Полимерный нанокомпозиционный материал и способ его получения Российский патент 2023 года по МПК C08L59/02 B82B3/00 B82Y30/00 C08K3/04 

Изобретение относится к области разработки полимерных нанокомпозитов и производства на их основе деталей машиностроительного назначения, например подшипников скольжения, направляющих втулок, изделий для тормозной системы.

Известен полимерный композиционный материал на основе полиоксиметилена с многослойными углеродными нанотрубками (L. Lin, A.K. Schlarb Improved Weld Strength of Vibration Welded Polyoxymethylene/Multiwalled Carbon Nanotubes Hybrid Nanocomposites // Polymer Engineering and Science. Volume 56, Issue 6. 2016. pp. 636-642).

Недостатком данного материала является низкая технологичность изготовления.

Известен полиацетальный нанокомпозит, содержащий полиацеталь, нанонаполнитель, диизоцианат, стабилизатор и смазывающее вещество (ЕПВ 024002 МПК C08L 59/00, C08K 3/04, C08K 5/29, C08K 9/04, B82Y 30/00 опубл. 31.08.2016).

Недостатком данного композиционного материала являются низкие значения упруго-прочностных характеристик.

Известны полимерные композиции, содержащие углеродные нанотрубки (RU 2389739 МПК C08K 3/04, B82B 1/00, опубл. 20.05.2010).

Недостатком данного композиционного материала являются низкие значения упруго-прочностных характеристик.

Известен способ получения полимерной нанокомпозиции, в котором мастербатч с содержанием по объему 4% углеродных нанотрубок, разбавляли чистым полиоксиметиленом в экструдере сонаправленного вращения при температуре 195°С и скорости вращения шнеков 150 об/мин, образцы композита получали литьем под давлением (L. Lin, A. K. Schlarb Investigation on morphology and properties of melt compounded polyoxymethylene/carbon nanotube composites // Journal of Applied Polymer Science. Volume 132, Issue 40. 2015. 42639).

Недостатком данного способа является низкая технологичность, отсутствуют данные показателя текучести расплава (ПТР) и вязкости композиции.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является полимерная композиция, содержащая полиоксиметилен, углеродные нанотрубки и парафиновое масло (S. Yousef, A.M. Visco, G. Galtieri, J. Njuguna Wear Characterizations of Polyoxymethylene (POM) Reinforced with Carbon Nanotubes (POM/CNTs) Using the Paraffin Oil Dispersion Technique. JOM: the journal of the Minerals, Metals & Materials Society 68. 2015. pp. 288-299).

Недостатком прототипа являются низкие упруго-прочностные характеристики, а также отсутствие значения вязкости композиции.

Технический результат, при использовании заявленного изобретения, заключается в улучшении упруго-прочностных характеристик, а именно в увеличении прочности и модуля упругости при растяжении, а также в улучшении технологичности изготовления.

Сущность изобретения заключается в том, что полимерный нанокомпозиционный материал включает полиоксиметилен с ПТР 27 гр/10 мин, дисперсию углеродных нанотрубок TUBALL MATRIX 815, а в качестве смазывающего вещества может использоваться вазелиновое масло при следующем соотношении компонентов

Полиоксиметилен 94-99 Дисперсия TUBALL MATRIX 815 1-5 Вазелиновое масло 0-1

Способ получения полимерного нанокомпозиционного материала включает компаундирование на двухшнековом экструдере сонаправленного вращения полиоксиметилена. углеродных нанотрубок и смазывающего вещества, а также литье под давлением. Компоненты предварительно смешиваются в смесителе типа «пьяная бочка», компаундирование на двухшнековом экструдере сонаправленного вращения проводят при температуре 175°С, скорости вращения шнеков 200 об/мин, а литье под давлением проводят при температуре 175…180°С и скорости впрыска 12,9 мл/с.

В табл. 1 приведены составы и значения упруго-прочностных характеристик полимерного нанокомпозиционного материала.

Для получения материала использовались следующие компоненты:

полиоксиметилен (ПОМ) низковязкой марки общего назначения MASCON POM 27, предназначенный для литья под давлением тонкостенных изделий с ПТР 27 гр/10 мин;

дисперсия TUBALL MATRIX 815, содержащая 90% полиэтиленового воска и 10% одностенных углеродных нанотрубок, производства ООО OCSiAl;

вазелиновое масло по ГОСТ 3164-78 производства ОАО «Ивановская фармацевтическая фабрика».

Способ получения полимерного нанокомпозиционного материала заключается в следующем. Предварительно высушенные гранулы ПОМ и дисперсии TUBALL MATRIX 815 смешивают, согласно рецептуре, в смесителе типа «пьяная бочка» до однородного распределения дисперсии на гранулах. Двухшнековый экструдер сонаправленного вращения HAAKE Rheomex OS PTW 16 с диаметром шнека 16 мм и L/D=40:1 нагревается по всем зонам до 175°С, устанавливается скорость вращения шнека 200 об/мин. Полученная смесь через объемный дозатор подается во входное отверстие экструдера, в котором происходит перемешивание смеси с получением экструдата в виде стренга. Стренг охлаждается в водяной ванне и нарезается на гранулы.

Полученные гранулы высушиваются до остаточной влажности не более 0,5%. Из полученных гранул на литьевой машине Babyplast 6/10VP получены образцы в виде двухсторонних лопаток согласно ГОСТ 33693-2015 (параметры литьевого формования: температура пресс-формы - 30°С; температура пластикатора - 175°С; температура инжекционного цилиндра - 175°С; температура сопла - 180°С; усилие смыкания полуформ - 50 кН; давление впрыска - 56 МПа; скорость впрыска составляла 12, 9 мл/с).

Предел прочности при растяжении и относительное удлинение определяют по ГОСТ 11262-2017, модуль упругости при растяжении по ГОСТ 9550-81. Значения водопоглощения образцов определяют по ГОСТ 4650-2014 (метод А, выдержка в воде в течение 24 ч), плотность полимерной композиции по ГОСТ 15139-69, показатель текучести расплава по ГОСТ 11645-2021.

Из табл. 1 следует, что оптимальной дозировкой дисперсии TUBALL MATRIX 815 является 1-5%. Введение дисперсии более 5% не приводит к увеличению упруго-прочностных характеристик из-за образования агломератов нанотрубок, а также увеличивает стоимость материала. Введение менее 1% дисперсии не оказывают существенного влияния на свойства материала. Выбор вазелинового масла обусловлен низкой вязкостью, хорошей смачиваемостью гранул и экологичностью.

По сравнению с известным решением заявленное изобретение позволяет повысить значения упруго-прочностных характеристик, а также повысить технологичность изготовления изделий.

Таблица 1 Компоненты Составы полимерных композиций, % по массе 1 2 3 4 Прототип Полиоксиметилен,
ПТР 27 г/10 мин, 98 96 94 99 98,99 Дисперсия TUBALL MATRIX 815 1 3 5 1 - Вазелиновое масло по ГОСТ 3164-78 1 1 1 - - Углеродные нанотрубки 0,01 Парафиновое масло - - - - 1 Физико-механические свойства полимерных композиций Предел прочности при растяжении, МПа 59,5 57,7 56,1 59,7 55,6 Модуль упругости при растяжении, МПа 1860 1840 1835 1890 1834 Относительное удлинение, % 56 62 89 51 7,0 Водопоглощение за сутки, % 0,46 0,47 0,48 0,45 - Плотность, кг/м³ 1406 1388 1361 1410 1400 ПТР, гр/10 мин 28,5 28,1 27,6 27,9 -

Изобретение относится к области разработки полимерных нанокомпозитов и производства на их основе деталей машиностроительного назначения, например подшипников скольжения, направляющих втулок, изделий для тормозной системы. Описан полимерный нанокомпозиционный материал, включающий полиоксиметилен с ПТР 27 гр/10 мин, углеродные нанотрубки и смазывающее вещество, отличающийся тем, что в качестве углеродных нанотрубок используется дисперсия TUBALL MATRIX 815, а в качестве смазывающего вещества может использоваться вазелиновое масло при следующем соотношении компонентов, масс.%: полиоксиметилен 94-99, дисперсия TUBALL MATRIX 815 1-5, вазелиновое масло 0-1. Также описан способ получения указанного выше полимерного нанокомпозиционного материала, включающий компаундирование на двухшнековом экструдере сонаправленного вращения полиоксиметилена, углеродных нанотрубок и смазывающего вещества, а также литье под давлением, отличающийся тем, что компоненты предварительно смешиваются в смесителе типа «пьяная бочка», компаундирование на двухшнековом экструдере сонаправленного вращения проводят при температуре 175°С, скорости вращения шнеков 200 об/мин, а литье под давлением проводят при температуре 175-180°С и скорости впрыска 12,9 мл/с. Технический результат – улучшение упруго-прочностных характеристик, а именно увеличение прочности и модуля упругости при растяжении материала, а также улучшение технологичности изготовления. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

1. Полимерный нанокомпозиционный материал, включающий полиоксиметилен с ПТР 27 гр/10 мин, углеродные нанотрубки и смазывающее вещество, отличающийся тем, что в качестве углеродных нанотрубок используется дисперсия TUBALL MATRIX 815, а в качестве смазывающего вещества может использоваться вазелиновое масло при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Полиоксиметилен 94-99 Дисперсия TUBALL MATRIX 815 1-5 Вазелиновое масло 0-1

2. Способ получения полимерного нанокомпозиционного материала по п.1, включающий компаундирование на двухшнековом экструдере сонаправленного вращения полиоксиметилена, углеродных нанотрубок и смазывающего вещества, а также литье под давлением, отличающийся тем, что компоненты предварительно смешиваются в смесителе типа «пьяная бочка», компаундирование на двухшнековом экструдере сонаправленного вращения проводят при температуре 175°С, скорости вращения шнеков 200 об/мин, а литье под давлением проводят при температуре 175-180°С и скорости впрыска 12,9 мл/с.