[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2663160C2 - Безрастворный способ получения нанокомпозиционных связующих in situ - Google Patents

Безрастворный способ получения нанокомпозиционных связующих in situ Download PDF

Info

Publication number
RU2663160C2
RU2663160C2 RU2016117098A RU2016117098A RU2663160C2 RU 2663160 C2 RU2663160 C2 RU 2663160C2 RU 2016117098 A RU2016117098 A RU 2016117098A RU 2016117098 A RU2016117098 A RU 2016117098A RU 2663160 C2 RU2663160 C2 RU 2663160C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
stage
situ
cyanate
producing
binders
Prior art date
Application number
RU2016117098A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2016117098A (ru
RU2016117098A3 (ru
Inventor
Геннадий Федорович Новиков
Сергей Михайлович Алдошин
Дмитрий Александрович Гуров
Александр Олегович Чернышенко
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук (ИПХФ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук (ИПХФ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук (ИПХФ РАН)
Priority to RU2016117098A priority Critical patent/RU2663160C2/ru
Publication of RU2016117098A publication Critical patent/RU2016117098A/ru
Publication of RU2016117098A3 publication Critical patent/RU2016117098A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2663160C2 publication Critical patent/RU2663160C2/ru

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0009Forming specific nanostructures
    • B82B3/0038Manufacturing processes for forming specific nanostructures not provided for in groups B82B3/0014 - B82B3/0033
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/28Treatment by wave energy or particle radiation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02Elements
    • C08K3/04Carbon

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Processes Of Treating Macromolecular Substances (AREA)

Abstract

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении углепластиков для космического и авиационного аппаратостроения, а также для строительных конструкций. Способ получения нанокомпозиционных связующих без использования растворителей включает два этапа. На первом этапе при комнатной температуре одновременно измельчают мономер цианат-эфира, углеродные нанотрубки и диспергант на основе сульфонилбисцианатофенилизоиндолиндиона. На втором этапе in situ олигомеризуют указанный мономер и обрабатывают полученную смесь ультразвуком. Изобретение позволяет получить материалы с заданными свойствами, например электро- и теплопроводностью, а также улучшить их изотропность, повысить влагостойкость и долговечность. 2 ил., 4 табл., 2 пр.

Description

Изобретение относится к технологии получения стабильных дисперсий углеродных наноматериалов в термореактивных олигомеризованных цианат-эфирах без использования растворителей для их последующего отверждения в виде пластика или армированного пластика. Более конкретно: изобретение относится технологии одновременной олигомеризации цианат-эфирного мономера и ультразвуковой диспергации углеродных нанотрубок и дисперганта на основе сульфонилбисцианатофенилизоиндолиндиона in situ.
Цианат-эфирные связующие имеют ряд ключевых преимуществ и особенностей, которые делают их исключительно важными в космическом аппаратостроении. Именно уникальная химическая структура скелета формирующейся пространственной трехмерной сетки макромолекулы полимера является ключевой основой для проявляемых важных физико-химических и термомеханических свойств, таких как: низкая диэлектрическая проницаемость, высокая термо- и трещиностойкость, сверхнизкая влагопоглощаемость. [Reghunadhan Nair С.P., Mathew D., Ninari К.N., Cyanate Ester Resins, Recent Developments, Advances in Polymer Science. Vol. 155, 2001. P. 84-87], [Hamerton I. Chemistry and technology of cyanate ester resins, Springer, 1994. Pp. 30-31, 116-117, 241-245]
Одностенные углеродные нанотрубки (УНТ) являются фактически скрученным в цилиндр листом графена. Их уникальная особенность строения и квантоворазмерные эффекты позволяют им обладать рядом уникальных свойств. Они обладают высокой теплопроводностью сравнимой с алмазом, сверх-низким коэффициентом линейного термического расширения, высоким модулем упругости и высокой прочностью. Высокие электропроводящие и теплопроводящие свойства УНТ хорошо известны. [Prabhakar R. Bandaru, Electrical Properties and Applications of Carbon Nanotube Structures. Journal of Nanoscience and Nanotechnology Vol. 7, 1-29, 2007].
Известен способ диспергирования наноразмерных объектов в связующих с использованием высококипящих растворителей (N-метилпирролидон (НМП), диметилформамид (ДМФА), диметилсульфоксид (ДМСО) [Kevin D. Ausman, Organic Solvent Dispersions of Single-Walled Carbon Nanotubes: Toward Solutions of Pristine Nanotubes, J. Phys. Chem. B, 2000, 104 (38), pp 8911-8915]. Этот метод предполагает огромные технологические трудности, а также экономические затраты. При работе с высоковязкими связующими полностью отогнать растворитель даже из тонких пленок не удается. Адсорбируясь на поверхности нанотрубок, растворитель ухудшает основные свойства нанокомпозита (диэлектрические, физико-механические, газовыделение и т.д.). В случае деталей космических аппаратов это приведет к десорбции растворителя и последующей усадке и короблению всей конструкции. Что в свою очередь может привести к ухудшению диэлектрических свойств изделия и потере качества сигнала. К тому же, работа с подобными растворителями вредна с точки зрения экологии.
Также известен способ изготовления полимерных нанокомпозитов на реактопластичном связующем для космических, авиационных, строительных и других конструкций (стеклопластиков, углепластиков, органопластиков и др.) с применением УНТ, введеных в связующее с помощью ультразвукового воздействия. Данный способ описан в патенте RU 2497843 от 29.12.2011 и является наиболее близким.
Предлагаемый способ получения нанокомпозиционных связующих без применения растворителей позволяет использовать УНТ различных аллотропных конфигураций и связующие на основе цианат-эфиров для создания материалов с особыми свойствами: пластиков и армированных пластиков для космических, авиационных, строительных и других конструкций.
Например: диспергант на основе сульфонилбисцианатофенилизоиндолиндиона и мономер бисфенола А дицианата вместе с УНТ обрабатываются ультразвуком при повышенной температуре (150°С). УНТ диспергируются с помощью ультразвукового излучателя и дисперганта в расплаве олигомеризующегося мономера in situ, а не вмешиваются в олигомер с использованием растворителей. Одновременный рост тримеризационных цепей олигомера и диспергация УНТ позволяет получить стабильный нанокомпозиционный олигомер. Нанообъекты, диспергант и матрица создают единую структуру и однородную топологию, в результате которой УНТ не агрегируются и не осаждаются со временем.
Синтез π-π дисперганта для получения качественной дисперсии углеродных нанотрубок и последующей их связи с цианат-эфирной матрицей
На основании проведенных квантово-механических расчетов с помощью программы Materials Studio 8 величины адсорбции дисперганта к поверхности одностенной УНТ были выбраны для синтеза следующие дисперганты: полиимид бисфенола А диакрилат (ПИБАД, иностранный аналог) [Магу В. Chan-Park, Use of Polyimide-graft-Bisphenol A Diglyceryl Acrylate as a Reactive Noncovalent Dispersant of Single-Walled Carbon Nanotubes for Reinforcement of Cyanate Ester/Epoxy Composite, Chem. Mater. 2010, 22, 6542-6554] и сульфонилбисцианатофенилизоиндолиндион (СБЦФИИ, патентуемое вещество). Адгезия СБЦФИИ к одностенной углеродной нанотрубке (ОСУНТ) в результате расчетов оказалась выше, чем у ПИБАД (табл. 1). После этого были изучены характеристики нанокомпозитов и углепластиков, полученных на их основе. Схемы синтеза диспергентов указаны на фигуре 1 и 2.
Figure 00000001
Было замечено что диспергант на основе СБЦФИИ растворяется в мономере и олигомере бисфенола А дицианата полностью, в отличие от ПИБАД. Полученные дисперсии ОСУНТ обладают хорошей дисперсностью (благодаря высокой совместимости с матрицей) и не седементируются. ОСУНТ формируют топологию образующейся полимерной матрицы и связаны с ней благодаря цианатным группам адсорбированного дисперганта. А с помощью π-π взаимодействий осуществляется связь между имидными фрагментами дисперганта и поверхностью ОСУНТ. Возможно дополнительное увеличение адгезии дисперганта к наноматериалу, варьируя имидный фрагмент при его синтезе.
Пример №1
1-я стадия. Смешение порошков дисперганта СБЦФИИ (1% вес.), углеродных нанотрубок (одностенные углеродные нанотрубки с гидроксильными группами) (1% вес.) и мономера цианат-эфира (бисфенол А дицианат) (98% вес.) при комнатной температуре.
2-я стадия. Механическое измельчение порошков при комнатной температуре.
3-я стадия. Нагрев для получения расплава мономера при Т=80°С
(Скорость нагрева не более 5°С/мин).
4-я стадия. Ультразвуковое (УЗ) диспергирование.
5-ая стадия. Нагрев до 150°С.
Пример №2 (иностранный аналог для сравнения)
1-я стадия. Смешение порошков дисперганта ПИБАД (1% вес.), углеродных нанотрубок (одностенные углеродные нанотрубки с гидроксильными группами) (1% вес.) и мономера цианат-эфира (бисфенол А дицианат) (98% вес.).
2-я стадия. Механическое измельчение порошков.
3-я стадия. Нагрев для получения расплава мономера при Т=80°С (Скорость нагрева не более 5°С/мин)
4-я стадия. УЗ диспергирование.
5-я стадия. Нагрев до 150°С.
Получение пленок модифицированного цианат-эфирного связующего для производства препрега.
При откатке пленок для производства препрега на основе высокомодульного волокна и нанокомпозиционных связующих, содержащих ОСУНТ, диспергированных с использованием различных диспергантов, оказалось, что диспергант на основе ПИБАД растворяется в связующем не полностью, из-за чего возникли проблемы при откатке пленок и в результате, скорее всего, охрупчивание композита. СБЦФИИ растворился в связующем полностью.
Figure 00000002
Figure 00000003
*ДМА - динамический механический анализ.
Figure 00000004
*УНТ = углеродные нанотрубки с карбоксильными функциональными группами, степень чистоты 98%, производство Наношел, Индия)
Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать безрастворным способом нанокомпозиционные связующие in situ.
Низкая теплопроводность цианат-эфирных связующих при всех их плюсах не позволяет обеспечить эффективный теплосъем с углепластика: использование нанокомпозиционных связующих позволяет полностью решить эту проблему, не увеличивая при этому массу конструкции.
Нанокомпозиционные углепластики, пленки и покрытия, приготовленные по безрастворной технологии, открывают возможности для создания материалов специального назначения с заданными свойствами готового изделия: электропроводностью, теплопроводностью, диэлектрическими и частотными характеристиками.
Диспергированные по патентуемому способу наноматериалы могут быть использованы для создания нанокомпозиционных углепластиков с улучшенной изотропностью, влагостойкостью, физико-механическими свойствами, повышенной долговечностью в эксплуатации при сверхнизких и высоких температурах и повышенной размеростабильностью.

Claims (1)

  1. Способ получения нанокомпозиционных связующих без использования растворителей, включающий в себя два этапа, при этом на первом этапе одновременно измельчают мономер цианат-эфира, углеродные нанотрубки и диспергант на основе сульфонилбисцианатофенилизоиндолиндиона при комнатной температуре; на втором этапе олигомеризуют и обрабатывают ультразвуком цианат-эфирный мономер, углеродные нанотрубки и диспергант на основе сульфонилбисцианатофенилизоиндолиндиона in situ.
RU2016117098A 2016-04-29 2016-04-29 Безрастворный способ получения нанокомпозиционных связующих in situ RU2663160C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016117098A RU2663160C2 (ru) 2016-04-29 2016-04-29 Безрастворный способ получения нанокомпозиционных связующих in situ

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016117098A RU2663160C2 (ru) 2016-04-29 2016-04-29 Безрастворный способ получения нанокомпозиционных связующих in situ

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2016117098A RU2016117098A (ru) 2017-11-01
RU2016117098A3 RU2016117098A3 (ru) 2018-03-20
RU2663160C2 true RU2663160C2 (ru) 2018-08-01

Family

ID=60264180

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016117098A RU2663160C2 (ru) 2016-04-29 2016-04-29 Безрастворный способ получения нанокомпозиционных связующих in situ

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2663160C2 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3725772A1 (en) * 2019-04-16 2020-10-21 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Compounds and materials for forming organic film, substrate for manufacturing semiconductor device, method for forming organic film, and patterning process
US11500292B2 (en) 2019-04-16 2022-11-15 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Material for forming organic film, substrate for manufacturing semiconductor device, method for forming organic film, patterning process, and compound for forming organic film

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2278028C1 (ru) * 2005-04-11 2006-06-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Препрег и изделие, выполненное из него
US20080039573A1 (en) * 2006-08-10 2008-02-14 Dow Global Technologies, Inc. Polymers of macrocyclic oligomers containing highly expanded graphite
US20090148637A1 (en) * 2007-10-26 2009-06-11 Florida State University Research Foundation Fabrication of fire retardant materials with nanoadditives
US20120010337A1 (en) * 2010-07-08 2012-01-12 Xerox Corporation Method For Treating A Carbon Allotrope
RU2497843C2 (ru) * 2011-12-29 2013-11-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ имени Н.Э. Баумана) Способ изготовления высокопрочного полимерного нанокомпозита

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2278028C1 (ru) * 2005-04-11 2006-06-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Препрег и изделие, выполненное из него
US20080039573A1 (en) * 2006-08-10 2008-02-14 Dow Global Technologies, Inc. Polymers of macrocyclic oligomers containing highly expanded graphite
US20090148637A1 (en) * 2007-10-26 2009-06-11 Florida State University Research Foundation Fabrication of fire retardant materials with nanoadditives
US20120010337A1 (en) * 2010-07-08 2012-01-12 Xerox Corporation Method For Treating A Carbon Allotrope
RU2497843C2 (ru) * 2011-12-29 2013-11-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ имени Н.Э. Баумана) Способ изготовления высокопрочного полимерного нанокомпозита

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3725772A1 (en) * 2019-04-16 2020-10-21 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Compounds and materials for forming organic film, substrate for manufacturing semiconductor device, method for forming organic film, and patterning process
US11500292B2 (en) 2019-04-16 2022-11-15 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Material for forming organic film, substrate for manufacturing semiconductor device, method for forming organic film, patterning process, and compound for forming organic film
US11692066B2 (en) 2019-04-16 2023-07-04 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Material for forming organic film, substrate for manufacturing semiconductor device, method for forming organic film, patterning process, and compound for forming organic film

Also Published As

Publication number Publication date
RU2016117098A (ru) 2017-11-01
RU2016117098A3 (ru) 2018-03-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Effect of graphene oxide-carbon nanotube hybrid filler on the mechanical property and thermal response speed of shape memory epoxy composites
Song et al. Vertically aligned silicon carbide nanowires/reduced graphene oxide networks for enhancing the thermal conductivity of silicone rubber composites
Gu et al. Synergistic improvement of thermal conductivities of polyphenylene sulfide composites filled with boron nitride hybrid fillers
Wu et al. Polyimide-based composites reinforced by carbon nanotube-grafted carbon fiber for improved thermal conductivity and mechanical property
Gu et al. Polyimide-based foams: fabrication and multifunctional applications
Han et al. Effect of graphene oxide addition on the interlaminar shear property of carbon fiber-reinforced epoxy composites
Pang et al. Exfoliated graphene leads to exceptional mechanical properties of polymer composite films
Lin et al. Wood annual ring structured elastomer composites with high thermal conduction enhancement efficiency
Jin et al. Preparation and characterization of high performance of graphene/nylon nanocomposites
Njuguna et al. Epoxy‐based fibre reinforced nanocomposites
Miller et al. Characterization of epoxy functionalized graphite nanoparticles and the physical properties of epoxy matrix nanocomposites
Xu et al. Graphene oxide: a versatile agent for polyimide foams with improved foaming capability and enhanced flexibility
Lu et al. Epoxy nanocomposites filled with thermotropic liquid crystalline epoxy grafted graphene oxide
Lai et al. Effects of multi-walled carbon nanotube/graphene oxide-based sizing on interfacial and tribological properties of continuous carbon fiber/poly (ether ether ketone) composites
Ye et al. Fluorinated graphene reinforced polyimide films with the improved thermal and mechanical properties
Zotti et al. Polymer nanocomposites based on Graphite Nanoplatelets and amphiphilic graphene platelets
Lei et al. Epoxy toughening with graphite fluoride: Toward high toughness and strength
Li et al. Largely improved dimensional stability of short carbon fiber reinforced polyethersulfone composites by graphene oxide coating at a low content
Bhanuprakash et al. Mode I and Mode II interlaminar fracture behavior of E‐glass fiber reinforced epoxy composites modified with reduced exfoliated graphite oxide
Yang et al. Significant improvement of thermal oxidative mechanical properties in phthalonitrile GFRP composites by introducing microsilica as complementary reinforcement
Jiang et al. Plasma functionalization of bucky paper and its composite with phenylethynyl-terminated polyimide
Song et al. Highly thermally conductive SiO2-coated NFC/BNNS hybrid films with water resistance
Song et al. Alkylated and restored graphene oxide nanoribbon-reinforced isotactic-polypropylene nanocomposites
Ogbonna et al. A review on recent advances on the mechanical and conductivity properties of epoxy nanocomposites for industrial applications
Bian et al. HDPE composites strengthened–toughened synergistically by l‐aspartic acid functionalized graphene/carbon nanotubes hybrid nanomaterials