Способ получения композиционного материала на основе полиамида
Владельцы патента RU 2661235:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) (RU)
Изобретение относится к области получения материалов антифрикционного и конструкционного назначения. Способ получения композиционного материала на основе полиамида, включающий синтез полиамида-6 посредством совмещения измельченного до порошкообразного состояния капролактама с катализатором процесса полимеризации, введение модифицирующей добавки при нагреве в процессе синтеза полиамида-6 и последующее измельчение до дисперсного состояния. В качестве катализатора процесса полимеризации используют катализатор катионной полимеризации - ортофосфорную кислоту, а введение модифицирующей добавки - окисленного графита проводят при нагреве при температуре 245-255°C в течение 4 ч. Полимеризацию осуществляют при следующем соотношении компонентов, мас.%: капролактам 97,4-98,6, ортофосфорная кислота 0,9-1,1, окисленный графит 0,5-1,5. Дополнительно перед измельчением капролактама до порошкообразного состояния проводят его перекристаллизацию с последующим изолированием от воздействия ультрафиолетового излучения и влаги до совмещения с катализатором процесса полимеризации. Технический результат - введение в полиамидную матрицу окисленного графита на стадии синтеза методом катионной полимеризации приводит к терморасширению вводимого модификатора и его равномерному распределению в композиции, а также увеличению электропроводящих характеристик, вводимый окисленный графит обеспечивает снижение коэффициента трения полиамидной композиции. 1 табл., 5 пр.
Изобретение относится к области получения материалов антифрикционного и конструкционного назначения и может найти применение в легкой и тяжелой промышленности, автомобилестроении, приборостроении, авиапромышленности, машиностроении и энергетике в качестве деталей узлов трения с затрудненной смазкой или без нее, к которым предъявляются требования по снятию статического заряда с поверхности детали, например, в сепараторах, подшипниках, втулках.
Известен способ получения композиционного материала на основе полиамида, включающий смешение предварительно измельченных частиц до размера 315 мкм полиамида, полиэтилена и введение антифрикционной добавки - предварительно измельченного вторичного графитсодержащего продукта с размером частиц менее 100 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| полиамид | 75,0-94,5 |
| полиэтилен | 5,0-20,0 |
| антифрикционная добавка | 0,5-5,0 |
После смешения состав просушивали при температуре 100°C в течение 2 часов с последующим свободным спеканием при температуре 250°C на алюминиевой фольге в течение 10 мин. Вторичный графитсодержащий продукт получен при измельчении отходов производства углеграфитовых контактных вставок токоприемника (Пат. №15644 Республика Беларусь).
Недостатками данного способа являются сложность приготовления композиционной смеси, многостадийность процесса, а также отсутствие химического взаимодействия между компонентами композиции. Также недостатком является сложность распределения малого количества антифрикционной добавки в композиционной смеси.
Известен способ получения композиционного материала на основе полиамида, включающий синтез полиамида-6 блочного посредством смешения измельченного до порошкообразного состояния капролактама с металлическим натриевым катализатором процесса анионной полимеризации и с активатором полимеризации - толуилендиизоцианатом, введение модифицирующей добавки - терморасширенного графита, при нагреве при температуре 145-155°C в течение 15-30 мин в процессе синтеза полиамида-6 блочного при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| терморасширенный графит | 0,05-1,00 |
| полиамид-6 блочный | 99,00-99,95 |
Композиционный материал на основе полиамида измельчают до дисперсного состояния (Пат. 2416623 РФ).
Этот способ также не обеспечивает равномерного распределения терморасширенного графита в полиамидной матрице, так как при температуре 145-155°C не происходит его достаточного терморасширения. Также недостатком этого способа является высокое значение удельного объемного электрического сопротивления композиционного материала (5⋅1013-7⋅1011 Ом⋅см).
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения композиционного материала на основе полиамида, который обеспечивает снижение коэффициента трения и удельного объемного электрического сопротивления полиамидной композиции до уровня антистатических материалов (ГОСТ 16185-82).
Поставленная задача решается тем, что в способе получения композиционного материала на основе полиамида, включающем синтез полиамида-6 посредством совмещения измельченного до порошкообразного состояния капролактама с катализатором процесса полимеризации, введение модифицирующей добавки при нагреве в процессе синтеза полиамида-6 и последующее измельчение композиционного материала на основе полиамида до дисперсного состояния. В качестве катализатора процесса полимеризации используют катализатор катионной полимеризации - ортофосфорную кислоту, а введение модифицирующей добавки - окисленного графита проводят при нагреве до температур 245-255°C в течение 4 ч при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| капролактам | 97,4-98,6 |
| ортофосфорная кислота | 0,9-1,1 |
| окисленный графит | 0,5-1,5 |
Дополнительно перед измельчением капролактама до порошкообразного состояния проводят его перекристаллизацию с последующим изолированием от воздействия ультрафиолетового излучения и влаги до совмещения с катализатором процесса полимеризации.
При создании способа использовали следующие ГОСТы:
ГОСТ 7850-86 - Капролактам;
ГОСТ 6552-80 - Ортофосфорная кислота;
ГОСТ 15139-69 - Определение плотности методом обмера и взвешивания;
ГОСТ 4670-91 - Испытание образцов на твердость по Бринеллю;
ГОСТ 4647-80 - Определение прочности при ударном изгибе;
ГОСТ 4648 - 71 - Испытания на статический изгиб;
ГОСТ 18299-72 - Метод определения предела прочности при растяжении;
ГОСТ 4651-82 - Испытание образцов на сжатие;
ГОСТ 11629-75 - Определение коэффициента трения.
Сущность изобретения заключается в использовании катионной полимеризации для получения полиамидной композиции и использование в качестве модифицирующей добавки окисленного графита, способного к терморасширению в условиях катионной полимеризации капролактама и увеличению в объеме в 14-20 раз в сравнении с начальными геометрическими характеристиками частицы.
Пример 1
Способ получения композиционного материала на основе полиамида включает следующие операции:
- проводят перекристаллизацию капролактама, измельчают его и изолируют от ультрафиолетового излучения и влаги;
- затем совмещают перекристаллизованный капролактам с ортофосфорной кислотой - катализатором процесса полимеризации, и окисленным графитом при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| капролактам | 98,6 |
| ортофосфорная кислота | 0,9 |
| окисленный графит | 0,5 |
Процесс катионной полимеризации протекает в течение 4 ч при температуре 250°C.
Затем полиамид-6, модифицированный окисленным графитом, извлекают и измельчают до дисперсного состояния. Свойства композиционного материала на основе полиамида представлены в таблице 1.
Пример 2
Способ получения композиционного материала на основе полиамида осуществляется по примеру 1 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| капролактам | 97,4 |
| ортофосфорная кислота | 1,1 |
| окисленный графит | 1,5 |
Свойства композиционного материала на основе полиамида представлены в таблице 1.
Пример 3
Способ получения композиционного материала на основе полиамида осуществляется аналогично примеру 1 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| капролактам | 98,0 |
| ортофосфорная кислота | 1,0 |
| окисленный графит | 1,0 |
Свойства композиционного материала на основе полиамида представлены в таблице 1.
Пример 4
Способ получения композиционного материала на основе полиамида осуществляется аналогично примеру 1 при температуре 245°C и при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| ε-капролактам | 98,0 |
| ортофосфорная кислота | 1,0 |
| окисленный графит | 1,0 |
Пример 5
Способ получения композиционного материала на основе полиамида осуществляется аналогично примеру 1 при температуре 255°C и при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| 8–капролактам | 98,0 |
| ортофосфорная кислота | 1,0 |
| окисленный графит | 1,0 |
Температура ниже 245°C во время полимеризации капролактама является недостаточной для образования полимера с достаточной степенью полимеризации, а также способствует большему содержанию низкомолекулярных соединений. Увеличение температуры полимеризации выше 255°C приводит к повышению вероятности термодеструкции полимера.
Снижение продолжительности полимеризации меньше 4 часов приводит к значительному снижению молекулярной массы композиционного материала на основе полиамида. Увеличение продолжительности процесса более 4 часов приводит к существенному повышению содержания низкомолекулярных соединений (до 6,9%)
При увеличении содержания окисленного графита выше 1,5% наблюдается снижение физико-механических характеристик композиционного материала (таблица 1). Это объясняется меньшим терморасширением вводимого окисленного графита, следовательно, худшим его распределением внутри синтезируемой полиамидной матрицы. При синтезе полиамидной композиции с таким количеством модификатора и выше происходит его миграция к поверхности синтезируемого полиамида-6, модифицированного окисленным графитом.
При снижении содержания окисленного графита меньше 0,5% происходит значительное ухудшение основных функциональных характеристик композиционного материала - удельного объемного электрического сопротивления и коэффициента теплопроводности (таблица 1).
Оптимальным является состав композиционного материала на основе полиамида (пример 3), при котором наблюдается улучшение основных антифрикционных и антистатических характеристик полиамидного материала: уменьшение удельного объемного электрического сопротивления в 17 раз, снижение коэффициента трения при меньшей плотности полимера (таблица 1).
Таким образом, использование предложенного способа получения композиционного материала на основе полиамида и введение в композиционный материал на основе полиамида окисленного графита на стадии его синтеза методом катионной полимеризации является оптимальным, так как приводит к терморасширению вводимого модификатора и его равномерному распределению в композиции, а также увеличению электропроводящих характеристик. Кроме того, вводимый окисленный графит обеспечивает снижение коэффициента трения полиамидной композиции.
При нагреве происходит полимеризация с одновременным терморасширением окисленного графита и его равномерным распределением в композиционном материале, что обеспечивает монолитность получаемого материала и его изотропные свойства.
Способ получения композиционного материала на основе полиамида, включающий синтез полиамида 6 посредством совмещения измельченного до порошкообразного состояния капролактама с катализатором процесса полимеризации, введение модифицирующей добавки при нагреве в процессе синтеза полиамида-6 и последующее измельчение до дисперсного состояния, отличающийся тем, что в качестве катализатора процесса полимеризации используют катализатор катионной полимеризации - ортофосфорную кислоту, а введение модифицирующей добавки - окисленного графита проводят при нагреве при температуре 245-255°C в течение 4 ч при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| капролактам | 97,4-98,6 |
| ортофосфорная кислота | 0,9-1,1 |
| окисленный графит | 0,5-1,5, |
и дополнительно перед измельчением капролактама до порошкообразного состояния проводят его перекристаллизацию с последующим изолированием от воздействия ультрафиолетового излучения и влаги до совмещения с катализатором процесса полимеризации.
