Презентация Технологии получения полимерных нанокомпозитов онлайн

Содержание слайда: ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ К основным методам получения ПНК относятся: диспергирование нанонаполнителя в органическом мономере с последующей полимеризацией совместно с наночастицами (совместная полимеризация in situ ); введение дисперсии частиц нанонаполнителя в раствор полимера с последующим выпариванием растворителя; введение нанонаполнителя в расплав полимера с последующим охлаждением; смешение нанонаполнителя и порошкообразного полимера с последующей экструзией (экструзионный процесс); смешение нанонаполнителя и порошкообразного полимера с последующим прессованием (метод прессования); поликонденсация органического мономера с гидроксидом, полученным при гидролизе алкоголята (золь-гель процесс).

Содержание слайда: ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ

Содержание слайда: ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ

Содержание слайда: ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ

Содержание слайда: Совместная полимеризация в среде мономера (блочная совместная полимеризация ) Процесс получения ПНК проводят замкнутом реакторе, заполненном мономером, нанонаполнителем и инициатором под воздействием повышенной температуры (а иногда и давления). Этим методом ПНК получают в виде блока (имеющего форму реактора — стержня, трубы и т. п.). В зависимости от агрегатного состояния мономера различают: газовую, жидкостную и твердофазную блочную совместную полимеризацию при получении ПНК. Недостатки совместной полимеризации в среде мономера: – жесткие ограничения на конструкцию реактора (твердый целевой продукт полимеризации должен просто извлекаться); – трудности перемешивания реакционной среды (вязкость среды увеличивается по мере хода реакции); – неравномерность молекулярно-массового распределения компонентов ПНК по объему (из-за неравномерности распределения температуры (в глубине блока температура выше, чем снаружи - за счет выделения тепла при полимеризации) и наличия в объеме ПНК остаточного непрореагировавшего мономера).

Содержание слайда: Особенности совместной полимеризация в среде мономера

Содержание слайда: Совместная полимеризация в среде раствора мономера (лаковая совместная полимеризация )

Содержание слайда: Совместная полимеризация в эмульсии или суспензии мономера Для получения ПНК в реактор кроме мономера и нанонаполнителя вводят: при эмульсионной полимеризации: — диспергационную среду (чаще воду), эмульгатор (реакционно-способное ПАВ) [для диспергирования мономера] и инициатор образования свободных радикалов (не растворимый в мономере, но растворимый в воде); при суспензионной полимеризации: — диспергационную среду (чаще воду), микродисперсные инертные твердые частицы (чаще SiO2) [для диспергирования мономера] и инициатор образования свободных радикалов (растворимый в мономере). Реакция совместной полимеризации в обоих случаях идет в среде диспергированного (изолированного) мономера (размер капель 0,1—5 мкм).

Содержание слайда: Совместная полимеризация в эмульсии или суспензии мономера В результате совместной полимеризации в эмульсии мономера образуется латекс (водная эмульсия мелких частиц ПНК, окруженных эмульгатором). Преимущества эмульсионной полимеризации : выход целевого продукта в виде латекса; безопасность производства. Недостаток – загрязнение ПНК эмульгатором и ионами (для разрушения эмульсий часто используют кислоты и соли). В результате совместной полимеризации в суспензии мономера образуется водная суспензия мелких частиц ПНК, окруженных инертным стабилизатором. Преимущества суспензионной полимеризации: отсутствие загрязнений ПНК (суспензионные ПНК характеризуются более высокими электроизоляционными свойствами, чем эмульсионные, так как выделение ПНК из суспензии осуществляют центрифугированием и отстаиванием) суспензия в водной среде способствует хорошему отводу тепла и хорошему перемешиванию. ПНК.

Содержание слайда: Оборудование для совместной полимеризации in situ

Содержание слайда: ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ Экструзионный (шнековый) метод получения ПНК: является разновидностью метода введения нанонаполнителя в расплав полимера, основан на процессе горячего шнекового смешения и расплавления композиции (из порошкообразного полимера и наночастиц наполнителя) в экструдере (машина для экструзии) и предназначен не только для получения ПНК в промышленных масштабах,но и для переработки их в изделия (стержни, листы, трубы и другие профильные изделия, а также пленки и покрытия). Экструзия (от нем. extrusio — выталкивание) — это процесс переработки полимерного материала, заключающийся в переводе его в расплавленное (вязкотекучее) состояние, с последующим непрерывным продавливанием расплава через формующее отверстие (фильеру) определенного профиля с получением готового изделия. Методом экструзии получают и перерабатывают преимущественно ПНК на основе термопластичных полимеров при температурах Тпл ˂ Т ˂ Тразл (обычно на 50 оС ниже Тразл, часто при температуре 275–300 °С ). Преимущества (предпочтительность использования) экструзионного метода: отлаженность методик и простое технологическое оформление производства; высокая производительность (высокая скорость процесса); экономичность промышленного производства (низкие затраты на обслуживание оборудования); экологичность производства (отсутствие каких-либо растворителей и вредных стоков).

Содержание слайда: Экструзионный (шнековый) метод получения ПНК

Содержание слайда: Экструзионный (шнековый) метод получения ПНК

Содержание слайда: Экструзионный (шнековый) метод получения ПНК Экструзионная головка (рис. 5) предназначена для формирования изделия из ПНК. Имеются различные виды экструзионных (формующих) головок: гранулирующие (для получения гранул из порошка); плоскощелевые; трубные; кольцевые; профильные. Важным элементом головки является решетка, которую часто снабжают пакетом фильтрующих сеток. Решетка обеспечивает: а) фильтрацию расплава для удаления загрязнений и нерасплавленного материала; б) превращение вращательного движения расплава в течение, параллельное оси экструзии. В ряде конструкций головок необходимый эффект достигается установкой на пути движения расплава регулирующего элемента (дорна или торпеды), сужающего «русло» расплава и придающего расплаву определенную форму (например, в кольцевых головках).

Содержание слайда: Получение ПНК методом прессования

Содержание слайда: Получение ПНК методом прямого прессования

Содержание слайда: Получение ПНК методом прямого прессования

Содержание слайда: Получение ПНК методом литьевого прессования

Содержание слайда: Получение ПНК методом литьевого прессования

Содержание слайда: Особенности технологии получения ПНК: полимер – органоглина Для создания ПНК с использованием органоглин используют слоистые природные неорганические структуры (монтмориллонит, бентонит, гекторит, вермикулит, каолин), имеющие слои толщиной 1 нм и длиной 220 нм и прослойки между слоями (галереи) толщиной порядка 1 нм. Перспективными являются бентонитовые породы глин, в состав которых входит не менее 70 % минерала группы монтмориллонита. Монтмориллонит [(Na,K,Ca)(Аl,Fe,Мg)[(Si,Al)4O10](OH)2·nH2O] – это высокодисперсный слоистый алюмосиликат белого (или серого) цвета, в котором за счет нестехиометрических изоморфных замещений катионов кристаллической решетки (Mg2+ замещает А13+ в октаэдрической или А13+ замещает Si4+ в тетраэдрической структуре) , появляется избыточный отрицательный заряд, который компенсируется обменными катионами натрия, расположенными в межслоевом пространстве. Особенности монтмориллонита: высокая гидрофильность (при помещении его в воду, вода проникает в межслоевое пространство алюмосиликата, гидратирует его поверхность, что вызывает набухание минерала с увеличением объема в 10 раз); высокая способность к катионному обмену; высокая способность к адсорбции различных ионов.

Содержание слайда: Особенности структуры глин Рис. 8. Структура слоистого силиката

Содержание слайда: Особенности технологии получения ПНК с органоглиной Гидрофильность алюмосиликатов является причиной их несовместимости с органической полимерной матрицей – это основная проблема, которую приходится преодолевать при создании слоистых ПНК. Эта проблема решается путем модификации глины органическим веществом. Модификацию алюмосиликатов осуществляют обычно путем замещения неорганических катионов внутри прослоек органическими поверхностно-активными алкиламмоний-катионами (с гидрофобизацией поверхности слоистых глин) . Например, введение в водно-глиняную суспензию катионов тетрабутиламмония в количестве ~0,5 г/л приводит к адсорбции на ее поверхности ПАВ в количестве ~300–600 мг/г, увеличивает пространство между слоями, уменьшает поверхностную энергию глины и придает поверхности глины гидрофобный характер. Преимущества модифицированной глины(органоглины): – хорошо диспергируется в полимерной матрице; – взаимодействует с цепочкой полимера. Кроме ионных органических модификаторов глин (например, 12-аминододекановая кислота, обеспечивающая органофильные свойства) могут быть использованы неионные модификаторы (с этиленоксидной группой, обеспечивающей повышение химической стабильности глины и снижение десорбции ПАВ за счет водородных связей с поверхностью глины).

Содержание слайда: Особенности технологии получения ПНК с органоглиной Полимерные нанокомпозиты с использованием органоглин получают: – в процессе синтеза полимера; – в растворе; – в расплаве; – экструзией. Для получения ПНК в процессе синтеза полимера (in situ) вначале мономер интеркалируют в слои органоглины. Для этого органоглину заливают жидким мономером (или раствором мономера), в результате чего органоглина разбухает. В ходе реакции ионного обмена органоглина насыщается мономером (ε-капролактам, бутадиен, акрилонитрил, эпоксидная смола и др. с активной концевой группой), мономер мигрирует сквозь галереи органоглины. Затем проводят полимеризацию. Полимеризация происходит внутри слоев. Желательно проводить ее в атмосфере инертного газа в условиях хорошего перемешивания (для удовлетворительного диспергирования 1–6 мас% органоглины в полимерной матрице).

Содержание слайда: Пример in situ-синтеза ПНК (полиамид – 5мас% монтмориллонита) 1. Подготовка глины (ионная модификация до органоглины ). В 1 л водной суспензии монтмориллонита растворяют 75 г 12-аминододекановой кислоты (придает органофильные свойства) и 35 г соляной кислоты (затрудняет агломерацию наночастиц монтморрилонита в растворе). Полученные частицы органоглины высушивают. 2. Смешение органоглины с ε-капролактамом (набухание органоглины и насыщение ее мономером ). К 30 г глины (в 300 г воды) добавляют ~510 г ε-капролактама и 65 г 6-аминокапроновой кислоты, затем смесь помещают в химический реактор с мешалкой, который дегазируют с использованием азота. 3. Совместная полимеризация нанокомпозиции при 250 оС в условиях перемешивания в течение 6 ч (полимеризацию останавливают, когда нагрузка на мешалку возрастает до определенного уровня; вода отводится из реактора по мере дистилляции в течение процесса).

Содержание слайда: Особенности технологии получения ПНК с органоглиной Для получения ПНК в растворе полимера: вначале органоглину (органосиликат) помещают в полярный органический растворитель (например, толуол) для набухания. Далее набухшую органоглину смешивают со свежеприготовленным раствором полимера с хорошей жидкотекучестью (приготовлению раствора полимера предшествует поиск нужного растворителя). При смешении раствор полимера проникает в межслоевое пространство органоглины, образуя суспензионную нанокомпозицию. После этого проводят удаление растворителя из нанокомпозиции (путем его испарения). Основное преимущество этого метода получения ПНК с органоглиной –возможность использования практически для ПНК любого полимерного материала (который может быть переведен в состояние раствора – кроме ПТФЭ). Тем не менее, этот метод не находит широкого использования в промышленности по причине большого расхода растворителя.

Содержание слайда: Особенности технологии получения ПНК с органоглиной Процесс синтеза протекает в несколько стадий. На I стадии полимер окружает агломераты органоглины (образуется тактоид). На II стадии полимер проникает в межслойное пространство органоглины и раздвигает слои до 2–3 нм. На III стадии происходит частичное расслоение и дезориентация слоев органоглины и образуется микрокомпозит. На последней (IV) стадии образуется ПНК с интеркалированной или расслоенной (расшелушенной) структурой (рис. 9). Расшелушенная структура (в которой полимер раздвигает слои глины на 8-10 нм и более) является результатом очень хорошей степени распределения органоглины. Она достигается при хорошем перемешивании сырья.

Содержание слайда: Пример экструзионного синтеза ПНК (полиамид – 6 мас% бентонита) Для получения ПНК с органоглиной в промышленных масштабах наиболее предпочтительным является экструзионный метод (обеспечивает равномерное распределение органоглины в полимерной матрице, хорошее взаимодействие компонентов, исключает использование каких-либо растворителей, требует меньших затрат на обслуживание технологической схемы). Основные параметры экструзионного процесса: температура и скорость вращения шнека (а также время нахождения расплава полимера с нанонаполнителем в экструдере). Этапы синтеза ПНК 1. Подготовка глины (катионная модификация до органоглины). В 1 л водной суспензии бентонита растворяют 5 г алкилбензилметиламмоний хлорида (модификатор придает слоистой глине гидрофобные свойства). Перемешивают 1 ч, центрифугируют. Полученные частицы органоглины высушивают. 2. Подготовка смеси компонентов ПНК (смешение органоглины с порошком (или гранулами) готового полимера). К 30 г сухой органоглины добавляют 470 г полиамида-6, и тщательно перемешивают в смесителе при комнатной температуре. Затем смесь помещают в одношнековый экструдер. 3. Экструзионный процесс. Проводят при температуре 280–300 °С (превышает Тпл полимера = 220 °С ) и скорости вращения шнека 20 об/мин. Полученный ПНК обладает повышенными прочностными свойствами (модуль упругости при изгибе с нанонаполнителем 2000 МПа, прирост модуля упругости 25 %)