CC BY
6Список литературы
1. Машков Ю.К., Овчар З.Н., Байбарацкая М.Ю., Мамаев О.А. Полимерные композиционные материалы в триботехнике. М.: Недра, 2004. 262 с.
2. Авдейчик С. В. Воропаев В.В., Скаскевич А.А., Струк В.А. Машиностроительные фтор-композиты: структура, технология, применение / Под ред. В. А. Струка. Гродно: Гродненский государственный университет им. Янки Купалы, 2012. 339 с.
3. Бейдер Э.Я., Донской А.А., Железина Г.Ф., Кондрашов Э.К., Сытый Ю.В., Сурнин Е.Г. Опыт применения фторполимерных материалов в авиационной технике // Российский химический журнал. 2008. Т. LII, № 3. С. 30-44.
4. Петрова П.Н., Маркова М.А., Федоров А.Л. Высокопрочные фторопластовые композиты с повышенной сопротивляемостью к деформациям под нагрузкой // Перспективные материалы. 2023. № 1. С. 80-88. DOI: 10.30791/1028-978X-2023-1-80-88.
5. Петрова П.Н., Маркова М.А. Влияние технологии пластического деформирования на механические свойства композитов на основе политетрафторэтилена // Перспективные материалы. 2024. № 4. С. 66-76. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-4-66-76.
6. Петрова П. Н., Маркова М. А., Черных В.Д. Исследование свойств композитов на основе политетрафторэтилена и углеродных волокон в зависимости от технологии получения // Материаловедение. 2023. № 3. С. 22-32. DOI: 10.31044/1684-579X-2023-0-3-22-32.
7. Даровских И.А., Лахно А.В., Бобрышев А.Н. Усадочные процессы в наполненных полимерных композитах // Молодой ученый. 2015. № 8(88). С. 232-235.
УДК 621.921:678.742.21:677.494.742.2 DOI 10.24412/cl-37255 -2024-1 -222-224
АБРАЗИВОСТОЙКИЕ КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ И УГЛЕРОДНЫХ НАНОВОЛОКОН
Петухова Е.С.1, Афонникова С.Д.2, Аргунова А.Г.1, Федоров А.Л.1, Слепцов В.В.1, Потылицына С.Д.2, Бауман Ю.И2, Мишаков И.В2, Ведягин А.А2 1 Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», обособленное подразделение Институт проблем нефти и газа СО РАН, г. Якутск 2Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Федеральный исследовательский центр «Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук»,
г. Новосибирск E-mail: [email protected]
Аннотация. В статье изложены результаты исследования полиэтиленовых композиционных материалов, содержащих в качестве наполнителя углеродные нановолокна (УНВ), синтезированные методом каталитического разложения из этилена на Ni/Cu катализаторах. Показано, что композиты, содержащие УНВ, продолжительность синтеза которых составляла 20 и 40 мин, в количестве 0,5-1,0 мас. %, характеризуются более высоким уровнем физико-механических свойств и высокой аб-разивостойкостью.
Ключевые слова: полиэтилен низкого давления, углеродные нановолокна, абразивная стойкость, физико-механические характеристики, показатель текучести расплава.
В рамках выполнения проекта НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики» одним из направлений являлась разработка способа получения водорода путем каталитического разложения углеводородного сырья на водород и другие продукты. Одним из продуктов такого синтеза являлись углеродные нановолокна (УНВ), текстурные характеристики которых определялись составом углеводородного сырья и каталитической системы, температурой и продолжительностью процесса синтеза. УНВ нашли широкое применение в области создания полимерных композиционных материалов с новыми функциональными свойствами - высокой тепловодностью, электропроводящими свойствами, износостойкостью и пр. В данной работе
УНВ применялись для разработки полиэтиленовых абразивостойких композитов, используемых в изготовлении труб для транспортировки сред, содержащих абразивные частицы (пульпопроводы, канализация и пр.).
В качестве полимерной матрицы использовали широко распространенный в Российской Федерации полиэтилен низкого давления (ПЭНД) марки ПЭ2НТ11 (ПАО «Казаньоргсинтез»). Применявшиеся в работе УНВ синтезированы из этилена при температуре 550°С, на Ni/Cu катализаторах, продолжительность синтеза составляла 20, 40 и 60 минут. Удельная поверхность УНВ составляла -160 см3/г, объем пор 0,15-0,16 см3/г. На рисунке 1 представлены растровые электронные микрофотографии УНВ, продолжительность синтеза которых составляла 20, 40 и 60 минут.
Рисунок 1 - Растровые электронные микрофотографии (электронный микроскоп JSM-6460, "JEOL", Япония) УНВ с различной продолжительностью синтеза: а) 20 мин; б) 40 мин; в) 60 мин
Видно (рисунок 1), что диаметр данных волокон не превышает 1 мкм. При этом, увеличение продолжительности синтеза с 20 до 60 мин приводит к формированию статистически более длинных и тонких УНВ. Полученный результат обусловлен более глубоким протеканием процесса углеродной эрозии при более длительном температурном воздействии, что приводит к повторной дезинтеграции частиц катализатора [1], на которых формируются УНВ меньшего диаметра [2].
Для исследования были изготовлены образцы композиционных материалов, содержащих 0,5, 1,0 и 3,0 мас. % различных УНВ. Образцы изготавливали методом экструзии с использование лабораторного пластикордера РЬ2200 фирмы Brabender (Германия). Физико-механические характеристики материалов определяли по ГОСТ 11262-2015 и 9550-81, показатель текучести расплава (ПТР) по ГОСТ 3682-2000, плотность - по ГОСТ 15139-69, абразивную стойкость - по ГОСТ 23509-79.
В таблице 1 представлены результаты исследования физико-механических характеристик разрабатываемых композитов.
Таблица 1 - Физико-механические характеристики полиэтиленовых композитов с УНВ
№ Композит Ор, МПа От, МПа Ер, % Ет, % Е, МПа р, г/см3
1 ПЭ2НТ11 25,3 24,4 616 8,1 1009 0,955
2 +0,5%, УНВ-20 мин 29,2 25,8 668 8,1 1151 0,924
3 +1,0%, УНВ-20 мин 28,4 25,7 654 8,2 1165 0,935
4 +3,0%, УНВ-20 мин 24,3 25,7 471 8,0 1146 0,948
5 +0,5%, УНВ-40 мин 25,0 25,2 592 8,2 1135 0,935
6 +1,0%, УНВ-40 мин 29,0 25,1 666 8,2 1136 0,928
7 +3,0%, УНВ-40 мин 30,6 25,3 693 7,8 1173 0,944
8 +0,5%, УНВ-60 мин 29,6 24,0 706 7,7 1053 0,938
9 +1,0%, УНВ-60 мин 30,6 24,7 715 8,3 1154 0,960
10 +3,0%, УНВ-60 мин 31,5 27,0 674 8,2 1218 0,944
Примечание: ар - прочность при разрыве; ат - предел текучести; ер - удлинение при разрыве; £р - удлинение при пределе текучести; Е - модуль упругости; р - плотность.
Установлено, что плотность композитов несколько ниже плотности базовой марки ПЭНД, что может свидетельствовать о более низкой плотности УНВ по сравнению с ПЭНД.
Выявлено, что введение УНВ в полимер обеспечивает возрастание прочности при разрыве до 24%, предела текучести - до 10%, модуля упругости - до 20%. Удлинение при разрыве и при пределе текучести остаются на уровне базового ПЭНД.
Исследование ПТР композитов, характеризующего технологические свойства, показало, что вязкость наполненных материалов имеет тенденцию к снижению, и составляет 0,14-0,18 г/10 мин при нагрузке 5 кгс, что не окажет влияние на технологические параметры переработки материала в изделия в соответствии с технологией изготовления изделий из ПЭ2НТ11, ПТР которого составляет 0,19 г/10 мин.
В таблице 2 представлены результаты исследования массового и объемного износа полиэтиленовых композитов, содержащих УНВ. Установлено, что наилучшей стойкостью к абразивному изнашиванию характеризуются материалы, содержащие 0,5-1,0 мас. % УНВ, продолжительность синтеза которых составляла 20 и 40 мин. Износ данных материалов в заданных условиях до 30% ниже износа ненаполненного ПЭ2НТ11. Износ других исследованных материалов сопоставим с ПЭ2НТ11. Причиной полученного результата является то, что при меньшей продолжительности синтеза, УНВ менее спутаны и имеют меньший размер агломератов, и наполнитель более равномерно распределяется в полимерной матрице, обеспечивая формирование мелкосферолитной абразивостойкой надмолекулярной структуры. Тем же объясняется большая абразивостойкость материалов с меньшим наполнением.
Таблица 2 - Массовый и объемный износ полиэтиленовых композитов с УНВ
№ Композит Am, мг Av, мм3
1 ПЭ2НТ11 21,6 22,9
2 +0,5%, УНВ-20 мин 15,8 16,9
3 +1,0%, УНВ-20 мин 16,9 18,2
4 +3,0%, УНВ-20 мин 19,5 20,6
5 +0,5%, УНВ-40 мин 14,5 15,6
6 +1,0%, УНВ-40 мин 14,6 15,6
7 +3,0%, УНВ-40 мин 21,8 23,0
8 +0,5%, УНВ-60 мин 19,8 21,1
9 +1,0%, УНВ-60 мин 20,0 20,8
10 +3,0%, УНВ-60 мин 20,9 22,1
Примечание: Am - массовый износ; Av - объемный износ.
Таким образом, разработаны абразивостойкие полимерные композиционные материалы с использованием УНВ в качестве модифицирующей добавки. На полученные составы получено положительное решение о выдаче патента и опубликована статья [3].
Работа выполнена при финансовой поддержке Центра НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики», с использованием научного оборудования Центра коллективного пользования ФИЦ ЯНЦ СО РАН.
Список литературы
1. Afonnikova S.D., Veselov G.B., Bauman Y.I., Gerasimov E.Y., Shubin Y.V., Mishakov I.V., Vedyagin A.A. Synthesis of Ni-Cu-CNF Composite Materials via Carbon Erosion of Ni-Cu Bulk Alloys Prepared by Mechanochemical Alloying // Journal of Composites Science. 2023. Vol. 7(6). P. 238. DOI: 10.3390/jcs7060238
2. Potylitsyna A.R., Rudneva Y.V., Bauman Y.I., Plyusnin P.E., Stoyanovskii V.O., Gerasimov E.Y., Vedyagin A.A., Shubin Y.V., Mishakov I.V. Efficient Production of Segmented Carbon Nanofibers via Catalytic Decomposition of Trichloroethylene over Ni-W Catalyst // Materials. 2023. Vol. 16. P. 845. DOI: 10.3390/ma16020845
3. Petukhova E.S., Afonnikova S.D., Fedorov A.L., Argunova A.G., Sleptsov V.V., Potylitsyna A.R., Bauman Y.I., Mishakov I.V., Shubin Y.V., Vedyagin A.A. The influence of structure of carbon nanofibers on their interaction with polyethylene matrix // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2024. Vol. 699. P. 134682. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2024.134682
