способ получения наноструктурированного полимерного композиционного материала для нанесения покрытий

Формула изобретения

1. Способ получения наноструктурированного полимерного композиционного материала для нанесения покрытий, включающий смешивание полиэтилена и мастербатча монтмориллонита в двухшнековом экструдере при температуре, обеспечивающей плавление полиэтилена, и последующее экструдирование полученного материала, при этом мастербатч получают путем предварительной органомодификации монтмориллонита и его введения в полимер, отличающийся тем, что органомодифицированный монтмориллонит вводят в полимер в количестве 20-40 мас.%, при этом смешивание мастербатча с полиэтиленом осуществляют в двухшнековом экструдере однонаправленного вращения с обеспечением содержания монтмориллонита в получаемом полимерном материале 0,1-2 мас.%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что органомодификацию монтмориллонита осуществляют путем его обработки четвертичными аммониевыми солями.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что смешивание полиэтилена и мастербатча осуществляют при температуре 170-200°С.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что на выходе из экструдера осуществляют вакуумную дегазацию экструдируемого материала.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что после экструдирования полимерный материал измельчают в гранулы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения полимерных композиционных материалов (ПКМ), которые могут быть использованы, в частности, для нанесения изоляционных покрытий на металлические проволоки.

Из уровня техники известен способ изготовления полимерного композиционного материала, согласно которому полиэтилен и мастербатч, содержащий монтмориллонит (ММТ), загружают в двухшнековый экструдер контрвращения и осуществляют смешивание при температуре 170-200°C с диспергированием ММТ. Количество ММТ в получаемом композиционном материале составляет 3 мас.%. При этом для изготовления мастербатча осуществляют органомодификацию ММТ (обработкой четвертичными аммониевыми солями) и смешивание полученного материала с полимером в соотношении 1:1 (см. Araujo Е.М. et al. Processing and characterization of polyethylene/Brazilian clay nanocomposites / J. Material science & engineering, A. 445-446, 2007, p.p.141-147). В результате получают ПКМ с матрицей из полиэтилена и наполнителем в виде нанодисперного монтмориллонита. Недостатком известного способа является недостаточно равномерное распределение частиц монтмориллонита по объему матрицы.

Задачей заявленного изобретения является получение наноструктурированного ПКМ с высоким уровнем физико-механических и эксплуатационных характеристик.

Технический результат изобретения заключается в повышении равномерности распределения частиц монтмориллонита в полимерной матрице, а также в повышении физико-механических характеристик материала, таких как стойкость к растрескиванию, коррозионная стойкость, термостойкость, морозостойкость, адгезии покрытия к материалу подложки, износо- и абразивостойкость.

Указанный технический результат изобретения достигается за счет того, что способ получения полимерного наноструктурированного композиционного материала для нанесения покрытий включает смешивание полиэтилена и мастербатча монтмориллонита в двухшнековом экструдере при температуре, обеспечивающей плавление полиэтилена, и последующее экструдирование полученного материала, при этом мастербатч получают путем предварительной органомодификации монтмориллонита и его введения в полимер, причем органомодифицированный монтмориллонит вводят в полимер в количестве 20-40 мас.%, а смешивание мастербатча с полиэтиленом осуществляют в двухшнековом экструдере однонаправленного вращения с обеспечением содержания монтмориллонита в получаемом полимерном материале - 0,1-2 мас.%.

Кроме того, указанный технический результат достигается в частных случаях реализации изобретения за счет того, что:

- органомодификацию монтмориллонита осуществляют путем его обработки четвертичными аммониевыми солями,

- смешивание полиэтилена и мастербатча осуществляют при температуре 170-200°C,

- на выходе из экструдера осуществляют вакуумную дегазацию экструдируемого материала,

- после экструдирования полимерный материал измельчают в гранулы.

Авторами изобретения было установлено, что упомянутое двухстадийное смешивание компонентов материала в двухшнековом экструдере однонаправленного вращения в сочетании с составом получаемого композиционного материала, содержащего монтмориллонит в количестве 0,1-2 мас.%, позволяет достигнуть оптимальное сочетание физико-механических свойств материала, необходимых для его функционирования в качестве защитного покрытия, в частности трещиностойкость, изностойкость, термостойкость, химическая (коррозионная) стойкость и др. При содержании ММТ менее 0,1 мас.% не происходит значительного влияния добавки на процесс кристаллизации материала, и, как следствие, свойства полимерного композиционного материала будут совпадать со свойствами матричного полимера, а при содержании более 2 мас.% в ходе кристаллизации критически снизится степень кристалличности полимерной матрицы и, как следствие, прочность полимерного композиционного материала уменьшится до неприемлемого уровня.

Применение органомодификации ММТ в сочетании с использованием двухшнекового экструдера однонаправленного вращения обеспечивает улучшенную эксфолиацию мастербатча ММТ в полиэтилене.

При этом предварительное введение органомодифицированного ММТ в полимер в количестве 20-40 мас.% (с учетом указанного выше содержания ММТ в готовом композите) обеспечивает наилучшее распределение частиц монтмориллонита в объеме полиэтиленовой матрицы, что дополнительно улучшает характеристики материала.

Заявленный способ осуществляется следующим образом.

Для приготовления мастербатча монтмориллонит подвергают органомодификации путем его обработки четвертичными аммониевыми солями в зет-образном смесителе с системой вакуумной дегазации.

Органомодификация ММТ необходима для дальнейшей диспергации монтмориллонита в полимере (полиэтилене) и необходимости в улучшении эксфолиации ММТ в конечном продукте.

После органомодификации ММТ вводят в полимер в количестве 20-40 мас.% путем смешивания на двухшнековом экструдере однонаправленного вращения при температуре расплава 190-200°C. В результате получают мастербатч (суперконцентрат) ММТ.

Затем полученный мастербатч вместе с полиэтиленом загружают в двушнековый экструдер однонаправленного вращения и смешивают при температуре 170-200°C. При таких условиях происходит плавление полиэтилена, его пластифицирование и диспергирование в нем ММТ. При этом мастербатч вводят в смесь из условия получения концентрации ММТ в конечном материале в интервале 0,1-2 мас.%.

При необходимости на выходе из экструдера осуществляют вакуумную дегазацию материала для удаления из расплава газообразных продуктов деструкции материала. Для этого в двухшнековом экструдере создается зона с атмосферным давлением за счет увеличения витков шага шнека и происходит откачка газов прямоточным вакуумным насосом.

После прохождения расплава через фильеру полученный полимерный материал измельчают в гранулы для дальнейшего использования при нанесении покрытия.

В результате получают бимодальный наноструктурированный ПКМ, с матрицей из полиэтилена и наномодификатором - монтмориллонитом, присутствующим в количестве 0,1-2 мас.% и равномерно распределенным по объему матрицы. При этом в композиционном материале ММТ имеет пластинчатую форму частиц, с размерами: длина - 100-200 нм, толщина - 2-6 нм. Данные частицы монтмориллонита образуют наноструктуру, обеспечивающую структурирование полимера в момент кристаллизации (эффект нуклеации), повышающее физико-механические свойства материала (прочность, модуль упругости, морозостойкость и т.д.), а также его барьерные свойства (снижается газо- и паропроницаемость), что увеличивает коррозионную стойкость материала.

Пример предпочтительной реализации способа

Для приготовления мастербатча монтмориллонит подвергают органомодификации путем его обработки четвертичными аммониевыми солями в зет-образном смесителе с системой вакуумной дегазации.

Состав смеси:

- ММТ 50-60 мас.%,

- Олеилтриметиламмоний хлорид - 10-20 мас.%,

- Диметилди(C₁₄-C ₁₈)алкил аммоний хлорид - 20-30 мас.%.

Смешивание компонентов проводят при температуре 60°C.

Затем полученный органомодифицированный ММТ смешивают с полиэтиленом LLDPE в двухшнековом экструдере в количестве 20-40% при температуре 190-200°C.

После этого мастербатч (в количестве 0.5-2 мас.%), а также полиэтилен смешивают в двушнековом экструдере однонаправленного вращения с отношением LD=50 при температуре 190-200°C и скорости вращения шнеков 400-500 об/мин. В результате получают композиционный материал на основе полиэтилена, содержащий 0,1-0,5 мас.% монтмориллонита.

Полученный таким образом композиционный материал наносят на подложку, например на металлическую проволоку (путем экструзии), в качестве защитного покрытия.

Данный композиционный материал при использовании в качестве покрытия обладает, в частности, следующими эксплуатационными свойствами:

- высокая стойкость к растрескиванию,

- высокая устойчивость к агрессивным средам,

- высокая термостойкость,

- высокая морозостойкость,

- повышенная адгезия к материалу подложки,

- высокая износо- и абразивостойкость.

Таким образом, заявленный способ позволяет получать наноструктурированный полимерный материал с повышенным уровнем эксплуатационных свойств, необходимых для использования его в качестве материала покрытия.

Следует отметить, что заявленное изобретение не ограничено частными случаями его реализации, раскрытыми в описании. Возможны также иные формы выполнения рассмотренного способа в объеме приведенных существенных признаков изобретения.