CC BY
19УДК 691.175.2
Кузнецова И.О.
магистр кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
(Россия, г. Москва)
Савельев А.В.
магистр кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
(Россия, г. Москва)
Нырков Н.П.
магистр кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
(Россия, г. Москва)
Шувалов Д.А.
магистр кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
(Россия, г. Москва)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВТОРИЧНОГО ПОЛИМЕРНОГО СЫРЬЯ В ТЕХНОЛОГИИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Аннотация: в данной статье рассматривается влияние наполнителей и модификаторов на свойства полимерных композиционных материалов, а также восстановление свойств вторичных полимеров путем введения различных добавок.
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы (ПКМ), модификаторы, добавки, вторичные полимеры.
За последние десятилетия полимеры и материалы на их основе получили бурное развитие и заняли важнейшее место в различных областях промышленности: в авиа -космической технике, судостроении и автомобилестроении, энергетике, электронике и др. На основе пластических масс создают композиционные материалы (ПКМ) -многокомпонентные системы, состоящие, из полимерной матрицы и наполнителей, которые сочетают в себе физико-химические свойства полимера и армирующих элементов [1]. ПКМ вызывают большой интерес, благодаря возможности получения материалов с требуемыми свойствами, путем варьирования состава и содержания компонентов [2].
В качестве полимерной матрицы композиционных материалов используют термореактивные и термопластичные полимеры, а так же их смеси. Для придания необходимых свойств материалу- механических, фрикционных, электрических, магнитных и т.д - в состав вводят различные добавки и наполнители [1].
Одними из наиболее важных свойств полимерных композиционных материалов являются механические. С целью увеличения показателей механических свойств перспективной представляется добавка оксида графена. Введение в состав 0,1 мас. % графена уже способствует увеличению жесткости, прочности и модулю упругости более чем на 10%, кроме того, увеличивается срок службы такого материала [3,4]. Самые разнообразные вещества могут выступать в качестве добавок и модификаторов, например, зола состоящая из оксидов 81,Бе,М§ при добавлении в полимерную композицию способствует повышению прочности при растяжении и к ударным нагрузкам [5]. Так же показатели прочности при сжатии, модуля упругости ПКМ можно повысить добавлением каолина, кварцевого песка, наночастиц карбоната кальция [1,6]. Для повышения стойкости материала при растяжении, сжатии и изгибе предложено использовать наночастицы целлюлозы [7,8], наночастицы дисульфида вольфрама [9]. Повысить показатель ударной прочности можно введением в состав сферического кремнезема, при этом наиболее высокие значения данной характеристики наблюдаются при содержании кремнезема порядка 30 мас. % от композиции [10].
Теплопроводность полимерных композиционных материалов можно увеличивать путем добавления в композиции нанотрубок, нитрида бора, карбида бора, кремния, алюминия и их совместных комбинаций [11,12].
Для придания огнестойкости в состав ПКМ вводят антипирены. В качестве таких модификаторов предложено использовать оксид и гидроксид алюминия [13], оксид бора [14], наночастицы меди [15].
Для улучшения показателей электрических свойств ПКМ применяют добавки каолина, графита, порошки металлов (Си, Бе, Ъп, А1), сажа, кварцевая мука [1], графена и оксида графена [16].
Помимо возможности получения материалов с заданными свойствами, технология изготовления полимерных композиционных материалов привлекательна с точки зрения экологической целесообразности как подход к утилизации пластмасс. Вторичные полимеры могут использоваться в качестве полимерной матрицы для композиционных материалов, а путем добавления к ним различных наполнителей и добавок можно восстанавливать их свойства, утраченные в процессе переработки.
Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) является одним из таких полимеров, которые могут вторично использоваться при производстве композитов.
Для снижение хрупкости изделий из вторичного ПЭТФ и придания пластичности предлагается в водить в композицию модифицирующие добавки: полиизобутилен, фторопласт, дисульфид молибдена [17]. При этом КМ получают по следующей технологии: дробление, очистка, смешение, экструзия. Физико-механические испытания показали, что выбранные добавки обеспечивают изделию из вторичного ПЭТФ низкий коэффициент трения (рис.1.) и показания по износостойкости близкие к свойствам КМ не из отходов ПЭТФ. При этом, если готовое изделие должно характеризоваться низким коэффициентом трения, целесообразнее использовать ВПЭТФ с добавкой фторопласта.
Рисунок1 - Зависимость коэффициента трения от нагрузки: 1- образец с полиизобутиленом; 2 - образец с Ф-32Л и полиизобутиленом; 3 - образец с дисульфид молибденом.
В источнике [18] для восстановления эксплуатационных свойств ПЭТФ после переработке предлагается вводить дисперсные (тальк), а так же волокнистые наполнители (стекловолокно).
Экспериментальная часть
На основании литературных данных была проведена серия опытов по созданию ВПЭТФ «легированного» добавками.
255г вторичного ПЭТФ гранулята помещали в реактор объемом 0,5л. После этого температура реактора поднималась до 240-250°С, что вызывало плавление полимера. Температурный режим контролировался термопарой, он не должен превышать 290°С, так как это может вызвать разложение полимера.
Далее в состав вносили разогретые до температуры 200°С компоненты, для создания композитного материала. В первом случае - 85 г мелкодисперсного талька. С последующим перемешиванием смеси при 240°С в течении 5 минут.
Во втором случае - 95г стекловолокна . Для равномерного распределения которого требуется более интенсивное перемешивание при 245°С в течении 10 минут.
Из расплавов методом экструзии были получены образцы заданной длины, ширины и высоты. Для наглядности результатов были взяты образцы из чистого ПЭТФ, ВПЭТФ и ВПЭТФ «легированный» тальком и стекловолокном.
Приготовление методом экструзии образцы чистого состава и образцы, с содержанием наполнителя 25% и 27% соответственно, были подвергнуты испытаниям на универсальной разрывной машине фирмы Hegewald & Peschke с максимальным усилием 50 кН.
Таблица 1 - Эксплуатационные свойства ПЭТФ и наполненных композиций на основе ВПЭТФ
Наименование показателя Первичный ПЭТФ Вторичный ПЭТФ Вторичный ПЭТФ с наполнителем
тальк стекловолокно
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа 37-42 8,9 29,83 76,34
Предел прочности при сжатии, МПа 55-65 22,3 39,19 64,37
Выводы
При данном исследовании показатели модифицированного ВПЭТФ приблизились к значениям первичного ПЭТФ. Из чего можно сделать вывод, что ВПЭТФ можно использовать для получения ПКМ как с дисперсными, так и с волокнистыми наполнителями, при этом последним следует отдавать предпочтение для изготовления изделий с более высокими механическими характеристиками.
Список литературы:
1. Кербер М.Л, Виноградов В.М, Головкин Г. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие // СПб.: ЦОП «Профессия», 2014. а 592.
2. «Композиционные материалы: производство, применение, тенденции рынка». 3-я международная научно-практическая конференция, 25 ноября 2009 г., Москва. - 215 с.
3. Grafting of epoxy chains onto graphene oxide for epoxy composites with improved mechanical and thermal properties / Yan-Jun Wan [et al.]. Carbon. 2014. V. 69. P. 467-480.
4. Impressive Fatigue Life and Fracture Toughness Improvements in Graphene Oxide/Epoxy Composites / Daniel R. Bortz [et al.]. Macromolecules. 2012. V. 45. P. 238245.
5. Manoj Singla and Vikas Chawla. Mechanical Properties of Epoxy Resin - Fly Ash Composite / Journal of Minerals & Materials Characterization & Engineering. 2010. V. 9. №3. P. 199-210.
6. Compressive properties of nano-calcium carbonate/epoxy and its fibre composites / Hongwei He [et al.]. Composites. 2013. V. 45. P. 919-924.
7. Introducing cellulose nanocrystals in sheet molding compounds (SMC) / Amir Asadi [et al.]. Composites. 2016. V. 88. P. 206-215.
8. Lightweight sheet molding compound (SMC) composites containing cellulose nanocrystals / Amir Asadi [et al.]. Composite Structures. 2017. V. 160. P. 211-219.
9. Non-covalently functionalized tungsten disulfide nanosheets for enhanced mechanical and thermal properties of epoxy nanocomposites / Megha Sahu [et al.]. ACS applied materials & interfaces. 2017. V. 6.
10. Effects of Spherical Silica on the Properties of an Epoxy Resin System / Hong-Yun Jin [et al.]. Journal of Applied Polymer Science. 2011. V. 121. P. 648-653.
11. Николаева Е.А, Тимофеев А.Н, Михайловский К.В. Способы повышения коэффициентов теплопроводности полимеров и полимерных композиционных материалов // Информационно-технологический вестник. 2018. №1. С. 156-168.
12. Fabrication and characterization of aluminum nitride polymer matrix composites with high thermal conductivity and low dielectric constant for electronic
Packaging / Yongcun Zhou [et al.]. Materials Science and Engineering. 2012. V. P. 892-896.
13. Fire Retardancy of Aluminum Hydroxide Reinforced Flame Retardant Modifi ed Epoxy Resin Compositel / Muhammad Ahsan Iqbal [et al.]. Russian Journal of Applied Chemistry. 2018. V. 91. № 4. P. 680-686.
14. Comparative study of boron compounds and aluminum trihydroxide as flame retardant additives in epoxy resin / Saban Murat Unlu [et al.]. Polym. Adv. Technol. 2014. V. 25. P. 769-776.
15. Бахтина Г.Д, Кочнов А.Б, Новаков И. А. Связующие на основе винилэфирных смол. Свойства, применение. Снижение горючести // Пластические массы. 2016. №3-4. С. 18-25.
16. A novel approach to enhance the thermal conductivity of epoxy nanocomposites using graphene core-shell additives // Osman Eksik [et al.]. Carbon. 2016. V. 101. P. 239244.
17. Данюшина Г.А, Стрельников В.В, Шишка Н.В. Способ химической переработки полиэтилентерефталата // Инженерный вестник Дона. 2017. №2.
18. Евменов С.Д, Силинина Е.Б, Смирнов А.В. Исследование процесса получения вторичного полиэтилентерефталата и композиционных материалов на его основе // Вестник кузбасского государственного технического университета. 2004. №5. С. 6265.
