СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЕТКАНОГО НАНОКОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПОЛИАМИДА-6 Российский патент 2014 года по МПК D01F6/60 B82B3/00 

Описание патента на изобретение RU2533553C1

Изобретение относится к созданию полимерных нетканых микроволокнистых материалов, которые могут использоваться в сфере фильтрации и медицинских целях.

В последние 15-20 лет стало актуальным получение и использование нанокомпозиционных материалов, состоящих из полимера с добавлением некоторого количества силикатного нанонаполнителя. Введение небольшого количества эксфолиированного нанонаполнителя, в частности монтмориллонита, позволяет улучшить свойства исходного полимера. Эксфолиированные слоисто-силикатные наночастицы обладают комплексом уникальных физико-химических свойств и считаются идеальным наполнителем для полимеров.

Существует ряд способов получения подобных нанокомпозиционных материалов. Так, в патенте US 4739007 был впервые предложен способ получения нанокомпозиционного материала на основе полиамида и слоисто-силикатного наполнителя, в частности монтмориллонита, который позволял получить композиционный материал с высокой механической прочностью и отличными высокотемпературными характеристиками. В патенте US 6906127 предложены интеркаляты, эксфолиаты и их концентраты, образованные с низкомолекулярным полимером, а также найлоновые интеркаляты, полученные полимеризацией in situ путем полимеризации с раскрытием цикла. В патенте US 4894411 предложен способ получения композиционного материала, состоящего из полиамидсодержащей смолы, диспрегированного в ней слоисто-силикатного наполнителя и вещества, такого как полиамин, которое контролирует кристаллическую структуру или молекулярную структуру смолы, полимеризацией in situ. Полученный композиционный материал обладает улучшенной механической прочностью, ударной вязкостью и высокой прозрачностью. Однако получение нетканого материала из подобных композитов остается за рамками данных патентов и требует дополнительных этапов, значительно удлиняя технологический процесс и увеличивая число стадий на пути от мономера до готового изделия.

Одним из наиболее распространенных способов получения нетканых волокнистых материалов является электроформование. Процесс электроформования можно осуществлять как из раствора, так и из расплава. Известен способ получения нетканого нанокомпозиционного материала электроформованием из раствора полиамида-6 в муравьиной кислоте (Y. Cai [et al.], Structures, thermal stability and properties of polyamide6/organic-modified Fe-montmorillonite composite nanofibers by electrospinning // Journal of Material Science. - 2008. - V.43. - P.6132-6138). Недостатком данного способа является сложность его реализации в промышленном масштабе - используемый растворитель токсичен, поэтому требуется сложная схема по его улавливанию.

Более перспективным методом получения волокнистых материалов является электроформование без использования растворителя - из расплавов полимеров. Метод был впервые предложен в 1981 году Ларрондо и Манлеем (L. Larrondo, R.St.J Manley // Journal of Polymer Science: Polymer Physics Edition. - 1981. - V. 19. - P.909-940), которые получили из расплавов чистого полиэтилена и полипропилена волокна диаметром 50-400 мкм.

Прототипом заявляемого изобретения является способ получения нетканого нанокомпозиционного материала из расплава полимеров, в т.ч. полиамида-6 (US 7083854). Недостатком прототипа является использование готового полиамида, что не позволяет получать нетканый материал из мономеров в одну стадию, а также накладывает ограничения на регулирование структуры материала ввиду невозможности изменять молекулярную массу полимера.

Технической задачей изобретения является создание способа получения нетканого нанокомпозиционного материала одностадийным непрерывным процессом электроформования из расплава.

Для этого предложен одностадийный способ получения нетканого материала методом электроформования из расплава на основе полиамида-6, при этом проводят каталитический синтез полиамида-6 в реакционной зоне экструдера, а в качестве исходного мономера используют ε-капролактам. Это позволяет избавиться от ряда стадий, таких как охлаждение, сушка, грануляция полимера после синтеза и его повторное плавление при формовании, что выгодно как с технологической, так и с экономической стороны, т.к. существенно уменьшается список необходимого оборудования, а также энергетические и временные затраты на получение нетканого материала.

Кроме того, в загрузочный лоток или в лоток на выходе из реакционной зоны экструдера вводят монтмориллонит в количестве 0,5-3% масс., по отношению к общей массе расплава.

За счет загрузки в экструдер мономера, активатора, катализатора и наполнителя (монтмориллонита), полимеризации с последующим электроформованием из синтезированного полимера нетканого материала удается сократить число технологических стадий, необходимых для получения волокон диаметра микронного ряда, составляющих основу нетканого нанокомпозиционного материала.

На фигуре показана схема процесса.

Для производства нетканого материала используется установка на базе экструдера с несколькими регулируемыми зонами нагрева (количество зон нагрева N может изменяться в пределах от 4 до 12). Мономер, активатор и катализатор через загрузочный лоток 1 подаются в экструдер 2, плавятся, в процессе продавливания расплава шнеком 3 происходит полимеризация. Монтмориллонит может загружаться как через загрузочный лоток 1 (вместе с мономером, активатором и катализатором), так и через загрузочный лоток 4 (который также может служить для дегазации получающегося полимера). Далее расплав продавливается сквозь фильеру 5 и, попадая в электрическое поле, создаваемое высоковольтным источником питания 6, образует микроволокнистый материал, попадающий на приемное устройство 7, выполненное в виде вращающегося цилиндрического барабана, что позволяет получать полотна нетканого материала большого размера. В качестве мономера используется ε-капролактам, активатора - натриевая соль капролактама (концентрация от 3 до 6% масс.), катализатора - гексаметилен-1,6-дикарбомоилкапролактам (концентрация от 2 до 4% масс.)

Температура в зонах экструдера определяется следующим образом:

• в зоне загрузки: T1=50°C,

• в зонах смешения: T2=…=Ti=95°C,

• в зонах синтеза температура возрастает от Ti+1=180°C на входе в зону синтеза до TN-1=240°C на выходе.

Время синтеза регулируется скоростью вращения шнека экструдера (200-650 об/мин).

Электроформование происходит при температуре TN=300-360°C. Расстояние между фильерой и приемным устройством может варьироваться в пределах 15-50 см. Напряжение формования регулируется в диапазоне 50-130 кВ. Диаметр отверстия фильеры составляет 0,5-1,0 мм. Также зона фильеры может обдуваться горячим воздухом.

Получаемый нанокомпозиционный материал состоит из микроволокон на основе полиамида-6 со средним диаметром от 5 до 50 мкм, содержащих 0,5-3% наночастиц монтмориллонита, и характеризуется поверхностной плотностью 5-100 мг/см2.

Заявляемый способ получения нетканого материала обладает новизной и существенными отличительными признаками от известных из уровня техники решений и может быть реализован в промышленности. Варьирование параметров технологического процесса обеспечивает получение материалов с заданными физико-механическими свойствами, что определяет их целевое использование.

Пример получения нетканого материала по заявленному способу (№1 в таблице).

Смесь, состоящую из капролактама, катализатора (гексаметилен-1,6-дикарбомоилкапролактам, концентрация 6% масс.), активатора (натриевая соль капролактама, концентрация 3% масс.) и монтмориллонита (концентрация 3% масс.) загружают в двухшнековый экструдер с 12 зонами нагрева, полимеризуют при скорости вращения шнеков 650 об/мин, при температуре в зоне загрузки T1=150°C, в зонах смешения Т2345=95°C, в зонах синтеза Т678=180°C, Т9=235°C, Т1011=95°C и выдавливают при температуре T12=350°C через фильеру с отверстием диаметром 1,0 мм. Расплав увлекается электрическим полем и, многократно утончаясь и расщепляясь, образует микроволокнистый нанокомпозиционный материал, который оседает на приемном барабане (прикладываемое напряжение - 130 кВ, расстояние между фильерой и барабаном 45 см), образуя полотно поверхностной плотностью 62,8 мг/см2 из волокон, имеющих среднюю толщину 22,4 мкм.

Остальные примеры (№2-5 в таблице) по принципу получения волокна аналогичны примеру 1, при этом меняются соотношение исходных компонентов и условия получения волокна.

Результаты приведены в таблице.

Получаемый материал состоит из микроволокон на основе полиамида-6 со средним диаметром от 5 до 50 мкм, содержащих 0,5-3% наночастиц монтмориллонита, и характеризуется поверхностной плотностью 5-100 мг/см2.

Похожие патенты RU2533553C1

название год авторы номер документа
ОДНОСТАДИЙНЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЕТКАНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПОЛИЛАКТИДА И НЕТКАНЫЙ МАТЕРИАЛ 2012
  • Чвалун Сергей Николаевич
  • Белоусов Сергей Иванович
  • Малахов Сергей Николаевич
  • Седуш Никита Геннадьевич
  • Григорьев Тимофей Евгеньевич
RU2500693C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЕТКАНОГО ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА И НЕТКАНЫЙ МАТЕРИАЛ 2011
  • Белоусов Сергей Иванович
  • Праздничный Андрей Михайлович
  • Малахов Сергей Николаевич
  • Чвалун Сергей Николаевич
  • Шепелев Алексей Дмитриевич
  • Хоменко Андрей Юрьевич
RU2493006C2
ПОЛИМЕРСОДЕРЖАЩАЯ КОМПОЗИЦИЯ, ЕЕ ПОЛУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ 2005
  • Схомакер Элвин
  • Де Вос Сибе Корнелис
RU2382795C2
РЕАКТОР ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ЛАКТОНОВ 2013
  • Седуш Никита Геннадьевич
  • Хоменко Андрей Юрьевич
RU2570904C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПОЛИАМИДА 2018
  • Предтеченский Михаил Рудольфович
  • Сайк Владимир Оскарович
  • Безродный Александр Евгеньевич
  • Смирнов Сергей Николаевич
  • Юдаев Дмитрий Владимирович
RU2697332C1
ТЕРМОПЛАСТИЧНАЯ ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ, СОДЕРЖАЩАЯ ГИПЕРРАЗВЕТВЛЕННЫЙ ПОЛИМЕР, И ИЗГОТОВЛЯЕМЫЕ ИЗ ЭТОЙ КОМПОЗИЦИИ ИЗДЕЛИЯ 2002
  • Варле Жоэль
  • Клемен Флоранс
  • Туро Франк
  • Роша Сандрин
  • Шербакофф Наталия
RU2318007C2
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИТНОГО СЕРДЕЧНИКА ПРОВОДА ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ 2019
  • Мельденберг Алексей Николаевич
RU2708846C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОПОЛИАМИДОВ 1992
  • Воскресенская Ирина Александровна[Ru]
  • Беляков Анатолий Викторович[Ru]
  • Ягофаров Сергей Маргалимович[Ru]
  • Даценко Иван Николаевич[Ua]
RU2072369C1
НАНОКОМПОЗИЦИОННЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ БИОЦИДНЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2017
  • Герасин Виктор Анатольевич
  • Сивов Николай Александрович
  • Меняшев Марат Равильевич
  • Куренков Виктор Владиславович
  • Яковлева Анна Викторовна
  • Сердюков Дмитрий Владимирович
RU2679804C1
Нанокомпозит на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и способ его получения 2017
  • Новокшонова Людмила Александровна
  • Бревнов Петр Николаевич
  • Заболотнов Александр Сергеевич
  • Гринев Виталий Георгиевич
  • Берлин Александр Александрович
RU2671407C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 533 553 C1

Реферат патента 2014 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЕТКАНОГО НАНОКОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПОЛИАМИДА-6

Изобретение относится к способу получения нетканого нанокомпозиционного материала, который может быть использован в сфере фильтрации и медицинских целях. Способ получения нетканого материала заключается в том, что в экструдере смешивают исходные компоненты и в реакционной зоне экструдера проводят каталитический синтез полиамида-6. Затем методом электроформования из расплава полиамида-6 получают волокна. Исходная смесь содержит монтмориллонит и ε-капролактам в качестве исходного мономера. Изобретение позволяет уменьшить энергетические затраты на получение нанокомпозиционного материала, уменьшить количество технологических стадий и позволяет регулировать структуру готового материала. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Формула изобретения RU 2 533 553 C1

1. Способ получения нетканого нанокомпозиционного материала путем электроформования из расплава полиамида-6, содержащего наночастицы монтмориллонита, состоящий из смешения исходных компонентов, синтеза полимера и электроформования волокон из расплава полученного полимера, отличающийся тем, что каталитический синтез полиамида-6 проводят в реакционной зоне экструдера, а в качестве исходного мономера используют ε-капролактам.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание наночастиц монтмориллонита составляет 0,5-3% масс.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2014 года RU2533553C1

Способ восстановления хромовой кислоты, в частности для получения хромовых квасцов 1921
  • Ланговой С.П.
  • Рейзнек А.Р.
SU7A1
Прибор для измерения линейных и угловых деформаций 1949
  • Ханин С.Е.
SU82625A1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОВОЛОКОН ИЗ АЛИФАТИЧЕСКИХ СОПОЛИАМИДОВ 2010
  • Добровольская Ирина Петровна
  • Попрядухин Павел Васильевич
  • Юдин Владимир Евгеньевич
RU2447207C1

RU 2 533 553 C1

Авторы

Белоусов Сергей Иванович

Крашенников Сергей Владимирович

Малахов Сергей Николаевич

Чвалун Сергей Николаевич

Григорьев Тимофей Евгеньевич

Демидёнок Константин Владимирович

Даты

2014-11-20Публикация

2013-04-09Подача