RU2015156784 A RU 2015156784A RU 2015156784 A RU2015156784 A RU 2015156784A RU 2609469 C1 RU2609469 C1 RU 2609469C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
quasicrystalline
filler
production
concentrate
thermoplastic
Prior art date
Application number
RU2015156784A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Александрович Степашкин
Виктор Викторович Чердынцев
Сергей Дмитриевич Калошкин
Андрей Анатольевич Бойков
Леонид Константинович Олифиров
Фёдор Святославович Сенатов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Priority to RU2015156784A priority Critical patent/RU2609469C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2609469C1 publication Critical patent/RU2609469C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L1/00Compositions of cellulose, modified cellulose or cellulose derivatives
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09CTREATMENT OF INORGANIC MATERIALS, OTHER THAN FIBROUS FILLERS, TO ENHANCE THEIR PIGMENTING OR FILLING PROPERTIES ; PREPARATION OF CARBON BLACK  ; PREPARATION OF INORGANIC MATERIALS WHICH ARE NO SINGLE CHEMICAL COMPOUNDS AND WHICH ARE MAINLY USED AS PIGMENTS OR FILLERS
    • C09C1/00Treatment of specific inorganic materials other than fibrous fillers; Preparation of carbon black
    • C09C1/62Metallic pigments or fillers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09CTREATMENT OF INORGANIC MATERIALS, OTHER THAN FIBROUS FILLERS, TO ENHANCE THEIR PIGMENTING OR FILLING PROPERTIES ; PREPARATION OF CARBON BLACK  ; PREPARATION OF INORGANIC MATERIALS WHICH ARE NO SINGLE CHEMICAL COMPOUNDS AND WHICH ARE MAINLY USED AS PIGMENTS OR FILLERS
    • C09C3/00Treatment in general of inorganic materials, other than fibrous fillers, to enhance their pigmenting or filling properties
    • C09C3/10Treatment with macromolecular organic compounds

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention refers to methods for production of concentrates based on thermoplastic matrices filled with quasicrystalline particles and intended for production of polymeric composition materials. A concentrate is described for production of thermoplastic polymeric compositions containing thermoplastic polymeric matrix and surface-modified quasicrystalline filler based on Al-Cu-Fe and Al-Cu-Cr systems with the following ingredient ratio (wt%): quasicrystalline filler - 10-60, thermoplastic polymeric matrix forming the rest, with particle size of quasicrystalline filler being less than 45 mkm. A method for production of the concentrate is also described.
EFFECT: concentrate based on quasicrystalline fillers and thermoplastic polymers is produced for ensuring homogeneous filler distribution.
2 cl, 6 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к способам получения концентратов на основе термопластичных матриц, наполненных квазикристаллическими частицами, предназначенных для получения дисперсно-упрочненных полимерных композиционных материалов.The invention relates to methods for producing concentrates based on thermoplastic matrices filled with quasicrystalline particles, designed to obtain dispersion-strengthened polymer composite materials.

Исследования свойств квазикристаллов ведутся более 20 лет. В качестве привлекательных черт, присущих квазикристаллам, которые могут представлять интерес с точки зрения практических применений, обычно рассматриваются сочетание их высокой твердости, износостойкости, с низкой поверхностной энергией, малыми значениями коэффициента трения, значительной радиационной и коррозионной стойкостью, низкими значениями электро- и теплопроводности и необычными оптическими свойствами Studies of the properties of quasicrystals have been conducted for more than 20 years. The attractive features inherent in quasicrystals, which may be of interest from the point of view of practical applications, are usually considered a combination of their high hardness, wear resistance, low surface energy, low friction coefficient, significant radiation and corrosion resistance, low values of electrical and thermal conductivity and unusual optical properties

1. Shaitura S. and Enaleeva А.А. Fabrication of Quasicrystalline Coatings: A Review. Crystallography Reports, 2007, Vol. 52, No. 6, pp. 945-952. 1. Shaitura S. and Enaleeva A.A. Fabrication of Quasicrystalline Coatings: A Review. Crystallography Reports, 2007, Vol. 52, No. 6, pp. 945-952.

2. Samavat F., Tavakoli M.H., Habibi S., et all Quasicrystals // Open Journal of Physical Chemistry, 2012, 2, 7-14.2. Samavat F., Tavakoli M.H., Habibi S., et all Quasicrystals // Open Journal of Physical Chemistry, 2012, 2, 7-14.

3. Jean-Marie Dubois, Song Seng Kang and Alain Perrot. Towards applications of quasicrystals // Materials Science and Engineering, A 179/A 180 (1994) 122-126.3. Jean-Marie Dubois, Song Seng Kang and Alain Perrot. Towards applications of quasicrystals // Materials Science and Engineering, A 179 / A 180 (1994) 122-126.

4. Vekilov Yu. Kh., Chernikov M.A. Quasicrystals // Physics-Uspekhi, 53 (2010), p. 537-560.4. Vekilov Yu. Kh., Chernikov M.A. Quasicrystals // Physics-Uspekhi, 53 (2010), p. 537-560.

5. Koester U., Liu W., Hertzberg H. and M. Michel, Mechanical properties of quasicrystalline and crystalline phases in Al-Cu-Fe alloys. // J. Non-Cryst. Solids 153/154 (1993) p. 446-452.5. Koester U., Liu W., Hertzberg H. and M. Michel, Mechanical properties of quasicrystalline and crystalline phases in Al-Cu-Fe alloys. // J. Non-Cryst. Solids 153/154 (1993) p. 446-452.

6. Jenks C.J., Thiel P.A. Surface Properties of Quasicrystals // MRS Bulletin. - 1997. - V. 22. - №11. - P. 55-58.6. Jenks C.J., Thiel P.A. Surface Properties of Quasicrystals // MRS Bulletin. - 1997. - V. 22. - No. 11. - P. 55-58.

7. E. Huttunen-Saarivirta Microstructure, fabrication and properties of quasicrystalline Al-Cu-Fe alloys: a review // Journal of Alloys and Compounds 363 (2004) 150-174.7. E. Huttunen-Saarivirta Microstructure, fabrication and properties of quasicrystalline Al-Cu-Fe alloys: a review // Journal of Alloys and Compounds 363 (2004) 150-174.

В качестве основного недостатка квазикристаллов, ограничивающего их практическое использование можно рассматривать низкую вязкость разрушения, составляющую порядка 0,5-3,5 МПа⋅м

Figure 00000001
[5 Koester U., Liu W., Hertzberg H. and M. Michel, Mechanical properties of quasicrystalline and crystalline phases in Al-Cu-Fe alloys. // J. Non-Cryst. Solids 153/154 (1993) p. 446-452 7 E. Huttunen-Saarivirta Microstructure, fabrication and properties of quasicrystalline Al-Cu-Fe alloys: a review // Journal of Alloys and Compounds 363 (2004) 150-174. As the main disadvantage of quasicrystals, limiting their practical use, one can consider low fracture toughness of about 0.5-3.5 MPa,5m
Figure 00000001
[5 Koester U., Liu W., Hertzberg H. and M. Michel, Mechanical properties of quasicrystalline and crystalline phases in Al-Cu-Fe alloys. // J. Non-Cryst. Solids 153/154 (1993) p. 446-452 7 E. Huttunen-Saarivirta Microstructure, fabrication and properties of quasicrystalline Al-Cu-Fe alloys: a review // Journal of Alloys and Compounds 363 (2004) 150-174.

8. Thiel, J.-M. Dubois Quasicrystals. Reaching maturity for technological applications // Materials Today Volume 2, Issue 3, 1999, p. 3-7, 8. Thiel, J.-M. Dubois Quasicrystals. Reaching maturity for technological applications // Materials Today Volume 2, Issue 3, 1999, p. 3-7,

в то время как для металлических материалов характерны значения превышающие 40 МПа⋅м

Figure 00000001
. Небольшое сопротивление распространению трещин при температурах ниже 450°С, ограничивает использование квазикристаллов в виде монолитных деталей и пленочных покрытий большой толщины.while metallic materials are characterized by values exceeding 40 MPa⋅m
Figure 00000001
. Small resistance to crack propagation at temperatures below 450 ° C limits the use of quasicrystals in the form of monolithic parts and large-thickness film coatings.

Представляет интерес использование квазикристаллов систем Al-Cu-Fe и Al-Cu-Cr в качестве дисперсионного упрочнения алюминиевых сплавов благодаря высокой твердости частиц и хорошего сочетания с материалом матрицы [7 Е. Huttunen-Saarivirta Microstructure, fabrication and properties of quasicrystalline Al-Cu-Fe alloys: a review // Journal of Alloys and Compounds 363 (2004) 150-174.It is of interest to use quasicrystals of the Al-Cu-Fe and Al-Cu-Cr systems as dispersion hardening of aluminum alloys due to the high particle hardness and good combination with the matrix material [7 E. Huttunen-Saarivirta Microstructure, fabrication and properties of quasicrystalline Al-Cu- Fe alloys: a review // Journal of Alloys and Compounds 363 (2004) 150-174.

9. Roy M. Formation and magnetic properties of mechanically alloyed Al65Cu20Fe15 Quasicrystal // Journal of Magnetism and Magnetic Materials 302 (2006) 52-55.9. Roy M. Formation and magnetic properties of mechanically alloyed Al65 Cu20 Fe15 Quasicrystal // Journal of Magnetism and Magnetic Materials 302 (2006) 52-55.

10. Enrique

Figure 00000002
Optimizing the thermoelectric efficiency of icosahedral quasicrystals and related complex alloys // PHYSICAL REVIEW B80, 205103 (2009).10. Enrique
Figure 00000002
Optimizing the thermoelectric efficiency of icosahedral quasicrystals and related complex alloys // PHYSICAL REVIEW B80, 205103 (2009).

11. Y. Takagiwa, T. Kamimura, S. Hosoi, J.T. Okada and K. Kimura Thermoelectric properties of polygrained icosahedral Al71-xGaxPd20Mn9 (x=0, 2, 3, 4) quasicrystals // J of Applied Physics 104, 073721 (2008)].11. Y. Takagiwa, T. Kamimura, S. Hosoi, J.T. Okada and K. Kimura Thermoelectric properties of polygrained icosahedral Al71-xGaxPd20Mn9 (x = 0, 2, 3, 4) quasicrystals // J of Applied Physics 104, 073721 (2008)].

Квазикристаллы Al-Cu-Fe рассматриваются в качестве перспективных наполнителей при создании композиционных материалов с полимерными матрицами, обеспечивая улучшение физико-механических, трибологических, тепловых характеристик. Al-Cu-Fe quasicrystals are considered as promising fillers in the creation of composite materials with polymer matrices, providing an improvement in physical, mechanical, tribological, and thermal characteristics.

12. Laplanche G., Joulain A., Bonneville J., et all Microstructures and mechanical properties of Al-base composite materials reinforced by Al-Cu-Fe particles // Journal of Alloys and Compounds, Volume 493, Issues 1-2, 18 March 2010, Pages 453-460.12. Laplanche G., Joulain A., Bonneville J., et all Microstructures and mechanical properties of Al-base composite materials reinforced by Al-Cu-Fe particles // Journal of Alloys and Compounds, Volume 493, Issues 1-2, March 18, 2010, Pages 453-460.

13. Y.H Qi, Z.P Zhang, Z.K Hei, С Dong The microstructure analysis of Al-Cu-Cr phases in Al65Cu20Cr15 quasicrystalline particles / Al base composites // Journal of Alloys and Compounds, Volume 285, Issues 1-2, 30 June 1999, Pages 221-228.13. YH Qi, ZP Zhang, ZK Hei, Dong The microstructure analysis of Al-Cu-Cr phases in Al65Cu20Cr15 quasicrystalline particles / Al base composites // Journal of Alloys and Compounds, Volume 285, Issues 1-2, 30 June 1999 , Pages 221-228.

14. Tsai A.P., Aoki K., Inoue A., Masumoto T. Synthesis of Stable Quasicrystalline Particle-Dispersed Al Base Composite Alloys. // J. Mater. Res. 1993. V. 8. P. 5-7.14. Tsai A.P., Aoki K., Inoue A., Masumoto T. Synthesis of Stable Quasicrystalline Particle-Dispersed Al Base Composite Alloys. // J. Mater. Res. 1993. V. 8. P. 5-7.

15. Kaloshkin S.D., Tcherdyntsev V.V., Laptev A.I., et all "Structure and Mechanical Properties of Mechanically Alloyed Al / Al-Cu-Fe Composites" // Journal of Materials Science, 2004, V. 39. P. 5399-5402.15. Kaloshkin S.D., Tcherdyntsev V.V., Laptev A.I., et all "Structure and Mechanical Properties of Mechanically Alloyed Al / Al-Cu-Fe Composites" // Journal of Materials Science, 2004, V. 39. P. 5399-5402.

16. Kaloshkin S.D., Tcherdyntsev V.V., Stepashkin A.A., et all "Mechanical Alloying of Metal Matrix Composites Reinforced by Quasicrystals" // Journal of Metastable and Nanocrystalline Materials, 2005, V. 24-25, P. 113-116. В качестве материалов матрицы могут выступать эпоксидные связующие [12. Laplanche G., Joulain A., Bonneville J., et all Microstructures and mechanical properties of Al-base composite materials reinforced by Al-Cu-Fe particles // Journal of Alloys and Compounds, Volume 493, Issues 1-2, 18 March 2010, Pages 453-460 13. Y.H Qi, Z.P Zhang, Z.K Hei, С. Dong The microstructure analysis of Al-Cu-Cr phases in Al65Cu20Cr15 quasicrystalline particles / Al base composites // Journal of Alloys and Compounds, Volume 285, Issues 1-2, 30 June 1999, Pages 221-228], полифениленсульфид PPS [13. Y.H Qi, Z.P Zhang, Z.K Hei, С Dong The microstructure analysis of Al-Cu-Cr phases in Al65Cu20Cr15 quasicrystalline particles / Al base composites // Journal of Alloys and Compounds, Volume 285, Issues 1-2, 30 June 1999, Pages 221-228], сверхвысокомолекулярный полиэтилен UHMWPE [14. Tsai A.P., Aoki K., Inoue A., Masumoto T. Synthesis of Stable Quasicrystalline Particle-Dispersed Al Base Composite Alloys. // J. Mater. Res. 1993. V. 8. P. 5-7. 16. Kaloshkin S.D., Tcherdyntsev V.V., Stepashkin A.A., et all "Mechanical Alloying of Metal Matrix Composites Reinforced by Quasicrystals" // Journal of Metastable and Nanocrystalline Materials, 2005, V. 24-25, P. 113-116.], полиамид PA [15. Kaloshkin S.D., Tcherdyntsev V.V., Laptev A.I., et all "Structure and Mechanical Properties of Mechanically Alloyed Al / Al-Cu-Fe Composites" // Journal of Materials Science, 2004, V. 39. P. 5399-5402].16. Kaloshkin S.D., Tcherdyntsev V.V., Stepashkin A.A., et all "Mechanical Alloying of Metal Matrix Composites Reinforced by Quasicrystals" // Journal of Metastable and Nanocrystalline Materials, 2005, V. 24-25, P. 113-116. Epoxy binders can serve as matrix materials [12. Laplanche G., Joulain A., Bonneville J., et all Microstructures and mechanical properties of Al-base composite materials reinforced by Al-Cu-Fe particles // Journal of Alloys and Compounds, Volume 493, Issues 1-2, March 18 2010, Pages 453-460 13. YH Qi, ZP Zhang, ZK Hei, C. Dong The microstructure analysis of Al-Cu-Cr phases in Al65Cu20Cr15 quasicrystalline particles / Al base composites // Journal of Alloys and Compounds, Volume 285, Issues 1-2, 30 June 1999, Pages 221-228], polyphenylene sulfide PPS [13. YH Qi, ZP Zhang, ZK Hei, With Dong The microstructure analysis of Al-Cu-Cr phases in Al65Cu20Cr15 quasicrystalline particles / Al base composites // Journal of Alloys and Compounds, Volume 285, Issues 1-2, 30 June 1999, Pages 221-228], ultra-high molecular weight polyethylene UHMWPE [14. Tsai A.P., Aoki K., Inoue A., Masumoto T. Synthesis of Stable Quasicrystalline Particle-Dispersed Al Base Composite Alloys. // J. Mater. Res. 1993. V. 8. P. 5-7. 16. Kaloshkin SD, Tcherdyntsev VV, Stepashkin AA, et all "Mechanical Alloying of Metal Matrix Composites Reinforced by Quasicrystals" // Journal of Metastable and Nanocrystalline Materials, 2005, V. 24-25, P. 113-116.], Polyamide PA [15. Kaloshkin S.D., Tcherdyntsev V.V., Laptev A.I., et all "Structure and Mechanical Properties of Mechanically Alloyed Al / Al-Cu-Fe Composites" // Journal of Materials Science, 2004, V. 39. P. 5399-5402].

Использование для наполнения эпоксидных связующих и термопластичных полимеров Al-Cu-Fe квазикристаллов позволяет в 2 раза увеличить модуль упругости, повысить теплостойкость по сравнению с исходными не наполненными материалами. Износостойкость композиций с квазикристаллами выше, чем у наполненных карбидом кремния и оксидом алюминия [12. Laplanche G., Joulain A., Bonneville J., et all Microstructures and mechanical properties of Al-base composite materials reinforced by Al-Cu-Fe particles // Journal of Alloys and Compounds, Volume 493, Issues 1-2, 18 March 2010, Pages 453-460], что в сочетании с низким коэффициентом трения позволяет изготавливать из них детали для подшипников сухого трения [13. Y.H Qi, Z.P Zhang, Z.K Hei, С. Dong The microstructure analysis of Al-Cu-Cr phases in Al65Cu20Cr15 quasicrystalline particles / Al base composites // Journal of Alloys and Compounds, Volume 285, Issues 1-2, 30 June 1999, Pages 221-228].The use of quasicrystals for filling epoxy binders and thermoplastic polymers Al-Cu-Fe allows to increase the elastic modulus by 2 times and increase the heat resistance in comparison with the initial unfilled materials. The wear resistance of compositions with quasicrystals is higher than that of those filled with silicon carbide and alumina [12. Laplanche G., Joulain A., Bonneville J., et all Microstructures and mechanical properties of Al-base composite materials reinforced by Al-Cu-Fe particles // Journal of Alloys and Compounds, Volume 493, Issues 1-2, March 18 2010, Pages 453-460], which, combined with a low coefficient of friction, allows the manufacture of parts for dry friction bearings [13. YH Qi, ZP Zhang, ZK Hei, C. Dong The microstructure analysis of Al-Cu-Cr phases in Al65Cu20Cr15 quasicrystalline particles / Al base composites // Journal of Alloys and Compounds, Volume 285, Issues 1-2, 30 June 1999, Pages 221-228].

Низкий коэффициент трения связан с тем, что квазикристаллы имеют низкую поверхностную энергию (28 мДж/м2) [7. Е. Huttunen-Saarivirta Microstructure, fabrication and properties of quasicrystalline Al-Cu-Fe alloys: a review // Journal of Alloys and Compounds 363 (2004) 150-174]. Для сравнения самый скользкий фторопласт имеет поверхностную энергию - 18 мДж/м2, монокристалл Al2O3 - 47 мДж/м2, вода - 72 мДж/м2, чистые металлы - на один - два порядка выше. Это указывает на то, что межатомные связи в значительной мере насыщены даже в поверхностном слое.The low coefficient of friction is due to the fact that quasicrystals have a low surface energy (28 mJ / m 2 ) [7. E. Huttunen-Saarivirta Microstructure, fabrication and properties of quasicrystalline Al-Cu-Fe alloys: a review // Journal of Alloys and Compounds 363 (2004) 150-174]. For comparison, the most slippery fluoroplastic has a surface energy of 18 mJ / m 2 , a single crystal of Al 2 O 3 - 47 mJ / m 2 , water - 72 mJ / m 2 , pure metals - one to two orders of magnitude higher. This indicates that the interatomic bonds are substantially saturated even in the surface layer.

В настоящий момент, в зависимости от нефтяного месторождения, осложненный фонд скважин составляет от 25 до 70% от общего числа действующих. Среди осложняющих факторов типичны: свободный газ на приеме насоса, аномально высокая температура среды на глубине подвески насоса, наличие механических примесей, солеотложения, асфальтено-смоло-парафиновые отложения (АСПО), искривленность ствола скважины, а также технологическая связанность всех перечисленных проблем. На долю АСПО может приходиться до 80% от общего числа скважин осложненного фонда.At the moment, depending on the oil field, the complicated well stock is from 25 to 70% of the total number of operating wells. Among the complicating factors are typical: free gas at the pump inlet, abnormally high ambient temperature at the depth of the pump suspension, the presence of mechanical impurities, scaling, asphaltene-resin-paraffin deposits (ASA), the borehole curvature, and the technological connectivity of all these problems. ASPO may account for up to 80% of the total number of wells of a complicated stock.

Использование низкой поверхностной энергии квазикристаллов, сопоставимой с поверхностной энергией полимеров, при разработке износостойких полимерных покрытий и массивных изделий, предназначенных для применения в нефтеперекачивающем оборудовании, позволяет получать материалы с низкой скоростью осаждения на их поверхности асфальтено-смоло-парафиновых отложений и солевых частиц, являющихся одними из основных факторов, осложняющих добычу нефти.The use of low surface energy of quasicrystals, comparable with the surface energy of polymers, in the development of wear-resistant polymer coatings and massive products intended for use in oil pumping equipment, allows to obtain materials with a low deposition rate on their surface of asphaltene-resin-paraffin deposits and salt particles, which are the same of the main factors complicating oil production.

Защитные покрытия для энергетического комплекса на рынке представлены в основном продуктами на основе полимеров полиолефиновой группы и полимочевины. Основной технологией получения композиционных материалов для таких защитных покрытий является метод экструзионного смещения компонент с последующей грануляцией.Protective coatings for the energy complex on the market are represented mainly by products based on polymers of the polyolefin group and polyurea. The main technology for producing composite materials for such protective coatings is the method of extrusion displacement of components with subsequent granulation.

Использование квазикристаллов для создания полимерматричных композиционных материалов имеет ряд особенностей. Необходимо обеспечить адгезионное взаимодействия между материалом матрицы - полимером полиолефиновой группы и квазикристаллами, обладающими низкой поверхностной энергией, обеспечить дисперсность частиц наполнителя менее 3 мкм, отсутствия примесей фаз с высокой поверхностной энергией, обеспечить равномерное распределения наполнителя в матрице.The use of quasicrystals to create polymer matrix composite materials has a number of features. It is necessary to ensure the adhesive interaction between the matrix material - a polymer of the polyolefin group and quasicrystals with low surface energy, to ensure the dispersion of the filler particles less than 3 μm, the absence of phase impurities with high surface energy, to ensure uniform distribution of the filler in the matrix.

С учетом этих требований получение частиц квазикристаллического наполнителя заданной морфологии возможно с использованием метода механохимического синтеза прекурсоров из чистых компонентов с последующим отжигом в инертной атмосфере или вакууме, так как измельчение высокотвердых квазикристаллических частиц, полученных по другим технологиям в виде массивных образцов, лент, пленок, приводит к их загрязнению частицами с высокой поверхностной энергией.Taking these requirements into account, obtaining particles of a quasicrystalline filler of a given morphology is possible using the method of mechanochemical synthesis of precursors from pure components followed by annealing in an inert atmosphere or vacuum, since grinding of high-hard quasicrystalline particles obtained by other technologies in the form of bulk samples, ribbons, films, leads to their contamination by particles with high surface energy.

Задачей изобретения является упрощение технологии введения квазикристаллических наполнителей в термопластичные полимеры полиолефиновой группы.The objective of the invention is to simplify the technology of introducing quasicrystalline fillers into thermoplastic polymers of the polyolefin group.

Технический результат заключается использовании для обеспечения равномерного распределения квазикристаллического наполнителя в композиционном материале с заданными концентрациями квазикристаллических наполнителей концентратов, содержащих полимерную матрицу на основе термопластичных полимеров с высокой текучестью расплава (не менее 15, по ISO 1133-2011 (MFR), 190°С/3,8 кг), и поверхностно модифицированных квазикристаллических наполнителей на основе систем Al-Cu-Fe и Al-Cu-Cr с размером поликристаллических частиц менее 45 мкм, содержанием квазикристаллической фазы в наполнителе более 90 масс. % и массовой долей наполнителя в концентрате 10-60 масс. % и способе его получения.The technical result consists in using to ensure uniform distribution of a quasicrystalline filler in a composite material with predetermined concentrations of quasicrystalline filler concentrates containing a polymer matrix based on thermoplastic polymers with high melt flow (not less than 15, according to ISO 1133-2011 (MFR), 190 ° С / 3 , 8 kg), and surface-modified quasicrystalline fillers based on Al-Cu-Fe and Al-Cu-Cr systems with a polycrystalline particle size of less than 45 microns, a quasicryst content -hydraulic phases in the vehicle more than 90 wt. % and mass fraction of filler in a concentrate of 10-60 mass. % and how to obtain it.

Технический результат достигается следующим образом.The technical result is achieved as follows.

Концентрат для получения термопластичных полимерных композиций содержит термопластичную полимерную матрицу и поверхностно модифицированный квазикристаллический наполнитель на основе систем Al-Cu-Fe и Al-Cu-Cr при следующем соотношении компонентов (масс. %):The concentrate for the production of thermoplastic polymer compositions contains a thermoplastic polymer matrix and a surface-modified quasicrystalline filler based on Al-Cu-Fe and Al-Cu-Cr systems in the following ratio of components (wt.%):

квазикристаллический наполнитель - 10-60quasicrystalline filler - 10-60

термопластичная полимерная матрица - остальное.thermoplastic polymer matrix - the rest.

При этом размер частиц квазикристаллического наполнителя составляет менее 45 мкм.The particle size of the quasicrystalline filler is less than 45 microns.

Технический результат достигается следующим образом.The technical result is achieved as follows.

Способ получения концентрата для получения термопластичных полимерных композиций включает поверхностную модификацию частиц квазикристаллического наполнителя в спиртовом растворе силанов, в режиме ультразвуковой кавитационной обработки, сушку наполнителя, экструзионное смешение квазикристаллического наполнителя с термопластичной полимерной матрицей, обладающими высокой текучестью расплава (не менее 15, по ISO 1133-2011 (MFR), 190°С/3,8 кг), при температуре, на 10-20°С выше температуры плавления полимера, и грануляцию.A method for producing a concentrate for producing thermoplastic polymer compositions includes surface modification of particles of a quasicrystalline filler in an alcohol solution of silanes, in the ultrasonic cavitation treatment mode, drying of the filler, extrusion mixing of a quasicrystalline filler with a thermoplastic polymer matrix having a high melt flow rate (not less than 15, according to ISO 11, at least 11, according to ISO 11 2011 (MFR), 190 ° C / 3.8 kg), at a temperature 10-20 ° C higher than the melting temperature of the polymer, and granulation.

Изобретение поясняется чертежами, где на фигуре 1 показана микроструктура спеченных квазикристаллических порошков после отжига в аргоне, система Al-Cu-Fe (Al65Cu23Fe12), на фигуре 2 изображена микроструктура спеченных квазикристаллических порошков после отжига в аргоне, система Al-Cu-Cr (Al73Cu11Cr16), на фигуре 3 показана структура квазикристаллического наполнителя Al-Cu-Fe (Al65Cu23Fe12) после модификации триэтоксивинилсиланом, на фигуре 4 изображена структура квазикристаллического наполнителя Al-Cu-Cr (Al73Cu11Cr16) после модификации триэтоксивинилсиланом, на фигуре 5 показана микроструктура концентратов квазикристаллический наполнитель - термопластичный полимер.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows the microstructure of sintered quasicrystalline powders after annealing in argon, the Al-Cu-Fe system (Al 65 Cu 23 Fe 12 ), figure 2 shows the microstructure of sintered quasicrystalline powders after annealing in argon, the Al-Cu system -Cr (Al 73 Cu 11 Cr 16 ), FIG. 3 shows the structure of the Al-Cu-Fe quasicrystalline filler (Al 65 Cu 23 Fe 12 ) after modification with triethoxivinylsilane, FIG. 4 shows the structure of the Al-Cu-Cr quasicrystalline filler (Al 73 Cu 11 Cr 16) after the modification trietoksivinilsilanom, and Figure 5 shows the microstructure of quasi-crystal filler concentrates - thermoplastic polymer.

В качестве исходных материалов для получения концентратов следует использовать:As starting materials for concentrates should be used:

Квазикристаллы системы Al-Cu-Fe, например Al65Cu23Fe12 в виде агрегатов размерами менее 45 мкм, состоящих из отдельных поликристаллических частиц размерами менее 3 мкм, с содержанием квазикристаллической фазы в наполнителе не менее 90 масс. %Quasicrystals of the Al-Cu-Fe system, for example, Al65Cu23Fe12 in the form of aggregates with sizes less than 45 microns, consisting of individual polycrystalline particles with sizes less than 3 microns, with a quasicrystalline phase in the filler of at least 90 masses. %

Квазикристаллы Al-Cu-Cr, например Al73Cu11Cr16 в виде агрегатов размерами менее 45 мкм, состоящих из отдельных поликристаллических частиц размерами менее 3 мкм, содержание квазикристаллической фазы в порошке наполнителе не менее 90 масс. %.Al-Cu-Cr quasicrystals, for example, Al73Cu11Cr16 in the form of aggregates with sizes less than 45 microns, consisting of individual polycrystalline particles with sizes less than 3 microns, the content of the quasicrystalline phase in the filler powder is at least 90 mass. %

Для поверхностной обработки квазикристаллических наполнителей следует использовать спиртовые растворы силанов, к примеру: Triethoxy(vinyl)silane, Polydimethylsiloxane, в спирте этиловом техническом марки А по ГОСТ 10749. 1-80.For surface treatment of quasicrystalline fillers, alcohol solutions of silanes should be used, for example: Triethoxy (vinyl) silane, Polydimethylsiloxane, in ethyl alcohol of technical grade A according to GOST 10749. 1-80.

В качестве полимерной матрицы используются термопластичные полимеры, например Этиленвинилацетат марки Evatane 28-40 (содержание винилацетата 27-29 масс. %, температура плавления 70°С), Этиленвинилацетат марки Evatane 28-05 (содержание винилацетата 27-29 масс. %, температура плавления 72°С), Этиленакрилэстер марки Lotader 3210 (содержание бутил акрилата 6 масс. %, малеинового ангидрида 3,1 6 масс. %), температура плавления 107°С) и другие.Thermoplastic polymers are used as a polymer matrix, for example, Evatane 28-40 brand ethylene vinyl acetate (vinyl acetate content 27-29 wt.%, Melting point 70 ° C), Evatane 28-05 brand ethylene vinyl acetate (vinyl acetate content 27-29 wt.%, Melting point 72 ° С), Lotader 3210 brand ethylene acrylate (content of butyl acrylate 6 wt.%, Maleic anhydride 3.1 6 wt.%), Melting point 107 ° С) and others.

Основные стадии процесса получения гранулированного концентратаThe main stages of the process of obtaining granular concentrate

Подготовка квазикристаллических порошков.Preparation of quasicrystalline powders.

Микроструктура исходных квазикристаллических наполнителей представлена на фиг. 1 и 2.The microstructure of the starting quasicrystalline fillers is shown in FIG. 1 and 2.

Для измельчения квазикристаллических порошков используется ступковая мельница Fritsch Pulverisette 2, для этого навеска 50±1 г порошка и засыпается в ступку.For grinding quasicrystalline powders, the Fritsch Pulverisette 2 mortar mill is used; for this, a sample of 50 ± 1 g of powder is poured into the mortar.

Время помола 10 мин с постепенным увеличением давящего усилия.Grinding time 10 min with a gradual increase in pressure.

После помола порошок квазикристаллов помещается в стаканчик для взвешивания.After grinding, the quasicrystal powder is placed in a weighing cup.

Проводится контрольное взвешивание на лабораторных весах.Control weighing is carried out on a laboratory balance.

Далее порошок в стаканчике помещается в термостат при температуре около 105±1°С, до тех пор, пока масса порошка вместе со стаканчиком не уровняется.Next, the powder in the cup is placed in a thermostat at a temperature of about 105 ± 1 ° C, until the mass of the powder with the cup is leveled.

После чего проводят силанирование квазикристаллических порошков. Для силанирования используется растворы силанов в этиловом спирте. С помощью мерной мензурки отмеряется 10±1 мл этилового спирта. При помощи механического одноканального дозатора набирается 2±0,5 мл силана для приготовления 20% раствора.Then carry out the silanization of quasicrystalline powders. For silanization, solutions of silanes in ethyl alcohol are used. Using a volumetric beaker, 10 ± 1 ml of ethyl alcohol is measured. Using a mechanical single-channel dispenser, 2 ± 0.5 ml of silane is collected to prepare a 20% solution.

Растворение проводят в колбе при постоянном перемешивании при помощи магнитной мешалки. Скорость вращения магнитной мешалки 330 об/мин. В раствор силана в спирте постепенно добавляют порошок квазикристаллов. Перемешивание проводят в течение 10 мин при комнатной температуре в режиме ультразвуковой кавитационной обработки.Dissolution is carried out in a flask with constant stirring using a magnetic stirrer. The rotation speed of the magnetic stirrer is 330 rpm. Quasicrystal powder is gradually added to a solution of silane in alcohol. Stirring is carried out for 10 min at room temperature in the ultrasonic cavitation treatment mode.

Приготовленную взвесь ставят в термостат, оборудованный вытяжкой, при температуре 60±0,5°С на 6 часов. В течение сушки проводят контрольное взвешивание, сушку проводят до тех пор, пока масса не выровняется. Структура обработанных силаном квазикристаллических наполнителей представлена на фиг. 3 и 4.The prepared suspension is placed in a thermostat equipped with a hood, at a temperature of 60 ± 0.5 ° C for 6 hours. During drying, control weighing is carried out, drying is carried out until the mass is leveled. The structure of silane-treated quasicrystalline fillers is shown in FIG. 3 and 4.

Далее осуществляют экструзионное смешение спланированных квазикристаллических порошков с термопластичным связующим. После полного высушивания порошка квазикристаллов проводят экструзионное смешение полимера с квазикристаллами.Next, extrusion mixing of the planned quasicrystalline powders with a thermoplastic binder is carried out. After complete drying of the quasicrystal powder, the polymer is extruded with quasicrystals.

В качестве матричного полимера используются этиленвинилацетат или этиленакрилэстер. Экструзионное смешивание проводится на двухшнековом экструдере LTE-16. Устанавливается режим нагрева от комнатной температуры до оптимальной температуры расплавления используемого полимера плюс 10±20°C с погрешностью не более ±1°С.Ethylene vinyl acetate or ethylene acrylester are used as the matrix polymer. Extrusion mixing is carried out on a twin screw extruder LTE-16. The heating mode is set from room temperature to the optimum melting temperature of the polymer used plus 10 ± 20 ° C with an error of not more than ± 1 ° C.

Постепенно подаются в объем экструдера гранулы полимера и порошок квазикристаллов. Скорость вращения шнеков экструдера 20 об/мин. Приготовленная смесь проходит через фильеру необходимого размера и сечения.Polymer granules and quasicrystal powder are gradually fed into the extruder volume. The speed of rotation of the screws of the extruder 20 rpm The prepared mixture passes through a die of the required size and cross section.

После чего осуществляют гранулирование смеси.Then carry out granulation of the mixture.

Выдавливаемая из экструдера стренга попадает в ванну с холодной водой, температура которой 25±1°С. При помощи валков, которыми оборудована ванна, стренга продвигается с оптимальной скоростью по ванне. После прохождения ванны и охлаждения стренга попадает в гранулятор, скорость вращения ротора гранулятора установлена на 1000 об/мин.The strand extruded from the extruder enters the bathtub with cold water, the temperature of which is 25 ± 1 ° С. By means of the rolls with which the bathtub is equipped, the strand moves at an optimum speed through the bathtub. After passing the bath and cooling, the strand enters the granulator, the rotational speed of the granulator rotor is set to 1000 rpm.

Полученный гранулированный концентрат помещается в термостат при 80±0,5°С до стабильной массы. Высушенный гранулированный концентрат упаковывается в пакеты, на которые наносится маркировка с указанием даты получения и марки исходного сырья. Микроструктура полученных гранулированных концентратов представлена на фиг 5 и 6.The obtained granular concentrate is placed in a thermostat at 80 ± 0.5 ° C until a stable mass. The dried granular concentrate is packed in bags, which are marked with the date of receipt and brand of raw materials. The microstructure of the obtained granular concentrates is presented in FIGS. 5 and 6.

Для описания свойств полученных концентратов проведено определение показателей текучести расплавов по ISO 1133-2011 (MFR), для температуры 190°С и стандартизованных нагрузок 1,2-5 кг с помощью экструзионного пластометра Ceast MF50. Показатели текучести расплавов концентратов, полученных для различных квазикристаллических систем, представлены в таблицах 1 и 2.To describe the properties of the obtained concentrates, melt flow indices were determined in accordance with ISO 1133-2011 (MFR), for a temperature of 190 ° C and standardized loads of 1.2-5 kg using a Ceast MF50 extrusion plastometer. The flow rates of the concentrate melts obtained for various quasicrystalline systems are presented in tables 1 and 2.

Полученные концентраты обладают высокой текучестью расплава и пригодны для экструзионного наполнения квазикристаллами полимеров полиолефиновой группы с заданными концентрациями, обеспечивая равномерное распределение частиц.The obtained concentrates have high melt flow and are suitable for extrusion filling with quasicrystals of polymers of the polyolefin group with predetermined concentrations, ensuring uniform distribution of particles.

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

Claims (5)

1. Концентрат для получения термопластичных полимерных композиций, содержащий термопластичную полимерную матрицу и поверхностно модифицированный квазикристаллический наполнитель на основе систем Al-Cu-Fe и Al-Cu-Cr при следующем соотношении компонентов, масс. %:1. A concentrate for the production of thermoplastic polymer compositions containing a thermoplastic polymer matrix and a surface modified quasicrystalline filler based on Al-Cu-Fe and Al-Cu-Cr systems in the following ratio of components, mass. %: квазикристаллический наполнитель - 10-60quasicrystalline filler - 10-60 термопластичная полимерная матрица - остальное,thermoplastic polymer matrix - the rest, при этом размер частиц квазикристаллического наполнителя составляет менее 45 мкм.while the particle size of the quasicrystalline filler is less than 45 microns. 2. Способ получения концентрата для получения термопластичных полимерных композиций, включающий поверхностную модификацию частиц квазикристаллического наполнителя в спиртовом растворе силанов в режиме ультразвуковой кавитационной обработки, сушку наполнителя, экструзионное смешение квазикристаллического наполнителя с термопластичной полимерной матрицей при температуре, на 10-20°С выше температуры плавления полимера, и грануляцию.2. A method of obtaining a concentrate for the production of thermoplastic polymer compositions, including surface modification of particles of a quasicrystalline filler in an alcohol solution of silanes under ultrasonic cavitation treatment, drying of the filler, extrusion mixing of a quasicrystalline filler with a thermoplastic polymer matrix at a temperature of 10-20 ° C above the melting temperature polymer, and granulation.
RU2015156784A 2015-12-29 2015-12-29 Quasicrystalline phase based concentrate for production of filled thermoplastic polymeric compositions and method for production thereof RU2609469C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015156784A RU2609469C1 (en) 2015-12-29 2015-12-29 Quasicrystalline phase based concentrate for production of filled thermoplastic polymeric compositions and method for production thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015156784A RU2609469C1 (en) 2015-12-29 2015-12-29 Quasicrystalline phase based concentrate for production of filled thermoplastic polymeric compositions and method for production thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2609469C1 true RU2609469C1 (en) 2017-02-02

Family

ID=58457493

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015156784A RU2609469C1 (en) 2015-12-29 2015-12-29 Quasicrystalline phase based concentrate for production of filled thermoplastic polymeric compositions and method for production thereof

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2609469C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2630796C1 (en) * 2016-12-19 2017-09-13 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Polymer-quasicrystal powder composition for producing anti-corrosion protective coatings

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5182173A (en) * 1990-05-07 1993-01-26 Rogers Corporation Coated particles and method for making same
RU2276677C2 (en) * 2004-07-27 2006-05-20 Открытое акционерное общество "Белкард" Thermoplastic composite material
RU2304155C1 (en) * 2006-03-13 2007-08-10 Государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский Государственный Институт Стали и Сплавов (Технологический Университет)" Composite filler in the form of powder and a process for preparation thereof

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5182173A (en) * 1990-05-07 1993-01-26 Rogers Corporation Coated particles and method for making same
RU2276677C2 (en) * 2004-07-27 2006-05-20 Открытое акционерное общество "Белкард" Thermoplastic composite material
RU2304155C1 (en) * 2006-03-13 2007-08-10 Государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский Государственный Институт Стали и Сплавов (Технологический Университет)" Composite filler in the form of powder and a process for preparation thereof

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2630796C1 (en) * 2016-12-19 2017-09-13 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Polymer-quasicrystal powder composition for producing anti-corrosion protective coatings

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Inegbenebor et al. Aluminum silicon carbide particulate metal matrix composite development via stir casting processing
Jia et al. Microstructure and thermal expansion behavior of spray-deposited Al–50Si
Li et al. Fabrication, microstructure refinement and strengthening mechanisms of nanosized SiCP/Al composites assisted ultrasonic vibration
Fathi et al. Investigation on mechanical properties and wear performance of functionally graded AZ91-SiCp composites via centrifugal casting
Dean et al. Multiscale fiber-reinforced nanocomposites: synthesis, processing and properties
Zhang et al. Microstructure evolution and mechanical properties of Mg matrix composites reinforced with Al and nano SiC particles using spark plasma sintering followed by hot extrusion
Nassar et al. Study on mechanical properties of epoxy polymer reinforced with NanoSiC particles
Su et al. Study on the preparation of the SiCp/Al–20Si–3Cu functionally graded material using spray deposition
RU2609469C1 (en) Quasicrystalline phase based concentrate for production of filled thermoplastic polymeric compositions and method for production thereof
Yang et al. Influence of reinforcing particle distribution on the casting characteristics of Al-SiCp composites
CN106544549B (en) A kind of preparation method of the double scale TiC particle enhanced aluminum-based composite materials of micro-nano
Wang et al. Influence of nanoparticles on microstructural evolution and mechanical properties of Sr-modified Al-10Si alloys
Kumar et al. An overview assessment on magnesium metal matrix composites
Pashmforoosh et al. Evaluation of mechanical and microstructure properties of Mg-modified aluminum matrix composite by vortical casting method
Zhu et al. Microstructure and thermal expansion behavior of spray-formed Al–27Si alloy used for electronic packaging
Sun et al. Enhanced glass forming ability and plasticity of Mg-based bulk metallic glass by minor addition of Cd
Padmavathi et al. Synthesis of Al/Mg hybrid nanocomposite by electromagnetic stir cast: characteristics study
Donthamsetty et al. Experiments on the wear characteristics of A356 MMNCs fabricated using ultrasonic cavitation
Tu et al. Effect of vanadium content on microstructure and properties of in situ TiC reinforced V x FeCoNiCu multi-principal-element alloy matrix composites
Hu et al. Microstructure formation and micropillar compression of Al-TiC nanocomposite manufactured by solidification nanoprocessing
Tcherdyntsev et al. Formation of ethylene-vinyl acetate composites filled with Al–Cu–Fe and Al–Cu–Cr quasicrystallline particles
Wu et al. Effect of Ti and Zr combined modification on microstructures and mechanical properties of Mg95Y2. 5Zn2. 5 alloy containing LPSO and W phases
Díez‐Pascual et al. Polymer Blend Nanocomposites: Effect of Selective Nanotube Location on the Properties of a Semicrystalline Thermoplastic‐Toughened Epoxy Thermoset
Aashikkha et al. Study on the influence of manganese and silicon carbide in Al7075 metal matrix composite produced by P/M route
Sharma et al. Correlation of reinforced ceramicparticle’s nature and size with microstructure and wear behavior of Al-Si alloy composite

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20201102

Effective date: 20201102