RU2474594C2 - Polymer nanocomposites and method for production thereof - Google Patents
Polymer nanocomposites and method for production thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2474594C2 RU2474594C2 RU2011118635/05A RU2011118635A RU2474594C2 RU 2474594 C2 RU2474594 C2 RU 2474594C2 RU 2011118635/05 A RU2011118635/05 A RU 2011118635/05A RU 2011118635 A RU2011118635 A RU 2011118635A RU 2474594 C2 RU2474594 C2 RU 2474594C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- polymer
- carbon
- nanofiller
- bisphenol
- activated
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
- Polyesters Or Polycarbonates (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к полимерным композиционным наноматериалам, которые можно использовать в различных областях техники в качестве термопластичных покрытий с повышенной твердостью.The invention relates to polymer composite nanomaterials that can be used in various fields of technology as thermoplastic coatings with high hardness.
Известны способы получения полимерных нанокомпозитов полимеризационными процессами [С.Н.Чвалун, Л.А.Новокшонова, А.П.Коробко, П.Н.Бревнов. - Полимер-силикатные нанокомпозиты: физико-химические аспекты синтеза полимеризацией in situ. - Рос. хим. ж., т.LII, №5, с.52-57]. Получение же полимеров конденсационного типа осложняется проведением процессов либо в растворе, либо межфазным способом. В этих условиях, т.е. в среде органических растворителей или их смесей, углеродные наночастицы обладают плохой смачиваемостью, вследствие чего комкуются, всплывают на поверхность или оседают, образуя отдельную от полимера фазу, не распределяясь в нем равномерно, что приводит к получению полимерных материалов с ухудшенными характеристиками.Known methods for producing polymer nanocomposites by polymerization processes [S.N. Chvalun, L.A. Novokshonova, A.P. Korobko, P.N. Brevnov. - Polymer-silicate nanocomposites: physicochemical aspects of synthesis by in situ polymerization. - Grew up. Chem. Well, vol. LII, No. 5, pp. 52-57]. The production of condensation-type polymers is complicated by the processes either in solution or by interfacial method. Under these conditions, i.e. in an environment of organic solvents or mixtures thereof, carbon nanoparticles have poor wettability, as a result of which they coalesce, float to the surface, or settle, forming a phase separate from the polymer, not distributed evenly in it, which leads to polymer materials with poor characteristics.
Известен способ получения полимерных нанокомпозитов на эпоксидной и полиэфирной матрицах, содержащих углеродные нанотрубки [Тарасов В.А., Степанищев Н.А. Создание нанокомпозитов на базе введения углеродных нанотрубок в эпоксидные и полиэфирные связующие. - Материалы Всероссийской научно-практической Интернет-конференции с международным участием «Высокие технологии в машиностроении», Самара, - 17-20 ноября, 2010 г.]. Однако данный метод разработан и исследован для смол - эпоксидных и полиэфирных, которые затем отверждаются, т.е. реакция проводится в массе. Для равномерного распределения наполнителей в связующем используется ультразвуковая обработка материала.A known method of producing polymer nanocomposites on epoxy and polyester matrices containing carbon nanotubes [Tarasov VA, Stepanishchev N.A. The creation of nanocomposites based on the introduction of carbon nanotubes into epoxy and polyester binders. - Materials of the All-Russian Scientific and Practical Internet Conference with international participation "High Technologies in Mechanical Engineering", Samara, November 17-20, 2010]. However, this method was developed and studied for resins - epoxy and polyester, which are then cured, i.e. the reaction is carried out in bulk. For a uniform distribution of fillers in a binder, ultrasonic processing of the material is used.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является получение композиционного материала на основе полигидроксиэфира бисфенола А и графита [Беева Д.А., Микитаев А.К., Беев А.А., Абаев A.M. Синтез композиционных материалов на основе полигидроксиэфиров. - «Успехи современного естествознания». - №1, 2005 г. - с.20-21]. Были получены композиции, в которые высококристаллический графит чешуйчатой формы марки ГЛ-1 в качестве наполнителя вводился в полимер в ходе синтеза полигидроксиэфира. Графит использовался в необработанном виде и в окисленной форме. Недостатком известного решения является то, что окисление приводило к функционализации, т.е. образованию на поверхности графита карбоксильных, карбонильных и других групп. Это приводило к ковалентному взаимодействию с мономерами и обрыву цепи, снижению приведенной вязкости полимера, его молекулярной массы. Образующиеся частицы графита не были наноразмерными.Closest to the technical nature of the proposed method is to obtain a composite material based on the polyhydroxy ester of bisphenol A and graphite [Beeva D.A., Mikitaev A.K., Beev A.A., Abaev A.M. Synthesis of composite materials based on polyhydroxy ethers. - "The successes of modern science." - No. 1, 2005 - p.20-21]. Compositions were obtained in which high-crystalline flake graphite of the GL-1 brand was introduced into the polymer as a filler during the synthesis of polyhydroxyether. Graphite was used in its raw form and in oxidized form. A disadvantage of the known solution is that oxidation led to functionalization, i.e. the formation on the surface of graphite of carboxyl, carbonyl and other groups. This led to covalent interaction with monomers and chain termination, a decrease in the reduced viscosity of the polymer and its molecular weight. The resulting graphite particles were not nanoscale.
Задача настоящего изобретения заключается в получении высокомолекулярных термопластичных полигидроксиэфиров, равномерно наполненных углеродными нановолокнами (УНВ) или другими углеродными нанонаполнителями (глобулярный наноуглерод GNC) с целостной структурой.An object of the present invention is to provide high molecular weight thermoplastic polyhydroxy esters uniformly filled with carbon nanofibers (CNFs) or other carbon nanofillers (GNC globular nanocarbon) with a holistic structure.
Поставленная задача достигается тем, что в полимерный нанокомпозит на основе полигидроксиэфира бисфенола А вводят углеродный нанонаполнитель: углеродные нановолокна или глобулярный наноуглерод при следующем соотношении компонентов: полигидроксиэфир бисфенола А 99,975-99,5 мас.%, нанонаполнитель 0,025-0,5 мас.%.The stated objective is achieved by introducing a carbon nanofiller: carbon nanofibers or globular nanocarbon into a polymer nanocomposite based on the bisphenol A polyhydroxy ester A in the following ratio of components: bisphenol A polyhydroxy ester 99.975-99.5 wt.%, Nanofiller 0.025-0.5 wt.%.
Способ заключается в том, что проводится осадительная поликонденсация полигидроксиэфира бисфенола А, отличающийся тем, что проводится предварительная активация углеродных нанонаполнителей раствором серной кислоты с концентрацией 20-60% при нагревании при температурах 70-100°С в течение 45-60 минут. При этом поверхность наполнителя активируется за счет протонирования по двойным связям графеновой структуры. Полученная протонированная структура углеродных нанонаполнителей выполняет роль матрицы, которая адсорбирует на себе и несет отрицательно заряженные частицы феноксидного аниона, образующегося в водно-щелочной среде из бисфенола А. Один из мономеров для поликонденсации, а именно бисфенол А, оказывается иммобилизованным посредством ионного взаимодействия с положительно заряженной матрицей, второй мономер - эпихлоргидрин, получает более свободный доступ ко второй реакционной функциональной группе бисфенола. Результатом является: снижение доли реакций обрыва цепи и ускорение химической реакции; более равномерное распределение углеродного наполнителя в полимере.The method consists in the fact that precipitation polycondensation of the polyhydroxy ester of bisphenol A is carried out, characterized in that the carbon nanofillers are pre-activated with a solution of sulfuric acid with a concentration of 20-60% when heated at temperatures of 70-100 ° C for 45-60 minutes. In this case, the surface of the filler is activated by protonation of the double bonds of the graphene structure. The obtained protonated structure of carbon nanofillers plays the role of a matrix that adsorbs and carries negatively charged particles of the phenoxide anion formed in an aqueous alkaline medium from bisphenol A. One of the monomers for polycondensation, namely bisphenol A, is immobilized by ion interaction with a positively charged matrix, the second monomer - epichlorohydrin, gets more free access to the second reaction functional group of bisphenol. The result is: a decrease in the proportion of chain termination reactions and an acceleration of the chemical reaction; more uniform distribution of the carbon filler in the polymer.
Полученный нанокомпозиционный полимер, содержащий 0,025-0,5% углеродных наполнителей, представляет собой волокнистый материал белого, светло-серого цвета, образующий практически бесцветные прозрачные пленки. Полигидроксиэфир с углеродными волокнами обладает повышенной плотностью, улучшенными значениями твердости, стойкости к агрессивным средам.The resulting nanocomposite polymer containing 0.025-0.5% carbon fillers, is a fibrous material of white, light gray color, forming almost colorless transparent films. Polyhydroxyether with carbon fibers has a high density, improved values of hardness, resistance to aggressive environments.
Пример 1. Активацию нанонаполнителя (УНВ или GNC) проводят следующим образом. В круглодонную колбу (объем 100-250 мл) с обратным холодильником помещают 10-15 г углеродного материала, 50-70 мл 35% серной кислоты и нагревают в течение 45-60 мин при температуре 70-80°С. По окончании процесса смесь разбавляют 2-кратным объемом дистиллированной воды, отфильтровывают и промывают водой до отрицательной реакции на сульфат-ионы (1% раствор BaCl2). Активированный наноуглерод сушат сначала на воздухе, затем в сушильном шкафу при температуре 100-120°С до постоянной массы.Example 1. The activation of the nanofiller (CNF or GNC) is carried out as follows. In a round-bottom flask (volume 100-250 ml), 10-15 g of carbon material, 50-70 ml of 35% sulfuric acid are placed under reflux and heated for 45-60 minutes at a temperature of 70-80 ° C. At the end of the process, the mixture is diluted with 2 times the volume of distilled water, filtered and washed with water until a negative reaction to sulfate ions (1% solution of BaCl 2 ). Activated nanocarbon is dried first in air, then in an oven at a temperature of 100-120 ° C to constant weight.
Для получения полимерного композита в трехгорлую цилиндрическую колбу объемом 150-200 мл, снабженную электрической мешалкой и обратным холодильником, помещают 12,5 мл дистиллированной воды, 12,5 мл изопропилового спирта (марки хч), 2,8536 г (0,0125 молей) бисфенола А, 0,52 г (0,029 молей) сухого гидроксида натрия, 0,001775 г (0,05% от расчетного выхода полимера) углеродного нанонаполнителя - УНВ или GNC в активированной форме. При перемешивании медленно поднимаем температуру до 65°С, в образовавшуюся гомогенную среду быстро прибавляют 0,98 мл (0,0125 молей) эпихлоргидрина, что считается началом реакции. По ходу реакции с ростом молекулярной массы полимера происходит выпадение его из раствора в виде пластичной массы, в порах которой продолжается реакция поликонденсации. Через 2-4 часа полимер извлекают из колбы, промывают дистиллированной водой, растворяют в диоксане-1,4. Затем полимерный композит в виде раствора осаждают в воду, промывают до отрицательной реакции на хлорид-ионы, сушат сначала на воздухе, потом в сушильном шкафу при температуре 80-90°С до постоянной массы. Приведенная вязкость полученных полимерных композитов составляет 0,35-1,2 дл/г (0,5%-ный раствор в хлороформе). Выход 94%.To obtain a polymer composite in a three-necked cylindrical flask with a volume of 150-200 ml, equipped with an electric stirrer and a reflux condenser, 12.5 ml of distilled water, 12.5 ml of isopropyl alcohol (grade hc), 2.8536 g (0.0125 moles) are placed bisphenol A, 0.52 g (0.029 moles) of dry sodium hydroxide, 0.001775 g (0.05% of the calculated polymer yield) of a carbon nanofiller — CNF or GNC in activated form. While stirring, slowly raise the temperature to 65 ° C, 0.98 ml (0.0125 moles) of epichlorohydrin are quickly added to the resulting homogeneous medium, which is considered the beginning of the reaction. During the reaction, with an increase in the molecular weight of the polymer, it precipitates out of solution in the form of a plastic mass, in the pores of which the polycondensation reaction continues. After 2-4 hours, the polymer is removed from the flask, washed with distilled water, dissolved in dioxane-1,4. Then, the polymer composite in the form of a solution is precipitated into water, washed to a negative reaction to chloride ions, first dried in air, then in an oven at a temperature of 80-90 ° C to constant weight. The reduced viscosity of the obtained polymer composites is 0.35-1.2 dl / g (0.5% solution in chloroform). Yield 94%.
Пример 2. По примеру 1, но количество углеродного нанонаполнителя составляет 0,025%, т.е. 0,0008875 г. Полученный полимер обладает приведенной вязкостью 0,54 дл/г (0,5%-ный раствор в хлороформе). Выход 92%.Example 2. According to example 1, but the amount of carbon nanofiller is 0.025%, i.e. 0.0008875 g. The obtained polymer has a reduced viscosity of 0.54 dl / g (0.5% solution in chloroform). Yield 92%.
Пример 3. По примеру 1, но количество углеродного нанонаполнителя составляет 0,1%, т.е. 0,00355 г. Полученный полимер обладает вязкостью 0,45 дл/г (0,5%-ный раствор в хлороформе). Выход 87%.Example 3. According to example 1, but the amount of carbon nanofiller is 0.1%, i.e. 0.00355 g. The resulting polymer has a viscosity of 0.45 dl / g (0.5% solution in chloroform). Yield 87%.
Пример 4. По примеру 1, но количество углеродного нанонаполнителя составляет 0,5%, т.е. 0,01775 г. Полученный полимер обладает приведенной вязкостью 0,42 дл/г (0,5%-ный раствор в хлороформе). Выход 87%.Example 4. According to example 1, but the amount of carbon nanofiller is 0.5%, i.e. 0.01775 g. The obtained polymer has a reduced viscosity of 0.42 dl / g (0.5% solution in chloroform). Yield 87%.
Сравнительная характеристика синтезированных композитов приведена в таблице.Comparative characteristics of the synthesized composites are given in the table.
На фиг.1 показаны электронные микроснимки пленок ненаполненного полигидроксиэфира:Figure 1 shows the electronic micrographs of films of unfilled polyhydroxyether:
а - увеличение в 100 раз;a - an increase of 100 times;
б - увеличение в 200 раз;b - an increase of 200 times;
в - увеличение в 500 раз.in - an increase of 500 times.
На фиг.2 показаны электронные микроснимки полигидроксиэфира, наполненного GNC неактивированным:Figure 2 shows electronic micrographs of a polyhydroxyether filled with GNC inactive:
а - увеличение в 100 раз;a - an increase of 100 times;
б - увеличение в 200 раз;b - an increase of 200 times;
в - увеличение в 500 раз.in - an increase of 500 times.
На фиг.3 показаны электронные микроснимки полигидроксиэфира, наполненного GNC активированным:Figure 3 shows electronic micrographs of a polyhydroxyether filled with GNC activated:
а - увеличение в 100 раз;a - an increase of 100 times;
б - увеличение в 200 раз;b - an increase of 200 times;
в - увеличение в 500 раз.in - an increase of 500 times.
На фиг.4 показаны электронные микроснимки полигидроксиэфира, наполненного УНВ активированным:Figure 4 shows the electronic micrographs of a polyhydroxyether filled with activated carbon:
а - увеличение в 100 раз;a - an increase of 100 times;
б - увеличение в 200 раз;b - an increase of 200 times;
в - увеличение в 500 раз.in - an increase of 500 times.
На фиг.5 показаны электронные микроснимки полигидроксиэфира, наполненного УНВ неактивированным:Figure 5 shows electronic micrographs of a polyhydroxyether filled with an unactivated CNF:
а - увеличение в 100 раз;a - an increase of 100 times;
б - увеличение в 200 раз;b - an increase of 200 times;
в - увеличение в 500 разc - 500 times increase
Технический результат изобретения заключается в получении полимерных нанокомпозитов на основе полигидроксиэфира бисфенола А и активированных углеродных нанонаполнителей с высоким выходом и приведенной вязкостью в ходе синтеза in situ, отличающихся улучшенными значениями твердости, стойкости к агрессивным средам. Синтезированные полигидроксиэфиры хорошо растворимы в полярных органических растворителях и обладают пленкообразующими свойствами.The technical result of the invention is to obtain polymer nanocomposites based on the bisphenol A polyhydroxy ester and activated carbon nanofillers with a high yield and reduced viscosity during in situ synthesis, characterized by improved values of hardness and resistance to aggressive environments. The synthesized polyhydroxy esters are readily soluble in polar organic solvents and have film-forming properties.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011118635/05A RU2474594C2 (en) | 2011-05-10 | 2011-05-10 | Polymer nanocomposites and method for production thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011118635/05A RU2474594C2 (en) | 2011-05-10 | 2011-05-10 | Polymer nanocomposites and method for production thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011118635A RU2011118635A (en) | 2012-11-20 |
RU2474594C2 true RU2474594C2 (en) | 2013-02-10 |
Family
ID=47322787
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011118635/05A RU2474594C2 (en) | 2011-05-10 | 2011-05-10 | Polymer nanocomposites and method for production thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2474594C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2584013C1 (en) * | 2014-12-29 | 2016-05-20 | Открытое акционерное общество "Композитные трубы" | Nano-modified epoxy binder for composite materials |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2552732C2 (en) * | 2013-08-06 | 2015-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" (КБГУ) | Polyethylene terephthalate-based polymer composition |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004202004A (en) * | 2002-12-26 | 2004-07-22 | Mizuno Technics Kk | Bat made of fiber reinforced plastic |
JP2008037696A (en) * | 2006-08-04 | 2008-02-21 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Nanocarbon material production apparatus and nanocarbon material purification method |
WO2008060294A2 (en) * | 2005-12-20 | 2008-05-22 | University Of Hawaii | Polymer matrix composites with nano-scale reinforcements |
CN101864060A (en) * | 2010-06-03 | 2010-10-20 | 上海交通大学 | Preparation method of low surface energy epoxy nano-hybrid material |
-
2011
- 2011-05-10 RU RU2011118635/05A patent/RU2474594C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004202004A (en) * | 2002-12-26 | 2004-07-22 | Mizuno Technics Kk | Bat made of fiber reinforced plastic |
WO2008060294A2 (en) * | 2005-12-20 | 2008-05-22 | University Of Hawaii | Polymer matrix composites with nano-scale reinforcements |
JP2008037696A (en) * | 2006-08-04 | 2008-02-21 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Nanocarbon material production apparatus and nanocarbon material purification method |
CN101864060A (en) * | 2010-06-03 | 2010-10-20 | 上海交通大学 | Preparation method of low surface energy epoxy nano-hybrid material |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
БЮЛЛЕР К.У. Тепло- и термостойкие полимеры. - М.: Химия, 1984, с.237. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2584013C1 (en) * | 2014-12-29 | 2016-05-20 | Открытое акционерное общество "Композитные трубы" | Nano-modified epoxy binder for composite materials |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011118635A (en) | 2012-11-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Liu et al. | Dual physically cross‐linked hydrogels incorporating hydrophobic interactions with promising repairability and ultrahigh elongation | |
Fawaz et al. | Synthesis of polymer nanocomposites: review of various techniques | |
Hu et al. | Nondestructive functionalization of graphene by surface-initiated atom transfer radical polymerization: an ideal nanofiller for poly (p-phenylene benzobisoxazole) fibers | |
Hu et al. | One-pot water-based hydrophobic surface modification of cellulose nanocrystals using plant polyphenols | |
Li et al. | Reduction of the water wettability of cellulose film through controlled heterogeneous modification | |
CN102604332B (en) | A kind of method of SiO2 nanoparticles grafting graphene oxide modified epoxy resin | |
Xu et al. | Highly tough cellulose/graphene composite hydrogels prepared from ionic liquids | |
CN110396284B (en) | Intumescent flame retardant, flame retardant polylactic acid material and preparation method thereof | |
CN101274991B (en) | High molecular hydrophobic film and preparation thereof | |
CN104672445A (en) | Method for preparing multiwalled carbon nanotube/polyaniline nano composite material | |
Hou et al. | Nanodiamond decorated graphene oxide and the reinforcement to epoxy | |
Saikia et al. | Castor oil based epoxy/clay nanocomposite for advanced applications | |
Zhang et al. | Multilayer two-dimensional lignin/ZnO composites with excellent anti-UV aging properties for polymer films | |
KR20130134446A (en) | Functionalized graphene and polymer-functionalized graphene hybrid complex and the fabrication methods thereof | |
WO2015143434A1 (en) | System and method for synthesis of poss-starch derivatives as effective fillers for developing high performance composites | |
Deng et al. | The effect of dopamine modified titanium dioxide nanoparticles on the performance of Poly (vinyl alcohol)/titanium dioxide composites | |
He et al. | Characterization and properties of cellulose nanofiber/polyaniline film composites synthesized through in situ polymerization | |
Kerche et al. | Ionic liquid‐functionalized reinforcements in epoxy‐based composites: A systematic review | |
RU2474594C2 (en) | Polymer nanocomposites and method for production thereof | |
Buaksuntear et al. | Enhancing mechanical properties and stabilising the structure of epoxide natural rubber using non-covalent interactions: Metal–ligand coordination and hydrogen bonding | |
CN104437414A (en) | Montmorillonite-reinforced polyethylene glycol/ cyclodextrin gel and preparation method thereof | |
Chen et al. | Enhanced mechanical properties of novel chitosan nanocomposite fibers | |
Xue et al. | Polyvinyl alcohol/α-zirconium phosphate nanocomposite coatings via facile one-step coassembly | |
CN101747443A (en) | Macromolecular coupling agent for bacterial cellulose surface modification as well as preparation method and application thereof | |
CN109320897A (en) | A kind of high-strength lead battery plastic housing and preparation method thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140511 |