Огнестойкий нанокомпозит и способ его получения
Владельцы патента RU 2491317:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова (RU)
Изобретение относится к негорючим слабодымящим полимерным нанокомпозитам на основе полибутилентерефталата. Нанокомпозит включает полибутилентерефталат и органоглину при следующем соотношении компонентов, мас.%: полибутилентерефталат - 93-97, органоглина - 3-7. Причем органоглина получена из глины на основе монтмориллонита, модифицированной меламином и полифосфатом аммония, при следующем соотношении компонентов, мас.%: глина - 90, меламин - 5, полифосфат аммония - 5. Способ получения нанокомпозита заключается во введении органоглины в расплав полибутилентерефталата. Причем сначала модифицируют глину, для чего готовят суспензию глины в воде, а затем в суспензию вводят меламин и полифосфат аммония. Полученную органоглину промывают водой многократной декантацией и высушивают при комнатной температуре. Далее полибутилентерефталат сушат, загружают полибутилентерефталат и органоглину в смеситель и перемешивают. Нанокомпозит получают смешиванием расплава полибутилентерефталата с органоглиной в экструдере одношнекового типа. Нанокомпозит характеризуется высокой огнестойкостью, низким дымовыделением, отсутствием токсичных газов и горящих капель расплава при сжигании изготовленных из него изделий при сохранении высокого уровня физико-механических свойств. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 3 пр.
Изобретение относится к негорючим слабодымящим полимерным нанокомпозитам на основе полибутилентерефталата. Предложенный композит может быть использован для изготовления деталей конструкционного и декоративно-конструкционного назначения, применяемых в автомобиле- и авиастроении, а также электротехнике.
Нанокомпозиты, в том числе с наполнителями из наноглин, являются уникальными композитными материалами, сочетающими лучшие свойства термопластов с наполнителями и чистых термопластов. В связи с этим, интерес к наноматериалам и присущим им свойствам растет экспоненциально. Наноглины являются самыми широко известными и первыми нашедшими коммерческое применение типами наноразмерных наполнителей. И в настоящее время они являются нанокомпонентами, чаще всего используемыми для модификации в нанокомпозитных пластиковых материалах, а благодаря их малой стоимости имеет самую широкую коммерческую жизнеспособность. Основными полезными результатами использования наномодификаторов предложенных в данной работе становятся улучшение механических свойств, повышение жесткости и формоустойчивости, улучшение барьерных качеств и повышение огнестойкости.
Различные составы огнезащитных композитов на основе полибутилентерефталата предложены в работах корейских ученых. Известны термопластичные полимерные композиты с повышенной термостойкостью и отличной гладкостью поверхности, включающие в себя полибутилентерефталат, оксид титана, неорганический наполнитель и стабилизатор [Abstract of KR 20070070339 (А)].
Известен способ модификации полибутилентерефталата аммоний модифицированной органоглиной и метилфениловым силиконовым маслом [Abstract of KR 20030097459 (A)].
Существует способ получения нанокомпозита на основе полибутилентерефталата с улучшенной огнестойкостью, заключающийся во введении в полимер глины модифицированной ионами алкиламмония и алкилфосфония, подвергшейся ультразвуковой обработке [Abstract of KR 20030070952 (А)].
Кроме того, существуют нанокомпозиты на основе полибутилентерефталата и глины. Под глиной в данном методе подразумевается натриевая и кальциевая формы глины, кальциевый монтмориллонит, вермикулит, синтетические глины, смектические глины, биеделиты, а также их смеси [Abstract of MX PA03010800 (А)].
Известен способ придания огнестойких свойств полимерным композитам, за счет использования в качестве огнегасящей добавки органоглины, модифицированной полифосфатом аммония, описанный в патенте французских ученых [Abstract of FR 2946259 (A1)].
Недостатком вышеуказанных методов является высокая стоимость и дефицитность используемых модификаторов, а также сложная технология получения органоглины. Помимо этого, механизм подавления пламени обусловлен лишь присутствием слоистых силикатов в композите, от чего материал имеет низкие огнезащитные свойства.
Наиболее близкий к заявляемому является полимерный композит полибутилентерефталата с полифосфатом аммония, меламином и циануровой кислотой [Abstract of JP 7247410 (А)]. Однако меламин склонен к миграции на поверхность полимерного изделия, что ухудшает его качество и огнезащитные свойства и, кроме того образует осадок в литьевой пресс-форме.
Задача - разработка огнестойкого нанокомпозита, обеспечивающего пожаробезопасность, в частности высокую огнестойкость, низкое дымовыделение, отсутствие токсичных газов и горящих капель расплава при сжигании изготовленных из него изделий при сохранении высокого уровня физико-механических свойств и способа его получения, обеспечивающего иммобилизацию меламина на поверхность глины.
Поставленная задача решается тем, что композит включает полибутилентерефталат и органоглину, в качестве модификатора, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| полибутилентерефталат | 93-97 |
| органоглина | 3-7 |
причем органоглина, представляет собой монтмориллонит Герпегежского месторождения Кабардино-Балкарской республики с толщиной частиц от 1 до 5 нм, длиной от 100 до 200 нм, катионнобменной емкостью 95 мг-экв/100 г глины и содержанием меламина и полифосфата аммония, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| глина | 90 |
| меламин | 5 |
| полифосфат аммония | 5, |
Способ получения композита заключается в том, что предварительно модифицируют глину, то есть получают из нее органоглину. Для этого, готовят суспензию глины в воде, перемешиванием на магнитной мешалке в течение 30 минут при комнатной температуре. В суспензию вводят меламин и полифосфат аммония, и перемешивают в течение 2 часов. Полученную органоглину промывают водой многократной декантацией и высушивают при комнатной температуре.
При модифицировании глины меламином и полифосфатом аммония, органические молекулы меламина и полифосфата аммония внедряются в глинистый минерал, что способствует повышению ее адгезионного взаимодействия с полимерной матрицей и повышению пожаробезопасных свойств, при минимальном введении органоглины в полимер. Модификатор-органоглина имеет хорошее сродство с полибутилентерфталатом, хорошо совмещается с ним в расплаве, равномерно распределяется по объему полимера. Достигается объединение комплекса свойств органических материалов: легкость, гибкость, пластичность, огнестойкость и неорганического материала: прочность, теплостойкость, химическая устойчивость.
Кроме того, за счет предварительной иммобилизации меламина на поверхность глины, он не мигрирует на поверхность полимерного изделия, что не приводит к ухудшению его качества и огнезащитных свойств, а также не образуется осадок в литьевой пресс-форме, по сравнению с прототипом.
Для получения огнестойкого композита, полибутилентерефталат предварительно сушат в сушильном шкафу 4 часа при 120°С. Затем загружают полибутилентерефталат и органоглину в смеситель и перемешивают в течение 4 мин, с целью повышения однородности получаемых композитов. Огнестойкий композит получают смешиванием расплава полибутилентерфтала с органоглиной, для этого полученную сухую смесь загружают в экструдер одношнекового типа, с тремя зонами регулирования температурного режима. Параметры переработки композита следующие:
- температура по зонам в экструдере: I - 245°С; II - 235°С; III - 220°С;
- скорость вращения шнека 40 об/мин.
Образцы для исследований получают литьем под давлением, на пресс -автомате. Температура отливания образцов 230-250°С.
Стойкость к горению, снижение дымовыделения и сохранение физико-механических свойств полимера достигается введением в рецептуру предлагаемой огнестойкой полимерной композиции модификатора - указанной органоглины.
Определение огнестойкости полученных материалов осуществляется согласно стандартному методу UL-94. Для этого образцы, полученные согласно примерам, подвергаются действию пламени, которое направляется на образец в течение 10 секунд, а потом убирается, фиксируется время до полного затухания образца.
Пример 1. Готовят суспензию глины в воде, перемешиванием на магнитной мешалке в течение 30 минут при комнатной температуре. Затем модифицируют глину 90 мас.%, добавляя в полученную суспензию 5 мас.% меламина и 5 мас.% полифосфата аммония, и перемешивают еще 2 часа. Полученную органоглину промывают водой многократной декантацией и высушивают при комнатной температуре.
Для получения огнестойкого композита, полибутилентерефталат марки 901 предварительно сушат в сушильном шкафу 4 часа при 120°С, затем загружают полибутилентерефталат и органоглину в смеситель и перемешивают в течение 4 мин, с целью повышения однородности получаемых композитов. Образцы огнестойкого композита на основе полибутилентерефталата получают смешением в расплаве 97 мас.% полибутилентерефталата с 3 мас.% органоглины, для этого полученную сухую смесь загружают в экструдер одношнекового типа, с тремя зонами регулирования температурного режима. Параметры переработки композита следующие:
- температура по зонам в экструдере: I - 245°С; II - 235°С; III - 220°С;
- скорость вращения шнека - 40 об/мин.
Образцы для исследований получают литьем под давлением, на пресс - автомате. Температура отливания образцов 230-250°С.
Полученные образцы испытывают на огнестойкость согласно стандарту UL-94. Огнестойкость соответствует показателю V-0, максимальная продолжительность самозатухания 10 с после 10 с воспламенения.
Пример 2. Органоглину получают как в примере 1.
Для получения огнестойкого композита, полибутилентерефталат марки 901 предварительно сушат в сушильном шкафу 4 часа при 120°С, затем загружают полибутилентерефталат и органоглину в смеситель и перемешивают в течение 4 мин, с целью повышения однородности получаемых композитов. Образцы огнестойкого композита на основе полибутилентерефталата получают смешением в расплаве 95 мас.% полибутилентерефталата с 5 мас.% органоглины, для этого полученную сухую смесь загружают в экструдер одношнекового типа, с тремя зонами регулирования температурного режима. Параметры переработки композита следующие:
- температура по зонам в экструдере: I - 245°С; II - 235°С; III - 220°С;
- скорость вращения шнека - 40 об/мин.
Образцы для исследований получают литьем под давлением, на пресс-автомате. Температура отливания образцов 230-250°С.
Полученные образцы испытывают на огнестойкость согласно стандарту UL-94. Огнестойкость соответствует показателю V-0, максимальная продолжительность самозатухания 10 с после 10 с воспламенения.
Пример 3. Органоглину получают как в примере 1.
Для получения огнестойкого композита, полибутилентерефталат марки 901 предварительно сушат в сушильном шкафу 4 часа при 120°С, затем загружают полибутилентерефталат и органоглину в смеситель и перемешивают в течение 4 мин, с целью повышения однородности получаемых композитов. Образцы огнестойкого композита на основе полибутилентерефталата получают смешением в расплаве 93 мас.% полибутилентерефталата с 7 мас.% органоглины, для этого полученную сухую смесь загружают в экструдер одношнекового типа, с тремя зонами регулирования температурного режима. Параметры переработки композита следующие:
- температура по зонам в экструдере: I - 245°С; II - 235°С; III - 220°С;
- скорость вращения шнека - 40 об/мин.
Образцы для исследований получают литьем под давлением, на пресс - автомате. Температура отливания образцов 230-250°С.
Полученные образцы испытывают на огнестойкость согласно стандарту UL-94. Огнестойкость соответствует показателю V-0, максимальная продолжительность самозатухания 10 с после 10 с воспламенения.
Введение полученной органоглины в полибутилентерефталат, позволяет улучшить огнестойкость (температуростойкость) и барьерные свойства полимеров (снижение газопроницаемости). Кроме того, практически отсутствует увеличение веса полимера и физико-механические свойства не ухудшаются как при обычных наполнениях.
Достигается это благодаря объединению комплекса свойств органических (легкость, гибкость, пластичность, огнестойкость) и неорганического (прочность, теплостойкость, химическая устойчивость) компонентов.
| Таблица 1 | |||
| Физико-механические характеристики полибутилентерефталата и композитов на его основе | |||
| Свойства | Ед. изм. | ПБТ (не модифицированный) | ПБТ (модифицированный) |
| Лин. усадка при литье | % | 1,6 | 0,4-0,8 |
| Ударная вязкость по Изоду (с надрезом) | кг*см/см | 3,5 | 4,0 |
| Дж/м | 35 | 39 | |
| Модуль упругости при изгибе | кг/см2 | 30000 | 52000 |
| МПа | 2900 | 5100 | |
| Относительное удлинение при разрыве | % | >50 | 2,2 |
| Категория стойкости к горению | класс | НВ | V-O |
Пластины частиц глины создают более извилистые пути диффузии. Благодаря этому в полученных нанокомпозитах улучшаются барьерные характеристики по отношению к различным газам. Это позволяет изготавливать огнестойкие конструкционные нанокомпозиты на основе полибутилентерефталата, имеющие меньшую стоимость при высоких огнезащитных свойствах.
На фиг.1 приведены данные по зависимости времени горения от состава композита, где а - ПБТ чистый; б - ПБТ модифицированный ПФА; в - ПБТ модифицированный ПФА и меламином; г - ПБТ модифицированный органоглиной.
На фиг.2 представлены данные рентгеноструктурного анализа для полученных нанокомпозитов, где а - глина; б - органоглина; нанокомпозиты, полученные в процессе совмещения в расплаве полибутилентерефталата с х% содержанием органоглины: в - 0%; г - 3%; д - 5%; е - 7%.
Дифракционные данные получены при комнатной температуре на автоматизированном дифрактометре ДРОН-6 (36кВ, 20 мА, λCuKα, графитовый монохроматор на вторичном пучке, съемка по Бреггу-Брентано в интервале углов 2Θ от 1 до 30°, шаг 0,05°, скорость сканирования 1 град/мин).
Полученные результаты свидетельствуют о том, что органоглина способна распределиться на наномерном уровне в полимере данной природы, образуя нанокомпозит эксфолиированной структуры.
1. Огнестойкий нанокомпозит, включающий полибутилентерефталат, отличающийся тем, что он содержит органоглину при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| полибутилентерефталат | 93-97 |
| органоглина | 3-7, |
причем органоглина получена из глины на основе монтмориллонита, модифицированной меламином и полифосфатом аммония, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| глина | 90 |
| меламин | 5 |
| полифосфат аммония | 5 |
2. Способ получения огнестойкого нанокомпозита по п.1, заключающийся во введении органоглины в расплав полибутилентерефталата, причем на первом этапе модифицируют глину, то есть получают из нее органоглину, для чего готовят суспензию глины в воде перемешиванием на магнитной мешалке в течение 30 мин при комнатной температуре, в суспензию вводят меламин и полифосфат аммония и перемешивают в течение 2 ч, полученную органоглину промывают водой многократной декантацией и высушивают при комнатной температуре, далее полибутилентерефталат сушат в сушильном шкафу 4 ч при температуре 120°С, загружают полибутилентерефталат и органоглину в смеситель и перемешивают в течение 4 мин, огнестойкий нанокомпозит получают смешиванием расплава полибутилентерефталата с органоглиной, для этого полученную сухую смесь загружают в экструдер одношнекового типа с тремя зонами регулирования температурного режима, со следующими параметрами переработки:
температура по зонам в экструдере: I - 245°С; II - 235°С; III - 220°С;
скорость вращения шнека 40 об./мин.
