Способ получения композитного материала Российский патент 2018 года по МПК B82B3/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к способу получения композитного материала, содержащего полимер на основе акриламида или метакриламида и углеродных нанотрубок, предназначенного для усиления механических свойств композиционных материалов на основе эпоксидных смол, модификации различных клеевых составов для получения суперконденсаторов и др.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен способ получения нанокомпозитного материала на основе полиолефинов и углеродных нанотрубок диспергированных путем ультразвуковой обработки, отличающийся тем, что углеродные нанотрубки в течение 0,5-1 ч механически растирают в воде с добавлением водорастворимого полимера с концентрацией 0,01-0,1 мас. %, после чего полученную суспензию диспергируют ультразвуком в течение 30 мин при максимальной температуре среды не выше 70°С с последующим нанесением ее на поверхность гранул полиолефина и сушкой полученных гранул нанокомпозита, содержащих до 0,5 мас. % углеродных трубок (RU 2490204 С1, опубл. 20.08.2013).

Недостатком известного композитного материала являются высокие энергозатраты и длительность получения композитного материала, невозможность получения ковров композитного материала.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ замещения фтора во фторированных углеродных нанотрубках путем химических реакций с различными реагентами, такими как амины, амиды, аминокислоты, аминоспирты и др. (В.Н. Хабашеску. Ковалентная функционализация углеродных нанотрубок: синтез, свойства и применение фторированных производных, Обзор. Успехи химии 80 (8), 2011, с. 739-760).

Недостатком наиболее близкого аналога является высокие энергозатраты и длительность получения композитного материала, сшивки трубок полимерными цепями, например, при использовании мочевины.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей заявленной группы изобретений являются разработка способа получения композитного материала на основе акриламида или метакриламида и углеродных нанотрубок (АА или МАА)-углеродные нанотрубки.

Техническим результатом заявленной группы изобретений является снижение энергозатрат и времени получения композитного материала с высоким выходом композитного материала.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ получения композитного материала на основе полимера и углеродных нанотрубок, включает следующие этапы:

a) обработка в ультразвуке раствора, содержащего акриламид или метакриламид, воду или кислоту, диметилсульфоксид с растворенными в нем фторированными углеродными нанотрубками;

b) разбавление водой обработанного раствора с последующим центрифугированием разбавленного раствора;

c) осаждение композитного материала на основе полимера и углеродных нанотрубок из раствора в ампулах;

d) разбавление композитного материала на основе полимера и углеродных нанотрубок с последующей обработкой водного раствора в ультразвуке;

e) фильтрование обработанного водного раствора композитного материала на основе полимера и углеродных нанотрубок, промывка и сушка.

Применяют однослойные или многослойный фторированные углеродные нанотрубки.

Концентрация фторированных углеродных нанотрубкок составляет 1-2 мг/г.

Дополнительно после этапа d) осуществляют нагрев при температуре 75-80°С композитного материала на основе полимера и углеродных нанотрубок в присутствии концентрированных минеральных кислот, такие, как серная, азотная и др.

Дополнительно после этапа d) осуществляют взаимодействие композитного материала на основе полимера и углеродных нанотрубок в присутствии щелочи и гипохлорита натрия. Применяют щелочи, содержащие металлы первой и второй группы таблицы Менделеева, такие как KOH, NaOH, Ва(ОН)₂ и др.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ получения композитного материала на основе полимера и углеродных нанотрубок (УНТ) осуществляют следующим образом.

Приготавливают при комнатной температуре раствор, содержащий 5-7 мас. % акриамида (АА) или метакриламида (МАА), 1-5 мас. воды или 0,1-1 мас. % кислоты и остальное - диметилсульфоксид (ДМСО) с растворенными в нем фторированными углеродными нанотрубками (F-УНТ), при этом концентрация фторированных углеродных нанотрубок составляет 1-2 мг/г. В качестве кислоты при приготовлении вышеуказанного раствора применяют концентрированные минеральные кислоты, такие как соляная, серная, азотная и др.

Затем приготовленный раствор помещают в ультразвуковой концентратор, в котором раствор подвергался звуковой обработке при частоте 10 КГц в течение 20 мин, в результате которой происходит замещение фтора на АА или МАА с получением раствора композитного материала полимер (АА или МАА)-УНТ.

Далее полученный раствор композитного материала при комнатной температуре разбавляют водой в 10 раз и подвергают центрифугированию при 6000 об/мин в течение 15 мин. В результате центрифугирования полимер-УНТ осаждается в ампулах.

Затем композитный материал разбавляют водой, водный раствор подвергают обработке в ультразвуковой ванне при частоте 50 Гц в течение 10-15 мин для удаления оставшихся АА или МАА а также их полимеров, и остатков ДМСО. После чего обработанный водный раствор композитного материала пропускают через фильтр в 1 мкн, где композитный материал (АА или МАА)-УНТ отфильтровывается от воды (кислоты до нейтральной реакции), затем промывается ацетоном и высушивается в шкафу при температуре 125°С. В результате получается твердый конечный продукт в виде композитного материала полимер (АА или МАА)-УНТ.

Далее по необходимости после обработки в ультразвуковой ванне раствор композитного материала МАА-УНТ подвергают нагреву при температуре 75-80°С в присутствии концентрированных минеральных кислот (серная, хлорная, азотная и др.) для получения композитного материала полиакриловая кислота (ПАК)-УНТ или взаимодействию со щелочью и гипохлоритом натрия для получения композитного материала поливиниламин (ПВАМ)-УНТ.

Для получения композитного материала ПАК-УНТ, раствор композитного материала МАА-УНТ подвергается нагреву в 100-кратном избытке от массы композитного материала концентрированной HCl в течение 12 часов при 80°С. После чего отмывается избыток кислоты водой до нейтральной реакции раствора. Осаждают из водного раствора композитный материал ПАК-УНТ путем центрифугирования при 6 тыс. об/мин. Полученный осадок содержит примерно 98% воды, затем его заливают безводным изопропиловым спиртом, примерно в 10 кратном избытке, и удаляют воду за счет образования азеотропа, промывая избытком спирта на 1 мк фильтре.

Для получения композитного материала ПВАМ-УНТ, осуществляют взаимодействие раствора композитного материала МАА-УНТ с большим избытком щелочи (100-кратный по отношению к композитному материалу) и небольшим избытком гипохлорита натрия. После чего отмывают избыток щелочи водой до нейтральной реакции раствора, затем заливают безводным изопропиловым спиртом примерно в 10-кратном избытке и удаляют воду за счет образования азеотропа, промывая избытком спирта на 1 мкн фильтре.

В таблице 1 представлены результаты экспериментов заявленного способа.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет снизить энергозатраты и время получения композитного материала с высоким выходом композитного материала, за счет выполнения способа при комнатной температуре, по сравнению с наиболее близким аналогом, в котором обработку ультразвуком осуществляют при температуре выше 130°С, например при использовании мочевины.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

Использование: для получения композитного материала, содержащего полимер на основе акриламида или метакриламида и углеродных нанотрубок. Сущность изобретения заключется в том, что способ получения композитного материала на основе полимера и углеродных нанотрубок включает следующие этапы: обработка в ультразвуке раствора, содержащего акриламид или метакриламид, воду или кислоту, диметилсульфоксид с растворенными в нем фторированными углеродными нанотрубками; разбавление водой обработанного раствора с последующим центрифугирование разбавленного раствора; осаждение композитного материала на основе полимера и углеродных нанотрубок из раствора в ампулах; разбавление композитного материала на основе полимера и углеродных нанотрубок с последующей обработкой водного раствора в ультразвуковой ванне; фильтрование обработанного водного раствора композитного материала на основе полимера и углеродных нанотрубок, промывка и сушка. Технический результат: обеспечение возможности снижения энергозатрат и времени получения композитного материала с высоким выходом композитного материала. 4 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения композитного материала на основе полимера и углеродных нанотрубок, включающий следующие этапы:

a) обработка в ультразвуке раствора, содержащего акриламид или метакриламид, воду или кислоту, диметилсульфоксид с растворенными в нем фторированными углеродными нанотрубками;

b) разбавление водой обработанного раствора с последующим центрифугированием разбавленного раствора;

c) осаждение композитного материала на основе полимера и углеродных нанотрубок из раствора в ампулах;

d) разбавление композитного материала на основе полимера и углеродных нанотрубок с последующей обработкой водного раствора в ультразвуковой ванне;

e) фильтрование обработанного водного раствора композитного материала на основе полимера и углеродных нанотрубок, промывка и сушка.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что применяют однослойные или многослойные фторированные углеродные нанотрубки.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что концентрация фторированных углеродных нанотрубкок составляет 1-2 мг/г.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно после этапа d) осуществляют нагрев при температуре 75-80°C композитного материала на основе полимера и углеродных нанотрубок в присутствии концентрированных минеральных кислот.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно после этапа d) осуществляют взаимодействие композитного материала на основе полимера и углеродных нанотрубок со щелочью и гипохлоритом натрия.