RU2657089C1 - Способ получения полимерных нанокомпозиционных материалов - Google Patents

Способ получения полимерных нанокомпозиционных материалов Download PDF

Info

Publication number
RU2657089C1
RU2657089C1 RU2017132996A RU2017132996A RU2657089C1 RU 2657089 C1 RU2657089 C1 RU 2657089C1 RU 2017132996 A RU2017132996 A RU 2017132996A RU 2017132996 A RU2017132996 A RU 2017132996A RU 2657089 C1 RU2657089 C1 RU 2657089C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radiation
nanoparticles
irradiation
nanocomposite
ionizing radiation
Prior art date
Application number
RU2017132996A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Витальевич Слесаренко
Михаил Александрович Арсентьев
Original Assignee
Сергей Витальевич Слесаренко
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 Сергей Витальевич Слесаренко filed Critical Сергей Витальевич Слесаренко
Priority to RU2017132996A priority Critical patent/RU2657089C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2657089C1 publication Critical patent/RU2657089C1/ru

Links

Classifications

    • 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
    • C08J5/00Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/18Manufacture of films or sheets

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Processes Of Treating Macromolecular Substances (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области получения нанокомпозиционных полимерных материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками, а именно к радиационно-обработанным полимерным композиционным материалам антифрикционного и уплотнительного назначения на основе фторопластов. Получение полимерных нанокомпозиционных материалов включает механообработку порошка политетрафторэтилена, диспергирование наночастиц, дозирование наночастиц в концентрациях не более 1%, смешивание наночастиц с порошком политетрафторэтилена в смесителе. Далее осуществляют изготовление заготовок нанокомпозита из полученной смеси. Полученные заготовки помещают в камеру, где создается бескислородная среда. Затем заготовки нагревают до температуры выше температуры плавления кристаллической фазы со скоростью не более 60°С/час. Далее проводят обработку заготовок нанокомпозита ионизирующим излучением - тормозным гамма-излучением импульсного линейного ускорителя электронов при скорости облучения от 0-1000 Гр/сек, причем облучение проходит до поглощенной дозы 0,5-500 кГр с понижением температуры изделия в процессе обработки не более 0,5 град/10 кГр. После прекращения облучения осуществляют термообработку в режиме нагрев/охлаждение в температурном диапазоне от кристаллизации обработанного полимера до 380°С для нормализации и стабилизации свойств. Далее осуществляют охлаждение заготовок до комнатной температуры со скоростью не более 60°С/час. Изобретение обеспечивает получение композиционных материалов с улучшенными физико-механическими свойствами. 5 з.п. ф-лы, 3 табл.

Description

Изобретение имеет отношение к способу получения нанокомпозиционных материалов общепромышленного назначения на основе фторопластов, в частности, политетрафторэтилена, с добавлением наноразмерных наполнителей (наночастиц), предназначенных для применения в качестве антифрикционного и уплотнительного материала.
Изобретение относится к области получения композиционных полимерных материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками, а именно к радиационно-обработанным полимерным композиционным материалам антифрикционного и уплотнительного назначения на основе фторопластов, в частности, политетрафторэтилена, содержащего ультрадисперсный наполнитель.
Фторопласты, в частности, политетрафторэтилен, представляют собой материалы, сочетающие хорошие антифрикционные, термические, антиадгезионные и антикоррозионные свойства. Недостатками политетрафторэтилена являются высокая интенсивность износа при сухом трении и высокая ползучесть под нагрузкой, что допускает его использование лишь при малых нагрузках, в то время как к конструкционным материалам триботехнического и уплотнительного назначения предъявляется комплекс высоких требований к физико-механическим характеристикам, ползучести и износостойкости.
Для повышения износостойкости и снижения ползучести обычно во фторопласты вводят различные органические и неорганические добавки, выдерживающие его температуру спекания.
Известны составы композиционных материалов на основе ПТФЭ и различных наполнителей.
Например, в патенте РФ №2242486 (МПК C08J 5/16, C08L 27/18), опубл. 20.12.2004, описывается полимерная антифрикционная композиция, состоящая из ПТФЭ и углеграфитового волокна. Композиция дополнительно содержит жидкое стекло. Компоненты взяты в следующем соотношении, г: ПТФЭ 80-100, углеграфитовое волокно 20-50, жидкое стекло 30-45. Изобретение позволяет значительно снизить коэффициент трения и улучшить прочностные характеристики композиции.
Патент РФ №2290416 (МПК C08J 5/16, В29В 11/14), опубл. 27.12.2006, описывает антифрикционный композитный полимерный материал, содержащей ПТФЭ и порошок шунгита в количестве 8-12 мас. % от массы композиции. Изобретение позволяет получить композицию, сочетающую низкий коэффициент трения и высокую износостойкость.
Патент РФ №2216553 (МПК C08J 5/16, C08L 27/18), опубл. 20.11.2003, описывает антифрикционный полимерный материал, выполненный из композиции, содержащей ПТФЭ и углеродсодержащую добавку, при этом в качестве углеродсодержащей добавки 1-10% от массы композиции используется порошок фуллереновой сажи. Показано, что добавка фуллереновых саж улучшает антифрикционные и противоизносные свойства ПТФЭ.
Анализ вышеизложенных источников показывает, что наполнители позволяют улучшать эксплуатационные характеристики материала на основе политетрафторэтилена. Вместе с тем, следует отметить, что возможности данных методов улучшения свойств практически исчерпаны. Варьирование количества и типа наполнителей не позволяет достигнуть более существенного повышения физико-механических свойств и износостойкости. Так, достигнутые к настоящему времени предельные значения величины относительного линейного износа при трении без смазки лучших композиций на основе политетрафторэтилена составляют 0,02 мм/км, предельные значения величины предела текучести лучших композиций на основе фторопласта составляют не более 18 МПа, проблема хладотекучести (пластическая деформация до предела текучести) материала полностью не решена.
Известны более эффективные способы улучшения физико-механических характеристик политетрафторэтилена радиационными методами.
Из патента РФ №2597913 (МПК C08J 7/18, C08J 5/16, C08F 214/26), опубл. 20.09.2016, известен способ терморадиационной обработки изделий из политетрафторэтилена, при котором заготовки облучают гамма-квантами при повышенной температуре в расплаве в инертной среде. При этом температуру заготовок поддерживают ниже температуры плавления политетрафторэтилена, но выше температуры его кристаллизации. Облучение заготовок осуществляют с помощью импульсного линейного ускорителя, работающего в гамме-моде и конвертера, до поглощенной дозы 50-350 кГр, причем в процессе облучения температуру заготовок понижают на 0.8-1°С/10 кГр, а скорость облучения составляет более 10 Гр/сек. После облучения заготовки охлаждают до комнатной температуры со скоростью 30-70°С/час.
Также из патента №2467033 (МПК C08J 5/16), опубл. 20.11.2012, принятого в качестве наиболее близкого аналога, известен нанокомпозиционный конструкционный материал на основе политетрафторэтилена, содержащий функциональный углеродсодержащий наполнитель. В качестве наполнителя используют углеродные нанотрубки при следующем соотношении компонентов: углеродные нанотрубки - 1-5%; политетрафторэтилен - остальное до 100% с последующим радиационным модифицированием.
Анализ вышеизложенных источников показывает, что обработка радиационным методом значительно улучшает физико-механические характеристики, например, увеличивается износостойкость (в 10000 раз в сравнении с исходным политетрафторэтиленом), увеличивается предел текучести и т.д. (более чем в 2 раза в сравнении с исходным политетрафторэтиленом). Однако добавление в политетрафторэтилен наночастиц (например, нанотрубки) с последующей радиационной обработкой, в соответствии с данными патента №2467033, значительного улучшения характеристик композиционного материала за счет введения наночастиц не наблюдалось (в сравнении с исходным материалом, обработанным радиационным методом).
Отсутствие суммарного эффекта от радиационной обработки материала с дополнительным вводом наночастиц (1-5% масс.) можно связать с образованием в материале неоднородностей в виде агломератов наночастиц, что неизбежно приводит к потере эффективной площади поверхности взаимодействия между наночастицей и полимером (потеря наноэффекта).
Техническая задача настоящего изобретения решается путем введения низкой концентрации наночастиц (для избежания формирования агломератов) различной природы во фторопласты, в частности в политетрафторэтилен, с последующей обработкой различными видами высокоэнергитичных и ионизирующих излучений (альфа-излучение, электронное излучение, гамма-излучение, излучение от природных источников и тормозное гамма-излучение, облучение протонами и нейтронами с высокими энергиями, лазерное излучение).
Для моделирования применимости заявленного способа для широкого спектра наночастиц был выбран ряд модельных наполнителей по следующему принципу:
1. Различная молекулярная структура
2. Различное надмолекулярное строение
3. Различная химическая природа
4. Различное функциональное назначение
В качестве модельных наполнителей использовали следующие наночастицы:
Figure 00000001
Figure 00000002
Сущность описанного решения состоит во введении в политетрафторэтилен наночастиц при следующем соотношении компонентов: наночастицы не более 1%, политетрафторэтилен - остальное до 100%, с последующей терморадиационной обработкой различными видами высокоэнергетичных и ионизирующих излучений (альфа-излучение, электронное излучение, гамма-излучение, излучение от природных источников и тормозное гамма-излучение, облучение протонами и нейтронами с высокими энергиями, лазерное излучение) поглощенной дозой не более 500 кГр при температуре строго выше точки плавления кристаллической фазы политетрафторэтилена в бескислородной среде.
Следует отметить, что в результате обработки ионизирующим излучением во фторопластах возникают радиационные эффекты, выражающиеся в протекании радиационно-химических реакций. Данный эффект возникает и увеличивается с возрастанием поглощенной энергии ионизирующего излучения (поглощенной дозы излучения) в единичном объеме. Количественной характеристикой радиационно-химической реакции является радиационно-химический выход (величина изменений физико-механических свойств заготовки в результате поглощения 100 эВ ионизирующего излучения). Качественная характеристика ионизирующего излучения - эффективность ионизирующего излучения, зависит от типа излучения, а именно от величины линейной передачи энергии.
Заявленный способ реализуется с помощью горизонтального импульсного линейного ускорителя (ИЛУ), терморадиационной камеры (ТРК) и V-образного смесителя.
Поэтапная реализация заявленного способа:
1. Механообработка порошка фторопласта, диспергирование наночастиц, дозирование наночастиц в концентрациях строго не более 1%, смешивание наночастиц с порошком фторопласта, например, политетрафторэтилена, осуществляется на V-образном смесителе. Далее из полученной смеси осуществляется изготовление заготовок нанокомпозита любым из методов переработки фторопластов (например, прессование, экструзия).
2. Заготовки нанокомпозита помещают в ТРК, где производится откачка кислорода до остаточного давления 1 мм рт.ст., затем ее заполняют инертным газом (аргон, азот) до избыточного давления.
3. В ТРК заготовки из нанокомпозиционного полимерного материала нагревают до температуры строго выше температуры плавления кристаллической фазы от 327°С и не более 380°С со скоростью не более 60°С/час, а также проводят термостатирование при температуре значительно выше температуры плавления кристаллической фазы (не более 380°С), что позволяет провести процесс полного плавления кристаллической фазы нанокомпозиционного полимера и исключить при этом возможное развитие деструкции участков полимера вследствие наличия твердых кристаллических участков, подверженных сильной деструкции при облучении.
4. Далее проводится обработка заготовок из нанокомпозиционного полимерного материала ионизирующим тормозным гамма-излучением импульсного линейного ускорителя, скорость облучения от 0-1000 Гр/сек. Облучение проходит до поглощенной дозы 0,5-500 кГр с понижением температуры изделия в процессе обработки не более 0,5 град/10 кГр. После прекращения облучения, в связи с возможным быстрым набором необходимой дозы облучения и особенностями механизма изменения структуры и, как следствие, физико-механических характеристик заготовок нанокомпозиционного полимерного материала, необходимо провести дополнительную термообработку в режиме нагрев/охлаждение в температурном диапазоне от начала кристаллизации обработанного полимера до 380°С для нормализации и стабилизации свойств.
5. Финальная стадия процесса обработки - обработанные заготовки из нанокомпозиционного полимерного материала охлаждают до комнатной температуры со скоростью не более 60°С/час.
Были проведены физико-механические испытания модельных образцов по EN ISO 527-1/3 нанокомпозитов на основе политетрафторэтилена с введенными наночастицами различной химической природы, строения и структуры, обработанными в заявленных условиях (см. Таблицу 2).
Figure 00000003
По результатам физико-механических испытаний модельных нанокомпозитов после облучения наблюдается тренд к увеличению прироста свойств нанокомпозитов при снижении содержания наночастиц, что подтверждает заявленный способ. Так как, модельный ряд наночастиц был выбран вышеописанным принципом, это позволяет утверждать, что эффект улучшения свойств нанокомпозита в заявленных концентрациях наночастиц присущ нанокомпозитам с прочими наночастицами.
Дополнительно, было проведено сравнение физико-механических показателей: ф-4, материала по патенту №2597913, необлученных нанокомпозитов (0,01-1%) и нанокомпозитов (1-5%) по патенту №2467033, облученных нанокомпозитов (0,01-1%) по заявленному способу и нанокомпозитов (1-5%) по патенту №2467033 (см. Таблицу 3).
Figure 00000004
Исходя из полученных данных, следует, что изготовленные представленным способом нанокомпозиты обладают улучшенными физико-механическими характеристиками в сравнении со всеми аналогами, а также с наиболее близким аналогом (патент №2467033) именно за счет синергетического эффекта от добавления наночастиц в микроконцентрациях (не более 1%) и последующей обработки ионизирующим излучением.

Claims (6)

1. Способ получения полимерных нанокомпозиционных материалов, включающий механообработку порошка политетрафторэтилена, диспергирование наночастиц, дозирование наночастиц в концентрациях не более 1%, смешивание наночастиц с порошком политетрафторэтилена в смесителе, изготовление заготовок нанокомпозита из полученной смеси, последующее помещение заготовок в камеру, где создается бескислородная среда, затем заготовки нагревают до температуры выше температуры плавления кристаллической фазы со скоростью не более 60°С/час, далее проводится обработка заготовок нанокомпозита ионизирующим излучением - тормозным гамма-излучением импульсного линейного ускорителя электронов при скорости облучения от 0-1000 Гр/сек, причем облучение проходит до поглощенной дозы 0,5-500 кГр с понижением температуры изделия в процессе обработки не более 0,5 град/10 кГр, а после прекращения облучения проводится термообработка в режиме нагрев/охлаждение в температурном диапазоне от кристаллизации обработанного полимера до 380°С для нормализации и стабилизации свойств, а затем проводится охлаждение заготовок до комнатной температуры со скоростью не более 60°С/час.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве высокоэнергетического ионизирующего излучения применяют альфа-излучение.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве высокоэнергетического ионизирующего излучения применяют гамма-излучение.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве высокоэнергетического ионизирующего излучения применяют электронное излучение.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве высокоэнергетического ионизирующего излучения применяют облучение протонами и нейтронами с высокими энергиями.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве высокоэнергетического ионизирующего излучения применяют излучение от природных источников.
RU2017132996A 2017-09-21 2017-09-21 Способ получения полимерных нанокомпозиционных материалов RU2657089C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017132996A RU2657089C1 (ru) 2017-09-21 2017-09-21 Способ получения полимерных нанокомпозиционных материалов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017132996A RU2657089C1 (ru) 2017-09-21 2017-09-21 Способ получения полимерных нанокомпозиционных материалов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2657089C1 true RU2657089C1 (ru) 2018-06-08

Family

ID=62560393

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017132996A RU2657089C1 (ru) 2017-09-21 2017-09-21 Способ получения полимерных нанокомпозиционных материалов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2657089C1 (ru)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020071946A1 (ru) * 2018-10-05 2020-04-09 Сергей Витальевич СЛЕСАРЕНКО Вкладыш эндопротеза
RU2734608C2 (ru) * 2018-12-19 2020-10-21 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Арфлон" Способ получения блочных изделий из политетрафторэтилена и композитов на его основе
RU2766553C1 (ru) * 2020-10-03 2022-03-15 Сергей Витальевич Слесаренко Эндопротез тазобедренного сустава и способ получения модифицированного политетрафторэтилена для эндопротеза тазобедренного сустава
RU2810570C2 (ru) * 2021-09-30 2023-12-27 Общество с ограниченной ответственностью «Квант Р» Способ терморадиационной обработки фторполимеров

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2216553C2 (ru) * 2001-07-31 2003-11-20 Институт проблем машиноведения РАН Антифрикционный полимерный материал
WO2006117679A2 (en) * 2005-04-29 2006-11-09 Compagnie Plastic Omnium Electrically conductive PTFE tape
US7273899B2 (en) * 2002-09-25 2007-09-25 Eastman Kodak Company Materials and method for making splayed layered materials
US20100152326A1 (en) * 2006-07-12 2010-06-17 Minusnine Technologies, Inc. Processes for dispersing substances and preparing composite materials
RU2467034C1 (ru) * 2011-08-24 2012-11-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство образования и науки РФ (Минобрнауки РФ) Нанокомпозиционный антифрикционный и уплотнительный материал на основе политетрафторэтилена
RU2467033C1 (ru) * 2011-08-24 2012-11-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство образования и науки РФ (Минобрнаука РФ) Нанокомпозиционный конструкционный материал на основе политетрафторэтилена

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2216553C2 (ru) * 2001-07-31 2003-11-20 Институт проблем машиноведения РАН Антифрикционный полимерный материал
US7273899B2 (en) * 2002-09-25 2007-09-25 Eastman Kodak Company Materials and method for making splayed layered materials
WO2006117679A2 (en) * 2005-04-29 2006-11-09 Compagnie Plastic Omnium Electrically conductive PTFE tape
US20100152326A1 (en) * 2006-07-12 2010-06-17 Minusnine Technologies, Inc. Processes for dispersing substances and preparing composite materials
RU2467034C1 (ru) * 2011-08-24 2012-11-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство образования и науки РФ (Минобрнауки РФ) Нанокомпозиционный антифрикционный и уплотнительный материал на основе политетрафторэтилена
RU2467033C1 (ru) * 2011-08-24 2012-11-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство образования и науки РФ (Минобрнаука РФ) Нанокомпозиционный конструкционный материал на основе политетрафторэтилена

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020071946A1 (ru) * 2018-10-05 2020-04-09 Сергей Витальевич СЛЕСАРЕНКО Вкладыш эндопротеза
RU2734608C2 (ru) * 2018-12-19 2020-10-21 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Арфлон" Способ получения блочных изделий из политетрафторэтилена и композитов на его основе
RU2766553C1 (ru) * 2020-10-03 2022-03-15 Сергей Витальевич Слесаренко Эндопротез тазобедренного сустава и способ получения модифицированного политетрафторэтилена для эндопротеза тазобедренного сустава
RU2810570C2 (ru) * 2021-09-30 2023-12-27 Общество с ограниченной ответственностью «Квант Р» Способ терморадиационной обработки фторполимеров

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2657089C1 (ru) Способ получения полимерных нанокомпозиционных материалов
Seo et al. Preparation and properties of poly (propylene carbonate) and nanosized ZnO composite films for packaging applications
EP3348610B1 (en) Method for manufacturing polytetrafluoroethylene molded body, and polytetrafluoroethylene molded body
Dorschner et al. Electron beam facility in polymer research: radiation induced functionalization of polytetrafluoroethylene
Zhang et al. Crystallization and foaming of coagent-modified polypropylene: nucleation effects of cross-linked nanoparticles
RU2669841C1 (ru) Способ получения полимерных материалов
Hutchinson et al. Intercalation of epoxy resin in organically modified montmorillonite
Sleptsova et al. Spectroscopic study of tribooxidation processes in modified PTFE
Dueramae et al. Thermal degradation mechanism of highly filled nano-SiO 2 and polybenzoxazine
Molajavadi et al. Water assisted exfoliation of PA6/clay nanocomposites using a twin screw extruder: Effect of water contact time
JP2008069280A (ja) 架橋ポリテトラフルオロエチレン樹脂とその製造方法
Luo et al. Epoxy resin modified maleic anhydride‐grafted‐liquid polybutadiene on the properties of short aramid fiber reinforced natural rubber composite
JP2002256080A (ja) 放射線改質四フッ化エチレン樹脂原料及びその製造方法
Wang et al. Thermal degradation behaviours of flame-retardant polycarbonate containing potassium diphenyl sulfonate and polymethylphenylsilsesquioxane
RU2753477C1 (ru) Способ получения полимерных композиционных материалов
EP3348601B1 (en) Polytetrafluoroethylene molded body, and manufacturing method therefor
Pavlenko et al. Gamma modification of radiation-resistant fluoroplastic composite
JP2000026614A (ja) 超微粉末状の架橋ポリテトラフルオロエチレン樹脂およびその製造方法
Hui et al. Thermal and thermo‐oxidative degradation study of a model LDPE/EVA based TPE system: Effect of nano silica and electron beam irradiation
Frolov et al. Impact of γ-Irradiation on the Kinetics of Laser Ablation of Polyamide Under Continuous CO 2 Laser Beam
Sazanov et al. Pyrolysis of polyacrylonitrile/technical hydrolytic lignin composites
RU2467033C1 (ru) Нанокомпозиционный конструкционный материал на основе политетрафторэтилена
Wongkumchai et al. Effects of coagent incorporation on properties of ultrafine fully vulcanized powdered natural rubber prepared as toughening filler in polybenzoxazine
KR20120134502A (ko) 방사선을 이용한 내마모성 강화 엔지니어링 플라스틱의 제조 방법 및 이를 이용한 플라스틱
Anmin et al. Thermal stability and aging characteristics of HNBR/clay nanocomposites in air, water and oil at elevated temperature

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190922

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20200805

HE4A Change of address of a patent owner

Effective date: 20220414