RU2611518C1 - Термостойкий гибридный композиционный материал - Google Patents
Термостойкий гибридный композиционный материал Download PDFInfo
- Publication number
- RU2611518C1 RU2611518C1 RU2015147339A RU2015147339A RU2611518C1 RU 2611518 C1 RU2611518 C1 RU 2611518C1 RU 2015147339 A RU2015147339 A RU 2015147339A RU 2015147339 A RU2015147339 A RU 2015147339A RU 2611518 C1 RU2611518 C1 RU 2611518C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon dioxide
- composite material
- thiacalixarene
- prototype
- nanoparticles
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 25
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 72
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 31
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 claims abstract description 26
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims abstract description 25
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims abstract description 25
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 35
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 35
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 9
- 125000005372 silanol group Chemical group 0.000 claims description 9
- 229910002808 Si–O–Si Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 150000004945 aromatic hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 6
- 241001120493 Arene Species 0.000 claims description 5
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 14
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000003779 heat-resistant material Substances 0.000 abstract description 4
- SCPYDCQAZCOKTP-UHFFFAOYSA-N silanol Chemical compound [SiH3]O SCPYDCQAZCOKTP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 92
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 29
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 20
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 11
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 10
- 238000002470 solid-phase micro-extraction Methods 0.000 description 10
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 9
- 150000001491 aromatic compounds Chemical class 0.000 description 9
- WPYMKLBDIGXBTP-UHFFFAOYSA-N benzoic acid Chemical compound OC(=O)C1=CC=CC=C1 WPYMKLBDIGXBTP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 8
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 8
- VTJUKNSKBAOEHE-UHFFFAOYSA-N calixarene Chemical class COC(=O)COC1=C(CC=2C(=C(CC=3C(=C(C4)C=C(C=3)C(C)(C)C)OCC(=O)OC)C=C(C=2)C(C)(C)C)OCC(=O)OC)C=C(C(C)(C)C)C=C1CC1=C(OCC(=O)OC)C4=CC(C(C)(C)C)=C1 VTJUKNSKBAOEHE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 6
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 6
- 239000002594 sorbent Substances 0.000 description 6
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 6
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 6
- 229960000583 acetic acid Drugs 0.000 description 5
- 230000009965 odorless effect Effects 0.000 description 5
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000005711 Benzoic acid Substances 0.000 description 4
- 235000010233 benzoic acid Nutrition 0.000 description 4
- 239000003431 cross linking reagent Substances 0.000 description 4
- 239000012362 glacial acetic acid Substances 0.000 description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 4
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 4
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 3
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 229920001843 polymethylhydrosiloxane Polymers 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 2
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012824 chemical production Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 2
- XBDQKXXYIPTUBI-UHFFFAOYSA-N dimethylselenoniopropionate Natural products CCC(O)=O XBDQKXXYIPTUBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 125000000959 isobutyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])(C([H])([H])[H])C([H])([H])* 0.000 description 2
- 238000004853 microextraction Methods 0.000 description 2
- DUWWHGPELOTTOE-UHFFFAOYSA-N n-(5-chloro-2,4-dimethoxyphenyl)-3-oxobutanamide Chemical compound COC1=CC(OC)=C(NC(=O)CC(C)=O)C=C1Cl DUWWHGPELOTTOE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- IZUPBVBPLAPZRR-UHFFFAOYSA-N pentachlorophenol Chemical compound OC1=C(Cl)C(Cl)=C(Cl)C(Cl)=C1Cl IZUPBVBPLAPZRR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000001997 phenyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(*)C([H])=C1[H] 0.000 description 2
- 235000019260 propionic acid Nutrition 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- BPSIOYPQMFLKFR-UHFFFAOYSA-N trimethoxy-[3-(oxiran-2-ylmethoxy)propyl]silane Chemical compound CO[Si](OC)(OC)CCCOCC1CO1 BPSIOYPQMFLKFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VGVRPFIJEJYOFN-UHFFFAOYSA-N 2,3,4,6-tetrachlorophenol Chemical class OC1=C(Cl)C=C(Cl)C(Cl)=C1Cl VGVRPFIJEJYOFN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LINPIYWFGCPVIE-UHFFFAOYSA-N 2,4,6-trichlorophenol Chemical compound OC1=C(Cl)C=C(Cl)C=C1Cl LINPIYWFGCPVIE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HFZWRUODUSTPEG-UHFFFAOYSA-N 2,4-dichlorophenol Chemical compound OC1=CC=C(Cl)C=C1Cl HFZWRUODUSTPEG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ISPYQTSUDJAMAB-UHFFFAOYSA-N 2-chlorophenol Chemical compound OC1=CC=CC=C1Cl ISPYQTSUDJAMAB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- 229910008051 Si-OH Inorganic materials 0.000 description 1
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical group [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910006358 Si—OH Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GQPLZGRPYWLBPW-UHFFFAOYSA-N calix[4]arene Chemical compound C1C(C=2)=CC=CC=2CC(C=2)=CC=CC=2CC(C=2)=CC=CC=2CC2=CC=CC1=C2 GQPLZGRPYWLBPW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004587 chromatography analysis Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000005242 forging Methods 0.000 description 1
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 1
- 238000004817 gas chromatography Methods 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 230000008676 import Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 150000002678 macrocyclic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000001819 mass spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 description 1
- KBXJHRABGYYAFC-UHFFFAOYSA-N octaphenylsilsesquioxane Chemical compound O1[Si](O2)(C=3C=CC=CC=3)O[Si](O3)(C=4C=CC=CC=4)O[Si](O4)(C=5C=CC=CC=5)O[Si]1(C=1C=CC=CC=1)O[Si](O1)(C=5C=CC=CC=5)O[Si]2(C=2C=CC=CC=2)O[Si]3(C=2C=CC=CC=2)O[Si]41C1=CC=CC=C1 KBXJHRABGYYAFC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 150000002989 phenols Chemical class 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 125000001424 substituent group Chemical group 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000870 ultraviolet spectroscopy Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
- C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
- C08K3/18—Oxygen-containing compounds, e.g. metal carbonyls
- C08K3/20—Oxides; Hydroxides
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B3/00—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Silicon Polymers (AREA)
- Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области химии, в частности к высокомолекулярным композиционным материалам на основе органических соединений. Может быть использовано для изготовления термостойких покрытий и сорбентов, применяемых в химической промышленности, авиастроении, космических технологиях, оборонной промышленности, для твердофазной микроэкстракции. Термостойкий гибридный композиционный материал содержит силанольные группы линейного полидиметилсилоксана и наночастицы диоксида кремния, модифицированного ковалентно связанным на его поверхности тиакаликсареном. Изобретение обеспечивает создание термостойкого материала, обладающего комплексом ранее единовременно недостижимых физико-химических свойств, повышение технологичности производства термостойкого материала при одновременном снижении трудоемкости его получения. 3 ил., 9 пр.
Description
Изобретение относится к области химии, в частности к высокомолекулярным композиционным материалам на основе органических соединений. Может быть использовано для изготовления термостойких покрытий и сорбентов, применяемых в химической промышленности, авиастроении, космических технологиях, оборонной промышленности, для твердофазной микроэкстракции.
Известны (Liu Y.R., Huang Y.D., Liu L. Thermal stability of POSS/methylsilicone nanocomposites // Composites Science and Technology. - 2007. - T. 67. - №. 13. - C. 2864-2876) состоящие из полидиметилсилоксана, ковалентно сшитого с силсесквиоксаном фрагментом Si-O-Si гибридные материалы с высокой температурой разложения. Материалы состоят из содержащего силанольные группы полидиметилсилоксана (95% от массы гибридного материала) и силсесквиоксана (5% от массы гибридного материала), содержащего одну либо три силанольные группы и фенильные, изобутильные заместители: трисиланолфенил-POSS, трисиланолизобутил-POSS, моносиланолизобутил-POSS, где POSS - октаэдральное силсесквиоксановое ядро, содержащее семь фенильных, изобутильных групп соответственно.
Указанные материалы характеризуются температурой разложения не более плюс 428°С, что недостаточно для обеспечения безопасности эксплуатации технических устройств во многих случаях, например - узлах конструкции аппаратов химического производства. К недостаткам указанного аналога также относится сложность и вытекающая из этого дороговизна производства используемых (для создания) компонентов, что существенно ограничивает область применения этих материалов.
Известны (Liu Н. et al. A novel multiwalled carbon nanotubes bonded fused-silica fiber for solid phase microextraction-gas chromatographic analysis of phenols in water samples // Talanta. - 2009. - T. 78. - №. 3. - C. 929-935) гибридные материалы на основе ковалентно сшитых с диоксидом кремния углеродных нанотрубок, применяемые для твердофазной микроэкстракции. Они содержат многостенчатые углеродные нанотрубки в количестве около 59% от массы материала и нановолокна диоксида кремния длиной 140 мм, внешним диаметром 0,25 мм в количестве около 41% с учетом плотности диоксида кремния, компоненты ковалентно связаны между собой фрагментами -CH2CH2CH2NHCO-.
Указанные материалы характеризуются температурой разложения не более плюс 320°С, что недостаточно для обеспечения безопасности эксплуатации технических устройств во многих случаях, например - узлах конструкции аппаратов химического производства. К недостаткам указанного аналога также относится сложность (и вытекающая из этого дороговизна) производства используемых (для создания) компонентов, что существенно ограничивает область применения этих материалов.
Наиболее близким аналогом по наибольшему количеству совпадающих признаков и достигаемому техническому результату, прототипом, является гибридный композиционный материал, содержащий пять компонентов (Li X., Zeng Z., Zhou J. High thermal-stable sol-gel-coated calix[4]arene fiber for solid-phase microextraction of chlorophenols //Analytica chimica acta. - 2004. - T. 509. - №. 1. - C. 27-37):
1. Полидиметилсилоксан HO[Si(CH3)2O]nH с концевыми силанольными группами (Si-OH) в количестве 39% от массы композитного материала, участвующий в образовании связей Si-O-Si и позволяющий ввести гибкие фрагменты [Si(CH3)2O]n.
2. Полиметилгидросилоксан СН3[SiH(СН3)O]nH в количестве 4% от массы композитного материала, участвующий в образовании множества связей Si-O-Si и необходимый для формирования сетки ковалентных связей.
3. Тетраэтоксисилан Si(OCH2CH3)4 в количестве 22% от массы композитного материала, участвующий в сшивке компонентов гибридного материала связями Si-O-Si и приводящий к образованию диоксида кремния SiO2.
4. 3-глицидоксипропилтриметоксисилан (КН-560) в количестве 22%, участвующий в образовании эпоксидо-подобных сшивающих фрагментов (CHRCH2O)n, где R - заместитель в эпоксидной полимерной цепи, связывающий ее с полидиметилсилоксановыми фрагментами.
5. 5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,27-диэтокси-26,28-дигидроксикаликс[4]арен в количестве 13%, необходимый для микроэкстракции ароматических соединений, а именно 2-хлорофенола, 2,4-дихлорофенола, 2,4,6-трихлорофенола и пентахлорфенола, что являлось одной из целей создания термостойкого композиционного материала-прототипа.
Недостатками прототипа являются:
1 - низкая термостойкость - материал разлагается при температуре около +380°С;
2 - множественность (большое количество) компонентов в гибридном материале;
3 - высокая концентрация труднодоступных компонентов (реагентов) в гибридном материале, например производного каликсарена.
Низкая термостойкость прототипа обусловлена разложением органических фрагментов, например эпоксидоподобных сшивающих фрагментов, получаемых на основе 3-глицидоксипропилтриметоксисилана, вследствие чего используют высокие концентрации сшивающих реагентов.
Множественность компонентов материала обусловлена необходимостью дополнительной сшивки указанных выше органических фрагментов для повышения термостойкости композиционного материала.
Высокая концентрация труднодоступных реагентов, например производного каликсарена в количестве 13% от массы композиционного материала, обусловлена тем, что для достижения высокой термостойкости гибридного материала требуется формирование сетки ковалентных связей, которые и обеспечивают избирательность (селективность) микроэкстракции ароматических соединений.
Все пять компонентов известного материала участвуют в образовании сетки ковалентных связей. Множественность компонентов прототипа логично приводит к усложнению технологического процесса и его удорожанию, существенно ограничивающих область применения прототипа.
Целью предлагаемого изобретения является создание термостойкого материала, обладающего комплексом ранее единовременно недостижимых физико-химических свойств, повышение технологичности производства термостойкого материала при одновременном снижении трудоемкости его получения.
Цель достигают созданием термостойкого гибридного композиционного материала на основе полидиметилсилоксана с наночастицами диоксида кремния, отличающегося тем, что термостойкий гибридный композиционный материал состоит из содержащего силанольные группы линейного полидиметилсилоксана и наночастиц диоксида кремния, модифицированного ковалентно связанным на его поверхности тиакаликсареном (5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28-тетракис[N-(пропилтри-алкоксисиланат)-карбамоилметокси]-2,8,14,20-тетратиакаликс [4]ареном (в конфигурации конус, либо частичный конус, либо 1,3-альтернат)) при следующем соотношении компонентов:
- линейный полидиметилсилоксан - HO[Si(CH3)2O]nH, содержащий силанольные группы (вязкость, например, 750 сСт) до сополиконденсации с образованием связей Si-O-Si с тиакаликсареном C72H116N4O20S4Si4, ковалентно закрепленным на поверхности наночастиц, от 89,00 до 99,89% от массы композитного материала;
- наночастицы диоксида кремния SiO2 от 0,10 до 10,00% от массы композитного материала;
- тиакаликсарен C72H116N4O20S4Si4, ковалентно закрепленный на поверхности наночастиц диоксида кремния, от 0,01 до 1,00% от массы композитного материала.
Заявленные материалы поясняют Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3.
На Фиг. 1 представлена структурная формула гибридного материала,
где 1 - наночастицы диоксида кремния;
2 - 5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28-тетракис[N-(пропилтриалкоксисиланат)-карбамоилметокси]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арены (ТКА);
3 - содержащий концевые силанольные группы линейный полидиметилсилоксан.
На Фиг. 2 представлены структурные формулы тиакаликсаренов (ТКА) 5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28-тетракис[N-(пропилтриалкоксисиланат)-карбамоилметок-си]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]аренов, приведенных на Фиг. 1 под номером 2 (в конфигурациях конус 1, частичный конус 2,1,3-альтернат 3), где Alk=СН3 или С2Н5.
На Фиг. 3 представлена Таблица показателей заявленного материала по сравнению с аналогами и прототипом по составу материала, стоимости компонентов, температуре разложения материала и себестоимости материала, где PDMS-OH - линейный полидиметилсилоксан, PMHS - полиметилгидросилоксан.
Заявленный материал получают путем целенаправленного подбора и оптимального сочетания трех исходных компонентов: линейного полидиметилсилоксана, наноразмерных частиц диоксида кремния и тиакаликсарена (в конфигурации конус, либо частичный конус, либо 1,3-альтернат).
Заявленное техническое решение иллюстрируют следующие примеры, которые не исчерпывают всех вариантов получения и использования гибридного материала.
Примеры 1-3 показывают способ получения заявленного материала с использованием тиакаликсарена в конфигурации конус, частичный конус, 1,3-альтернат.
Пример 1, показывающий способ получения заявленного материала с использованием тиакаликсарена в конфигурации конус.
Берут 0,010 г порошка наночастиц диоксида кремния, добавляют 0,001 г порошка тиакаликсарена в конфигурации конус, смесь перемешивают при комнатной температуре, например, плюс 22°С, в течение, например, 5 мин, приливают 5 мл жидкой кислоты, например ледяной уксусной кислоты, смесь перемешивают, например, в течение 24 час. Затем приливают 0,990 г линейного полидиметилсилоксана (вязкость, например, 750 сСт), смесь перемешивают, например, в течение 24 час. Перемешивание осуществляют любым известным способом, например, на шейкере, магнитной мешалке, ультразвуковым воздействием. Затем смесь сушат, например, в сушильном шкафу при температуре плюс 100°С, в течение, например, 5 час и получают заявляемый материал. Выход продукта - 100%.
В процессе производства в качестве жидкой кислоты могут быть использованы и другие слабые органические безводные кислоты, например пропановая кислота, в зависимости от доступности соответствующих кислот.
Получают твердый материал, без запаха, бесцветный (прозрачный), безвредный для живых организмов.
Измеренная ГОСТ 29127-91 температура разложения полученного в Примере 1 заявленного материала составила +462°С против +380°С у прототипа.
Материал хранят при комнатной температуре и применяют по потребности, например для твердофазной микроэкстракции ароматических соединений.
Пример 2, показывающий способ получения заявленного материала с использованием тиакаликсарена в конфигурации частичный конус.
Берут 0,010 г порошка наночастиц диоксида кремния, добавляют 0,001 г порошка тиакаликсарена в конфигурации частичный конус, смесь перемешивают при комнатной температуре, например, плюс 22°С, в течение, например, 5 мин, приливают 5 мл жидкой кислоты, например пропановой кислоты, смесь перемешивают, например, в течение 24 час. Затем приливают 0,990 г линейного полидиметилсилоксана (вязкость, например, 750 сСт), смесь перемешивают, например, в течение 24 час. Перемешивание осуществляют любым известным способом, например, на шейкере, магнитной мешалке, ультразвуковым воздействием. Затем смесь сушат, например, в сушильном шкафу при температуре плюс 100°С, в течение, например, 5 час и получают заявляемый материал. Выход продукта - 100%.
Получают материал твердой консистенции, без запаха, бесцветный (прозрачный), безвредный для живых организмов.
Измеренная ГОСТ 29127-91 температура разложения полученного в Примере 2 заявленного материала - плюс 467°С против +380°С у прототипа.
Материал хранят при комнатной температуре и применяют по потребности, например, для твердофазной микроэкстракции ароматических соединений.
Пример 3, показывающий способ получения заявленного материала с использованием тиакаликсарена в конфигурации 1,3-альтернат.
Берут 0,010 г порошка наночастиц диоксида кремния, добавляют 0,001 г порошка тиакаликсарена в конфигурации 1,3-альтернат, смесь перемешивают при комнатной температуре, например, плюс 22°С, в течение, например, 5 мин, приливают 5 мл жидкой кислоты, например ледяной уксусной кислоты, смесь перемешивают, например, в течение 24 час. Затем приливают 0,990 г линейного полидиметилсилоксана (вязкость, например, 750 сСт), смесь перемешивают, например, в течение 24 час. Перемешивание осуществляют любым известным способом, например, на шейкере, магнитной мешалке, ультразвуковым воздействием. Затем смесь сушат, например, в сушильном шкафу при температуре плюс 100°С, в течение, например, 5 час и получают заявляемый материал. Выход продукта -100%.
Получают материал твердой консистенции, без запаха, бесцветный (прозрачный), безвредный для живых организмов.
Измеренная ГОСТ 29127-91 температура разложения полученного в Примере 3 заявленного материала +479°С против +380°С у прототипа.
Материал хранят при комнатной температуре и применяют по потребности, например, для твердофазной микроэкстракции ароматических соединений.
Примеры 4-6 показывают влияние изменения концентрации диоксида кремния и исключения из состава материала тиакаликсарена на свойства заявленного материала.
Пример 4, показывающий влияние использования концентрации диоксида кремния более 10% от массы материала, например 40%, на свойства заявленного материала.
Берут 0,40 г порошка наночастиц диоксида кремния, добавляют 0,04 г порошка тиакаликсарена в конфигурации, например, 1,3-альтернат, смесь перемешивают при комнатной температуре, например плюс 22°С, в течение, например, 5 мин, приливают 5 мл жидкой кислоты, например ледяной уксусной кислоты, смесь перемешивают, например, в течение 24 час. Затем приливают 0,60 г линейного полидиметилсилоксана (вязкость, например, 750 сСт), смесь перемешивают, например, в течение 24 час. Перемешивание осуществляют любым известным способом, например, на шейкере, магнитной мешалке, ультразвуковым воздействием. Затем смесь сушат, например, в сушильном шкафу при температуре плюс 100°С в течение, например, 5 час. Выход продукта - 100%.
Получают неоднородный, рыхлый, непрозрачный материал.
Измеренная ГОСТ 29127-91 температура разложения полученного в Примере 4 материала плюс 410°С, что значительно ниже температуры разложения заявленного материала, равного +458°С - +479°С (Фиг. 3).
Таким образом, увеличение содержания диоксида кремния более 10% от массы заявленного материала нецелесообразно.
Пример 5, показывающий влияние использования концентрации диоксида кремния менее 0,010% от массы материала, например 0,001%, на свойства заявленного материала.
Берут 0,0010 г порошка наночастиц диоксида кремния, добавляют 0,0001 г порошка тиакаликсарена в конфигурации, например, частичный конус, смесь перемешивают при комнатной температуре, например, плюс 22°С, в течение, например, 5 мин, приливают 5 мл жидкой кислоты, например ледяной уксусной кислоты, смесь перемешивают, например, в течение 24 час. Перемешивание осуществляют любым известным способом, например, на шейкере, магнитной мешалке, ультразвуковым воздействием. Затем приливают 0,9900 г линейного полидиметилсилоксана (вязкость, например, 750 сСт), смесь перемешивают, например, в течение 24 час. Затем смесь сушат, например, в сушильном шкафу при температуре плюс 100°С в течение, например, 5 час. Выход продукта - 100%.
Получают материал жидкой консистенции.
Измеренная ГОСТ 29127-91 температура разложения полученного в Примере 5 материала плюс 360°С, что значительно ниже температуры разложения заявленного материала, равного +458°С - +479°С (Фиг. 3).
Таким образом, снижение концентрации наночастиц диоксида кремния по сравнению с концентрацией в заявленном материале нецелесообразно.
Пример 6, показывающий влияние исключения из состава материала производного каликсарена на свойства заявленного материала.
Берут 0,01 г порошка наночастиц диоксида кремния, приливают 5 мл жидкой кислоты, например ледяной уксусной кислоты, затем приливают 0,09 г линейного полидиметилсилоксана (вязкость, например, 750 сСт), смесь перемешивают при комнатной температуре, например, плюс 22°С, например, в течение 24 час. Перемешивание осуществляют любым известным способом, например, на шейкере, магнитной мешалке, ультразвуковым воздействием. Затем смесь сушат, например, в сушильном шкафу при температуре плюс 100°С в течение, например, 5 час. Выход продукта - 100%.
Получают материал твердой консистенции, без запаха, бесцветный (прозрачный), безвредный для живых организмов.
Измеренная ГОСТ 29127-91 температура разложения полученного в Примере 6 материала плюс 408°С, что значительно ниже температуры разложения заявленного материала, равного +458 - 4479°С (Фиг. 3).
Таким образом, исключение из состава гибридного композиционного материала производного тиакаликсарена нецелесообразно.
Примеры 7-9 показывают применение заявленного материала в качестве покрытия с высокой термостойкостью, в качестве сорбента, в качестве материала для твердофазной микроэкстракции.
Пример 7, показывающий применение заявленного материала в качестве покрытия.
Для получения покрытия берут 0,10 г заявленного материала, например, полученного в Примере 1, растворяют в 20,0 мл ацетона. В качестве подложки используют, например, сталь марки 35ХГСА. На подложку площадью 10 см2 наносят при помощи пипетки 300 мкл дисперсии заявленного материала в ацетоне, затем растворитель удаляют, например, путем нагрева в сушильном шкафу при температуре, например, +50°С в течение, например, 3 час.
Получают покрытие без запаха, бесцветное (прозрачное), безвредное для живых организмов. Толщину покрытия измеряют с помощью микроскопа, термостойкость определяют по ГОСТ 29127-91.
Параметры полученного покрытия:
- толщина - 15±5 мкм (соответствует ГОСТ Р 52146-2003);
- термостойкость - от +458 до +479°С (соответствует ГОСТ 23122-78).
Пример 8, показывающий применение заявленного материала в качестве сорбента.
Эффективность сорбции заявленным материалом органических, например ароматических соединений, определяют измерением концентрации ароматических соединений в растворе до и после сорбции, например, спектрометрическим методом. Берут 100 мг, например, полученного в Примере 3 сорбента, помещают, например, в раствор 10 мг бензойной кислоты в 3 мл воды, выдерживают при комнатной температуре, например, +22°С, в течение, например, 3 час. Определяют поглощение заявленным материалом бензойной кислоты, например, методом УФ-спектрометрии. Полоса поглощения бензойной кислоты в области 220 нм понижается с 1,50 до 0,02 единиц. Таким образом, заявленный материал сорбирует (поглощает) 99% бензойной кислоты от исходного значения.
Пример 9, показывающий применение заявленного материала для твердофазной микроэкстракции.
Берут полученный в Примере 8 материал в виде сорбента, выдержанного в растворе ароматических соединений, помещают в отделение подачи пробы хроматомасс-спектрометра, нагревающего образец до температуры в диапазоне от +450 до +480°С, получают хроматомасс-спектр ароматических соединений, сорбированных заявленным материалом из раствора.
Таким образом, заявленный материал нашел применение в твердофазной микроэкстракции при температурах в диапазоне от +450 до +480°С против +380°С у прототипа.
Фиг. 3 иллюстрирует характеристики заявленного материала в сравнении с прототипом. Показано, что при одновременном снижении количества компонентов и их стоимости достигнута существенно более высокая (на 78-99°С) термостойкость при более низкой (до 3-х раз) стоимости заявленного материала по сравнению с прототипом. Производные каликсаренов получают с использованием отечественных общеизвестных материалов и оборудования, что позволяет обеспечить импортозамещение реагентов.
Так как представленные технические результаты, по мнению заявителя, не могут быть получены посредством методов обычного проектирования и не следуют из уровня техники явным образом, далее заявителем приведены детальные комментарии к полученным результатам, а именно к принципам (методам) создания принципиально нового материала, обладающего комплексом ранее единовременно недостижимых физико-химических свойств:
- высокой, по сравнению с прототипом, температурой разложения (высокой термостойкостью),
- меньшим, по сравнению с прототипом, количеством компонентов,
- более низкой, по сравнению с прототипом, требуемой (для создания материала) концентрации сшивающих компонентов, например, труднодоступного производного каликсарена.
Высокую термостойкость материала объясняют (Chrissafis К., Bikiaris D. Can nanoparticles really enhance thermal stability of polymers? Part I: an overview on thermal decomposition of addition polymers // Thermochimica Acta. - 2011. - T. 523. - №. 1. - C. 1-24) факторами:
1. Действием введенных в состав гибридного композиционного материала наночастиц диоксида кремния, а именно:
1.1. механическим взаимодействием полимера с поверхностью участвующих в рассеивании тепловой энергии наночастиц;
1.2. влиянием наночастиц на механизм разложения материала (химические реакции, связанные с термическим разложением гибридного композиционного материала);
1.3. связыванием реакционноспособных продуктов термического разложения, которые катализируют дальнейшее термическое разложение материала.
2. Действием тиакаликсарена, объемная гидрофобная чашеобразная структура которого обеспечивает высокую адгезию наноразмерных частиц диоксида кремния к полидиметилсилоксану;
3. Результатом ковалентного связывания производного тиакаликсарена связями Si-O-Si и с поверхностью наночастиц диоксида кремния, и с содержащим силанольные группы полидиметилсилоксаном, что повышает, по сравнению с прототипом, температуру разложения заявляемого материала.
Меньшее (по сравнению с прототипом) количество компонентов достигают за счет введения в состав заявленного материала наночастиц диоксида кремния с одновременным участием тиакаликсарена, обеспечивающего и адгезию полидиметилсилоксана к наночастицам диоксида кремния, и ковалентное связывание компонентов гибридного материала, что позволяет исключить описанные в прототипе дополнительные сшивающие реагенты.
Низкую (по сравнению с прототипом) концентрацию сшивающих компонентов достигают за счет использования производных каликсарена в качестве компонента, обеспечивающего ковалентное связывание и высокую адгезию полидиметилсилоксана к наночастицам диоксида кремния. В прототипе цель достигают за счет сетки ковалентных связей при использовании высокой концентрации сшивающих компонентов.
Таким образом, заявленное техническое решение устраняет присущие прототипу недостатки и обеспечивает создание более термостойкого гибридного композиционного материала, более технологичного и менее трудоемкого в производстве и применении, обладающего комплексом ранее единовременно недостижимых физико-химических свойств:
- высокой температурой разложения (плюс 458 - 479°С против +380°С у прототипа), то есть обладающего более высокой термостойкостью;
- меньшим количеством компонентов (3 компонента против 5 компонентов прототипа) и соответственно более технологичным и менее трудоемким в производстве;
- низкой концентрацией сшивающих компонентов, например производного каликсарена (0,01-1,00% против 13,00% у прототипа), то есть производимого с меньшим расходом труднодоступных компонентов.
Материалы на основе заявленного технического решения могут найти применение для изготовления термостойких покрытий и сорбентов в химической промышленности, авиастроении, космических технологиях, оборонной промышленности, для твердофазной микроэкстракции.
Техническое решение соответствует предъявляемому к изобретениям критерию «новизна», так как из исследованного уровня техники не выявлена заявленная совокупность признаков, а именно высокая температура разложения (плюс 458-479°С) заявленного материала при отсутствии дополнительных труднодоступных сшивающих реагентов, небольшое количество используемых для получения заявленного материала компонентов (три), низкая концентрация сшивающих компонентов, например, тиакаликсарена (0,01-1,00%), используемого для обеспечения высокой адгезии и ковалентной сшивки линейного полидиметилсилоксана к наночастицам диоксида кремния.
Существенным отличием заявленного технического решения от известных, в том числе от прототипа, является также то, что на поверхности наночастиц диоксида кремния находятся не линейные молекулы, а макроциклическое соединение - п-трет-бутилтиакаликс[4]арен (в конфигурации конус, либо частичный конус, либо 1,3-альтернат), благодаря чашеобразной форме которого обеспечивается эффективная адгезия и ковалентное связывание путем образования связей Si-O-Si наночастиц диоксида кремния к линейному полидиметилсилоксану, содержащему силанольные группы, чем, в том числе, обуславливается высокая термостойкость материала.
Техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, так как заявленный материал характеризуется комплексом ранее единовременно недостижимых физико-химических свойств, неочевидном для специалистов в данной области: по сравнению с прототипом заявленная композиция обладает высокой температурой разложения (плюс 458-479°С), имеет меньшую концентрацию наночастиц диоксида кремния (0,01-10,00% от массы материала), меньшую концентрацию сшивающих агентов, а именно производного тиакаликсарена (0,01-1,00% от массы материала), меньшее количество компонентов (три). При этом для производства заявленного материала используют более доступные компоненты. Свойства заявленного материала расширяют область применения термостойких изделий.
Техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», т.к. выполненные на базе Казанского федерального университета исследования показали реальное достижение заявленных технических результатов.
Claims (4)
- Термостойкий гибридный композиционный материал на основе полидиметилсилоксана с наночастицами диоксида кремния, отличающийся тем, что термостойкий гибридный композиционный материал состоит из содержащего силанольные группы линейного полидиметилсилоксана и наночастиц диоксида кремния, модифицированного ковалентно связанным на его поверхности тиакаликсареном (5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28-тетракис[N-(пропилтриалкоксисиланат)-карбамоилметокси]-2,8,14,20-тетратиакаликс [4]ареном (в конфигурации конус, либо частичный конус, либо 1,3-альтернат)) при следующем соотношении компонентов:
- - линейный полидиметилсилоксан HO[Si(CH3)2O]nH, содержащий силанольные группы до сополиконденсации с образованием связей Si-O-Si с тиакаликсареном C72H116N4O20S4Si4, ковалентно закрепленным на поверхности наночастиц, от 89,00 до 99,89% от массы композитного материала;
- - наночастицы диоксида кремния SiO2 от 0,10 до 10,00% от массы композитного материала;
- - тиакаликсарен C72H116N4O20S4Si4, ковалентно закрепленный на поверхности наночастиц диоксида кремния, от 0,01 до 1,00% от массы композитного материала.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015147339A RU2611518C1 (ru) | 2015-11-03 | 2015-11-03 | Термостойкий гибридный композиционный материал |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015147339A RU2611518C1 (ru) | 2015-11-03 | 2015-11-03 | Термостойкий гибридный композиционный материал |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2611518C1 true RU2611518C1 (ru) | 2017-02-27 |
Family
ID=58459004
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015147339A RU2611518C1 (ru) | 2015-11-03 | 2015-11-03 | Термостойкий гибридный композиционный материал |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2611518C1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4162243A (en) * | 1978-05-08 | 1979-07-24 | Dow Corning Corporation | High strength, extrudable silicone elastomer compositions |
| RU2177011C2 (ru) * | 1996-01-11 | 2001-12-20 | Родиа Шими | Применение ассоциации силиконовых соединений в качестве агента сочетания в кремнеземсодержащих эластомерных композициях |
| RU2295551C1 (ru) * | 2006-02-27 | 2007-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) | Композиция на основе силоксанового каучука |
| RU2451704C1 (ru) * | 2010-10-07 | 2012-05-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт синтетического каучука имени академика С.В. Лебедева" | Композиция для нейтронной защиты на основе полидиметилсилоксана |
| RU2505569C1 (ru) * | 2012-08-16 | 2014-01-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Кремнийорганическая композиция |
-
2015
- 2015-11-03 RU RU2015147339A patent/RU2611518C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4162243A (en) * | 1978-05-08 | 1979-07-24 | Dow Corning Corporation | High strength, extrudable silicone elastomer compositions |
| RU2177011C2 (ru) * | 1996-01-11 | 2001-12-20 | Родиа Шими | Применение ассоциации силиконовых соединений в качестве агента сочетания в кремнеземсодержащих эластомерных композициях |
| RU2295551C1 (ru) * | 2006-02-27 | 2007-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) | Композиция на основе силоксанового каучука |
| RU2451704C1 (ru) * | 2010-10-07 | 2012-05-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт синтетического каучука имени академика С.В. Лебедева" | Композиция для нейтронной защиты на основе полидиметилсилоксана |
| RU2505569C1 (ru) * | 2012-08-16 | 2014-01-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Кремнийорганическая композиция |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sarafraz-Yazdi et al. | A novel solid-phase microextraction using coated fiber based sol–gel technique using poly (ethylene glycol) grafted multi-walled carbon nanotubes for determination of benzene, toluene, ethylbenzene and o-xylene in water samples with gas chromatography-flam ionization detector | |
| Bekçi et al. | Sorption of malachite green on chitosan bead | |
| Galpaya et al. | The effect of graphene oxide and its oxidized debris on the cure chemistry and interphase structure of epoxy nanocomposites | |
| CN106986320B (zh) | 一种金属氧化物嵌入的磁性有序介孔碳复合材料及其制备方法与应用 | |
| CN106589390B (zh) | 一种纳米纤维素晶体疏水接枝的改性方法 | |
| Tang et al. | Thermal-oxidative effect of a co-condensed nanosilica-based antioxidant in polypropylene | |
| CN108318557B (zh) | 电化学检测用石墨烯-酚醛树脂复合材料电极及其制备方法 | |
| CN105949555A (zh) | 密炼生产过程中氧化石墨烯预分散混炼工艺 | |
| CN103418355A (zh) | 一种溶胶-凝胶分子印迹固相微萃取头及其制备方法 | |
| Guan et al. | An unexpected effect of water on the asymmetric hydrogenation of α-ketoesters on platinum nanoparticles confined in carbon nanotubes | |
| RU2611518C1 (ru) | Термостойкий гибридный композиционный материал | |
| Bilgic et al. | A new eco-friendly fluorescent microcapsules for effective and selective detection of Hg (II) &Cu (II) | |
| Zhang et al. | Synthesis of allyl‐ended hyperbranched organic silicone resin by halloysite‐supported platinum catalyst | |
| Kaldun et al. | Chemical improvement of surfaces. Part 4: Significantly enhanced hydrophobicity of wood by covalent modification with p-silyl-functionalized benzoates | |
| Boyacı et al. | Electrospun amino-functionalized PDMS as a novel SPME sorbent for the speciation of inorganic and organometallic arsenic species | |
| CN108424525B (zh) | 基于乙烯基砜的硅纳米材料表面功能化方法 | |
| Wang et al. | Velvet-like carbon nitride as a solid-phase microextraction fiber coating for determination of polycyclic aromatic hydrocarbons by gas chromatography | |
| Shnayder et al. | Hybrid organosilica coatings for solid phase microextraction: highly efficient adsorbents for determination of trace parabens | |
| Cerveau et al. | Auto-organization of Nanostructured Organic− Inorganic Hybrid Xerogels Prepared by Sol− Gel Processing: The Case of a “Twisted” Allenic Precursor | |
| Liu et al. | Improvement of the interfacial shear strength of poly (p‐phenylene benzobisoxazole) fiber/epoxy resin composite via a novel surface coating agent | |
| CN104941681B (zh) | 基于萘酰亚胺衍生物的荧光传感材料及其应用 | |
| Scully et al. | Effect of silane reagent functionality for fluorinated alkyl and phenyl silica bonded stationary phases prepared in supercritical carbon dioxide | |
| Siddiquey et al. | Fabrication of silica coated Al2O3 nanoparticles via a fast and facile route utilizing microwave irradiation | |
| Heiskanen et al. | Self‐emulsifying binders for water‐borne coatings—Synthesis and characteristics of maleated alkyd resins | |
| Spange et al. | Electrokinetic and solvatochromic studies of functionalized silica particles |