CC BY
56
№ 12 (54)
UNIVERSUM:
ХИМИЯ И БИОЛОГИЯ
декабрь, 2018 г.
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ ТАЛЬКА НА МЕЖФАЗНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИПРОПИЛЕНА
Тураев Эркин Рустамович
канд. техн. наук, Ташкентский химико-технологический институт,
Республика Узбекистан, г. Ташкент
Бекназаров Хасан Сойибназарович
д-р техн. наук, Ташкентский научно-исследовательский институт химической технологии, Республика Узбекистан, Ташкентская область, Зангиатинский район, п/о Шуро-базар
Ахмедов Улуг Каримович
д-р хим. наук, профессор, Институт общей и неорганической химии АН РУЗ,
Республика Узбекистан, г. Ташкент
Джалилов Абдулахат Турапович
д-р хим. наук, академик, Ташкентский научно-исследовательский институт химической технологии, Республика Узбекистан, Ташкентская область, Зангиатинский район, п/о Шуро-базар
THE EFFECT OF TALC PARTICLE SIZE ON INTERPHASE INTERACTIONS OF COMPOSITE MATERIALS BASED ON POLYPROPYLENE
Erkin Turaev
Ph.D., Tashkent Chemical Technology Institute, Uzbekistan, Tashkent
KhasanBeknazarov
D.Sc., Tashkent Scientific Research Institute of Chemical Technology,
Uzbekistan, Tashkent, Zangiota district
Ulug Akhmedov
D.Sc. professor, General and Inorganic Chemistry Institute,
Uzbekistan, Tashkent
Abdulaxat Djalilov
Sc. academician, Tashkent Scientific Research Institute of Chemical Technology,
Uzbekistan, Tashkent, Zangiota district
АННОТАЦИЯ
Изучено влияние размеров частиц талька на межмолекулярные и межфазные взаимодействия композиционных материалов и на физико-механические свойства полипропилена: модуль упругости, предел текучести, твердость, показатель текучести расплава. Установлено улучшение комплексных свойств полипропилена с уменьшением размера частиц талька.
ABSTRACT
The effect of talc particle size on intermolecular and interfacial interactions of composite materials and on the physic mechanical properties of polypropylene is studied: elastic modulus, yield strength, hardness, melt flow rate. An improvement in the complex properties of polypropylene with a decrease in the size of talc particles was found.
Ключевые слова: полипропилен, тальк, модуль упругости, ударная вязкость по Изоду, температура изгиба под нагрузкой, межфазные взаимодействия.
Библиографическое описание: Влияние размер частиц талька на межфазные взаимодействия композиционных материалов на основе полипропилена // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. Тураев Э.Р. [и др.]. 2018. № 12(54). URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/6670
№ 12 (54)
UNIVERSUM:
ХИМИЯ И БИОЛОГИЯ
декабрь, 2018 г.
Keywords: polypropylene, talc, modulus of elasticity, Izod impact strength, temperature of bending under load, interfacial interactions.
Введение. В настоящее время одним из наиболее эффективных и экономически выгодных способов модификации свойств полипропилена (ММ) является введение в него различных наполнителей органического или неорганического происхождения [5]. Интерес к дисперсным минеральным наполнителям связан прежде всего с тем, что они не только придают определенные свойства исходной полимерной матрице, но и создают наиболее благоприятные условия для переработки. Поэтому поиск эффективных дисперсных наполнителей природного происхождения, имеющих большой сырьевой ресурс, низкую стоимость и доступность, является актуальной задачей на сегодняшний день в производстве полимерно-композиционных материалов.
Необходимость модификации обусловлена тем, что базовый ПП не обладает высокими физико-механическими свойствами и введение талька в полимер приводит к существенным изменениям физико-химических характеристик получаемых композиционных материалов. Многие исследователи в первую очередь связывают это с изменением подвижности макромолекул в граничных слоях, влиянием поверхности наполнителя на характер взаимодействия с полимером [2; 6].
Настоящая работа посвящена изучению влияния размеров частиц талька на межфазные взаимодействия композиционных материалов на основе полипропилена.
Экспериментальная часть. Исследовано влияние модифицирующей добавки на физико-механические свойства базового полипропилена. В качестве наполнителя была выбрана высокодисперсная марка талька (Koch Co Ltd) со средним размером частиц 5, 10, 20 мкм. В качестве полимера был использован сополимер пропилена с этиленом марки J-350 (СП Uz-Kor Gas Chemical). Выбор этой марки обоснован тем, что она, обладая достаточной текучестью, имеет высокие физико-механические свойства.
Результаты и их обсуждение. Для всех композиций с увеличением содержания тальковых минералов характерно повышение жесткости и теплостойкости материала, а также значительное снижение показателя текучести расплава и ударной вязкости как при плюсовой, так и при минусовой температуре. По результатам исследования изменение размера частиц талька сказывается как на реологических, так и на физико-механических и ударно-прочностных свойствах композиций. Чем меньше средний медианный диаметр частиц талька, тем выше показатели жесткости, теплостойкости и стойкости к ударным нагрузкам.
Оценку физико-механических свойств композиций проводили на стандартных образцах, изготовленных литьем под давлением. Результаты испытаний представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Физико-механические свойства композиций талька с полипропиленом
Тальк Содер-е, % масс Показатели
Показатель текучести расплава, г/10мин, при 230°С Модуль при изгибе, МПа Ударная вязкость по Изоду с/н, кДж/м2 при+23°С Ударная вязкость по Изоду с/н, кДж/м2 при-30°С Температура изгиба под нагрузкой при 1,8МПа, °С
ПП J350 0 10 1280 6,5 2,7 45
ТМ размером частиц 5 мкм 10 9 1690 6,1 2,3 52
20 7 1950 5,9 2,1 58
30 6 2200 4,1 1,8 61
ТМ размером частиц 10 мкм 10 9 1570 6,0 1,9 50
20 7 1830 5,5 2,0 58
30 6 2100 4,0 1,6 60
ТМ размером частиц 20 мкм 10 8 1600 6,1 1,8 50
20 6 1900 5,8 1,5 56
30 5 2000 3,9 1,5 60
Полученные данные показывают, что при введении в полимер талька с размером частиц меньше 5 мкм показатели жесткости, теплостойкости и стойкости к ударным нагрузкам на высоком уровне по сравнению с композитами с размером частиц 10 и 20 мкм.
Таким образом, в определении величины физико-механических параметров дисперсно-наполненных полимеров критическую роль играют два конкурирующих фактора, размер исходных частиц и уровень их
агрегации. Стоит отметить, что ударная вязкость при минусовой температуре показывает, что при увеличении концентрации талька до 30% образуется агрегация частиц талька. Увеличение размерности каркаса частиц (агрегатов частиц) наполнителя проводит к росту фрактальной размерности структуры композитов и, следовательно, к снижению ударной вязкости композитов. Одним из методов по-
№ 12 (54)
вышения ударной вязкости является подавление агрегации частиц наполнителя, что применено в нижеуказанных работах [1; 6].
Полученные данные в целом соответствуют литературным данным о характере влияния талька на упруго--прочностные характеристики композиций. Например, с увеличением содержания талька практически линейно повышаются модули упругости, предел прочности и теплостойкость композиций [1]. Показатель текучести расплава определяет условия переработки композитных материалов, в частности температуру расплава и давление формирования. Их изучение позволяет выбрать соответствующий метод и режим переработки. Как показывают результаты исследований, значения показателя текучести расплава с увеличением содержания талька до 10% масс. снижается незначительно, а при концентрации 20% масс. показатель текучести расплава композитов снижается на 20%. Вероятно, это связано с тем, что частицы талька в малых количествах не оказывают пространственно-затормаживающий эффект на текучесть полимеров. А введение минеральных наполнителей выше определенного значения закономерно приводит к повышению вязкости расплава полимерного материала. При испытаниях композиционных материалов, содержащих наполнители, показано, что значительно изменяются деформационные свойства материала и процесс разрушения можно обобщить следующими положениями [3]:
1) Энергия накапливается через деформацию химических связей и через молекулярную ориентацию. Процесс разрушения начинается с образования нестабильных трещин, возникающих в результате преодоления межмолекулярных сил в наиболее слабых доменах в объеме материала (например, в областях со сравнительно малыми молекулярными массами или же в граничных областях с наивысшим уровнем накопленной энергии деформации связей).
2) В тех случаях, когда «эффективная трещина» уже существует в композите (например, в результате присутствия микроскопических включений, слабо связанных с матрицей) или после того как трещина образовалась вновь, разрушение реализуется, если энергия, накопления в вершине трещины, окружающего трещину, вместе с энергий материала, поглощенной материалом при дальнейшей молекулярной ориентации (образование микротрещин и т. п.).
С увеличением содержания талька в составе 1111 практически линейно снижается относительное удлинение при разрыве, так как относительное удлинение при разрыве чувствительно к структурам минеральных наполнителей, которые могут служить центрами образования дефектов во время механического воздействия на них. Прочностные свойства композиционных материалов, наполненных дисперсными частицами талька, зависят от формы и размеров частиц, адгезии и контакта на границе раздела фаз. В результате концентрации напряжений у границы раздела фаз в матрице могут появиться трещины при более низких средних уровнях напряжений, чем в отсутствие наполняющих частиц. Вероятность концентрации напряжений больше в случае присутствия частиц неправильной формы. Кроме
декабрь, 2018 г.
того, на поверхности раздела могут появиться микротрещины из-за неполного «смачивания» таких частиц. Следует отметить, что концентрация напряжений возникает на некотором расстоянии от поверхности талька. Если содержание талька достаточно велико, то уровень напряжений в матрице оказывается выше, чем на поверхности раздела. В этих условиях трещина, возникавшая в матрице при умеренных внешних нагрузках, распространяется в направлении частиц талька. При недостаточной адгезии трещина охватывает всю поверхность талька, что приводит к уменьшению прочности композиционного материала [3].
Добавление талька способствует снижению ударно-прочностных характеристик композиций при плюсовой температуре с тальком на 0, 6, 9% и при минусовой температуре на 7, 15, 22% соответственно при концентрациях наполнителя 5, 10 и 20% масс.
Еще более интересной является зависимость ударной прочности композиции от содержания талька: значения ударной вязкости в испытаниях по ударной вязкости Изод с надрезом для наполненных 5% масс. композиций сохраняется на исходном уровне базового полимера.
Как известно, имеется принципиальная возможность повышения ударно-прочностных свойств полукристаллических термопластов при введении в них жестких наполнителей, таких как тальк. Основным механизмом этого явления считается образование в полимере микропор при отслаивании полимера от поверхности частиц наполнителя под воздействием механического напряжения, которые далее способствуют развитию процессов сдвиговой деформации. Определяющим фактором при этом является размер частиц дисперсного наполнителя - присутствие частиц или их агломератов размером выше критических приводит к образованию пор, способных инициировать рост магистральной трещины. Критическим размер пор считается, если размер их кристаллитов превышает размер кристаллитов самой полимерной матрицы [7].
В целом сам факт сохранения на исходном уровне относительно полипропиленовой основы значений ударной прочности композиций 1111+5% масс. талька свидетельствует о высокой степени диспергирования наполнителя в полимерной массе, дальнейшее повышение концентрации талька не приводит к улучшению ударно-прочностных свойств композитов как при комнатной, так и при минусовой температуре.
Добавление талька положительно влияет на теплостойкость базового полимера. Как видно из данных таблицы 1, теплостойкость ПП компаунда равномерно увеличивается на 7, 16, 29% с увеличением концентрации талька на 5, 10 и 20 масс. % соответственно. По мнению авторов [5], существенные структурные изменения в полимере происходят лишь тогда, когда вводимые твердые частицы достаточно сильно взаимодействуют с ним. При этом обязательным условием является хорошее смачивание наполнителя полимером. Твердый тонкодисперсный наполнитель часто играет роль адсорбента, на поверхности которого адсорбируются молекулы полимера. При этом образуются высокоориентированные адсорбционные слои, способствую-
Аиыг
ЛЛЛ, хим
UNIVERSUM:
ХИМИЯ И БИОЛОГИЯ
№ 12 (54)
UNIVERSUM:
ХИМИЯ И БИОЛОГИЯ
декабрь, 2018 г.
щие повышению механической прочности и теплофи-зической стойкости. Исходя из этого, можно предположить, что частицы талька адсорбируют в себя макромолекулы полипропилена, при высоких значениях температуры конформационным изменениям макромолекулы полимера, что повышает теплостойкость композиционного материла. Также с увеличением концентрации жестких частиц талька на 5, 10, 20% масс. усиливается прямо пропорционально модуль упругости ПП на 18, 32, 52%. На наш взгляд, это связано с тем, что сами частицы талька не чувствительны к температур-
ным и механическим воздействиям при эксплуатационных условиях, и по этой причине частицы талька способствуют повышению теплостойкости и модуля упругости композиций.
С целью выявления причин наблюдаемых нами эффектов было проведено исследование морфологии композитов ПП/тальк с применением метода сканирующей электронной микроскопии. Электронные микрофотографии криогенных сколов образцов композиций и результаты определений размеров частиц отображены на рисунке 1.
Рисунок 1. Микрофотографии поверхности композиций: а - ПП, б - ПП+10% тальк, в - ПП+20% тальк, г - ПП+30% тальк
Вид микрофотографий говорит о том, что в условиях данного эксперимента формируется гомогенная морфология. Отсутствие крупных агломератов частиц талька свидетельствует о гомогенном распределении его в полимерной матрице. Следовательно, наблюдаемые изменения морфологии композиций должны иметь своим следствием повышение их ударно-прочностных свойств. В первую очередь это также проявление «барьерного» эффекта: пластинчатая форма и микронные размеры частиц наполнителя вкупе с высокой степенью диспергирования их в полимере являются ключевыми факторами, обеспечивающими образование достаточного количества «барьеров», препятствующих коалесценции частиц полимером.
Заключение. Таким образом, можно констатировать, что в результате проведенных исследований получены данные, свидетельствующие об эффективной механохимической связи между тальком и полимером. Введение талька в ПП дает возможность расширить области применения базового материала. При этом оптимальный размер частиц составляет 5 микрон при концентрации
10-20 масс.%. Полученные высокие физико-механические показатели свойства композитов показывают более высокий уровень межфазной адгезии между компонентами.
Список литературы:
1. Крыжановский В.К., Бурлов В.В. Технические свойства полимерных материалов. - СПб.: Профессия, 2003. - С. 240.
2. Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполнения полимеров. - М.: Химия, 1991. - С. 245.
3. Маския Л. Добавки для пластических масс. - М.: Химия, 1978. - С. 184.
4. Тагер А.А. Физико-химия полимеров. - М.: Научный мир, 2007. - C. 573.
5. Чвалун С.Н. Полимерные нанокомпозиты // Природа. - 2007. - Вып. 7. - С. 22-30.
6. Шленский О.Ф. Влияние строения и молекулярной подвижности полиолефинов на их термическую стойкость // Пластические массы. - 1999. - Вып. 3. - С. 12-18.
7. Liu L.M., Qi Z.N., Zhu X.G. Studies on nylon-6 clay nanocomposites by melt-intercalation process. J. Appl. Polym. Sci. 1999. Vol. 71. P. 1133-1138.
