Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт химической физики
им. Н.Н.Семенова Российской академии наук



 
 
ПРОЕКТЫ

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт химической физики им. Н.Н.Семенова Российской академии наук
является исполнителем проекта Разработка конструкционных композиционных наноматериалов нового поколения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ с комплексами улучшенных эксплуатационных характеристик (противоизносных, трибологических, механических, пониженной горючестью) и полимеризационной технологии их получения.
Соглашение о предоставлении субсидии: 14.607.21.0139

Цель проекта
Разработка конструкционных композиционных наноматериалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и нанонаполнителей с улучшенными характеристиками, в том числе повышенной износостойкостью (не менее, чем в 2 раза выше в сравнении с СВМПЭ), повышенной жесткостью (модуль упругости при растяжении не менее, чем в 1,5 раза выше в сравнении с СВМПЭ), пониженной горючестью (огнестойкость (с наполнителем гидроксидом алюминия) категория V-0, КИ?27) и полимеризационной технологии их получении. Создание установки для производства разрабатываемых композиционных материалов на основе СВМПЭ по разрабатываемой полимеризационной технологии; получение экспериментальных образцов композиционных материалов. На основе результатов проекта должен быть разработан проект технического задания на выполнение ОТР по теме «Создание промышленной полимеризационной технологии получения конструкционных композиционных наноматериалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена»,

Основные результаты проекта
        Разработаны технологические принципы получения полимеризационным методом конструкционных композиционных наноматериалов на основе СВМПЭ и наполнителей разного типа – слоистого силиката монтмориллонита (ММТ), графитовых нанопластин, гидроксида алюминия. Разработаны методы каталитической активации наполнителей разного типа.
        Разработанный метод интеркаляции катализатора в межслойное пространство частиц ММТ обеспечивает их расслоение (эксфолиацию) на отдельные нано-слои под действием СВМПЭ, образующегося в межслойном пространстве частиц ММТ при полимеризации этилена. Степень эксфолиации достигает 86- 95 % от исходного содержания наполнителя, что не достижимо для обычно применяемых в мире смесевых методов получения композитов СВМПЭ. Разрабатываемая полимеризационная технология получения композитов на основе СВМПЭ и наполнителей разного типа обеспечивает равномерное распределение нано- и микрочастиц в матрице СВМПЭ при низких и высоких содержаниях наполнителей разного типа, что не обеспечивают обычно применяемые методы разного типа получения композитов.
        Получены лабораторные образцы композиционных материалов на основе СВМПЭ и наполнителей разного типа (по три каждого типа, в соответствии с ТЗ) – слоистого силиката ММТ (содержание наполнителя 5, 7 и10 % масс.), графитовых нанопластин (содержание наполнителя 1,6; 2,7 и 6,8 % масс.), гидроксида алюминия (содержание наполнителя 62, 68 и 76 % масс.). Образцы полученных композитов СВМПЭ/ММТ при содержании ММТ 7 и 10 % масс. обладают прочностью при растяжении 31 и 33 МПА, относительным удлинением при разрыве 290 и 270 % , модулем упругости при растяжении 790 и 880 МПа, газопроницаемостью по кислороду в 2 и 3,5 раза ниже, чем ненаполненный СВМПЭ, соответственно. В случае нанокомпозитов СВМПЭ/графитовые нанопластины оптимальным сочетанием деформационно-прочностных характеристик обладает материал с содержанием наполнителя 2,7 % мас.: модуль упругости при растяжении 920 МПа, прочность при растяжении 27 МПа, относительное удлинение при разрыве 120%. Образцы композиционных материалов СВМПЭ/Al(OH)3 при содержании Al(OH)3 76 % мас. имеют пониженную горючесть и соответствуют категории огнестойкости V-O, КИ?32, модуль упругости при растяжении 2700 МПа, относительное удлинение при разрыве 90 %; при содержании Al(OH)3 68 % мас. – КИ = 28 (?27), модуль упругости при растяжении 2000 МПа, относительное удлинение при разрыве 200 %. Полученные материалы соответствуют требованиям к выполняемому проекту.
        Разработаны лабораторные методики поверхностной химической модификации фторированием и обработкой кислородосодержащей низкотемпературной плазмой конструкционных композиционных наноматериалов на основе СВМПЭ и нанонаполнителей (углеродных, слоистых силикатов) для модификации в заданном направлении адгезионных, гидрофильно-гидрофобных, трибологических и других поверхностных свойств композитов СВМПЭ.
        Разработана ЭКД на стендовую установку для синтеза образцов конструкционных композиционных наноматериалов на основе СВМПЭ и наполнителей (углеродных, слоистых силикатов, гидроксида алюминия).
        Изготовлены реактор объемом 2,5 литров, детали и узлы для стендовой установки для синтеза образцов композиционных наноматериалов на основе СВМПЭ.


        Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки
(См. ГК РФ часть 4, глава 69 статья 1225; глава 77 статья 1542; Постановление Правительства РФ № 622 от 18 августа 2008 г.; Приказ Министерства образования и науки №736 от 17 декабря 2009 г.)
        На данном этапе охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности не получены.


        Назначение и область применения результатов проекта
        Сфера применения разрабатываемых материалов с повышенными износостойкостью и механическими свойствами, пониженной горючестью чрезвычайно обширна и практически важна. Материалы востребованы в различных отраслях промышленности, в том числе:
        - на предприятиях Газпрома – в конструкциях подвижных опор магистральных газопроводов узлы трения с высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения, работающие в условиях сухого трения при больших нагрузках. Применение разрабатываемых композитов в опорных конструкциях приведет к экономии металла (отсутствие ложементов, хомутов, болтовых креплений, уменьшение расчетных размеров конструктивных элементов опор), упрощению конструкции опор, сокращению монтажных операций, сокращению трудозатрат и сроков строительства; увеличению сроков службы.
        - в угледобывающей и горнорудной промышленности в шахтах для облицовки транспортного и экскаваторного оборудования для защиты от налипания породы и износа оборудования. В результате применения разрабатываемых композитов увеличится срок службы шахтного оборудования из-за снижения износа, сокращаются энергозатраты и трудозатраты на очистку от налипаюшей и намерзающей породы (угля, руды), снижается время простоя и увеличивается производительность.
        - для изготовления износостойких изделий конструкционного назначения, работающих в режиме абразивного изнашивания в инертных и агрессивных средах (прокладки в различных конструкциях и оборудовании, элементы сельскохозяйственных зерноуборочных комбайнов);
        - в качестве антикоррозионных покрытий на металлических трубах путем электростатического напыления. В результате применения разрабатываемых композитов увеличивается срок службы металлических труб и, значит, расход металла, снижаются трудо- и энергозатраты на ремонтные работы.
        Полученные результаты будут способствовать развитию научно-технического и технологического направления, связанного с созданием конструкционных и функциональных композиционных материалов на основе СВМПЭ, которое остается до сих пор мало продвинутой областью. СВМПЭ в силу особенностей структуры при плавлении не переходит в вязко-текучее состояние, и традиционные методы введения наполнителей здесь практически не применимы или мало эффективны. Предлагаемое технологическое решение проблемы – введение наполнителя непосредственно на стадии синтеза СВМПЭ позволяет получать новые конструкционные и функциональные композиционные материалы с заданными комплексами эксплуатационных характеристик.

         Эффекты от внедрения результатов проекта
        Применение разрабатываемых материалов в указанных выше областях даст энергосбережение, повышение эффективности и надежности эксплуатации, долговечности, работоспособности соответствующих изделий и технологического оборудования при высокой экологичности материалов, расширит области использования. Внедрение разрабатываемых материалов приведет к повышению производительности и улучшению условий труда. Создание их производства приведет к созданию новых рабочих мест.


«Разработка конструкционных композиционных наноматериалов нового поколения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ с комплексами улучшенных эксплуатационных характеристик (противоизносных, трибологических, механических, пониженной горючестью) и полимеризационной технологии их получения.»,