CC BY
36
УДК 678.5.046
Н. С. Диканова*, А. А. Аскадский, Т. П. Кравченко, В. М. Кропачев Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125190, Москва, Миусская площадь, д. 9 * e-mail: greatcerber95@mail.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ НАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНА
Изучены деформационные свойства композиционных материалов на основе полиэтилена и нанодобавок, в качестве которых использованы многослойные нанотрубки и нановолокна. Показано, что образцы нанокомпозитов обладают существенно большим модулем упругости, чем исходный ПЭНД. В ряде случаев различие составляет более 100%. Предел вынужденной эластичности при сжатии для нанонаполненных материалов возрастает на величину от 20 до 50 % в зависимости от вида и концентрации наполнителя.
Ключевые слова: полиэтилен, нанонаполнители, кривые сжатия, модуль упругости, предел вынужденной эластичности.
Полиэтилен (ПЭ), благодаря сочетанию комплекса ценных свойств с довольно низкой стоимостью, является наиболее широко используемым в настоящее время полимерным материалом общетехнического назначения. Однако, для ответственных изделий, работающих под нагрузкой (напорные трубы, фитинги и т.д.), очень важна высокая жесткость и формоустойчивость материала, которую могут обеспечить далеко не все марки ПЭ.
Повышение жесткости полиэтилена можно достичь путем наполнения его армирующими частицами (в том числе и наноразмерными) при изготовлении композиционных материалов [1].
Одним из наиболее актуальных направлений при исследовании деформационных свойств композитов на основе ПЭ является изучение влияния нанодобавок на прочность и модуль упругости полимерного материала. Модуль упругости Е, выражающийся отношением напряжения о, приложенного к образцу, к деформации е, вызванной этим напряжением, является общепринятой упругой константой, характеризующей жесткость полимера. Чем выше модуль упругости материала, тем более жестким он является [2].
Например, в работе [3] отмечено, что введение углеродных нанотрубок (до 8 мас.%) в ПЭ способствует двукратному увеличению модуля упругости, по сравнению с матричным полимером. Кроме того, наблюдается увеличение значения прочности при растяжении примерно на 20%. Другие авторы [4] приводят данные об увеличении модуля упругости ПЭНД при наполнении углеродными нанотрубками при массовом содержании последних, не превышающем 1 мас.%.
Численные значения модуля упругости для полимерных материалов могут быть получены в процессе исследования различных деформационных процессов: растяжения, сдвига, сжатия и т.д. [2].
В ходе данной работы на приборе для микромеханических испытаний конструкции Дубова
- Регеля в режиме одноосного сжатия на образцах размером 4*4*6 мм была получена серия кривых сжатия различных нанокомпозитов. Испытания проводились при комнатной температуре со скоростью деформации 0,178 мм/мин.
В качестве основного объекта исследования выступал ПЭ низкого давления (ПЭНД), получаемый газофазным методом, марки ПЭНД 273
- 83, основной областью применения которого является производство напорных труб и соединительных деталей.
Для наполнения исходного полиэтилена использовали три вида наноразмерных углеродных наполнителей: углеродные нанотрубки (УНТ), получаемые на катализаторе Со+Мо/М§0 с процентным содержанием Со+Мо 0,5 и 5% и удельной поверхностью 1308 (УНТ1) и 277 (УНТ2) м2/г соответственно; а также углеродные нановолокна (УНВ), полученные на никелевом катализаторе, с удельной поверхностью 24 м2/г. Степень наполнения исходного полиэтилена варьировали от 0,05 до 0,2 мас.%. Композиционные материалы на основе ПЭ и нанонаполнителей были получены на двушнековом экструдере, с предварительным смешением полимера и наполнителя в специальном смесителе с использованием ультразвукового воздействия.
В ходе проведенных испытаний по измеренным кривым сжатия для всех образцов были определены модуль упругости Е и предел вынужденной эластичности <зу. Результаты измерений и расчетов приведены в таблице 1. Из таблицы видно, что наиболее низким модулем упругости обладают образцы исходного ПЭ, не содержащего наполнителей (310 МПа) . Наибольшим модулем упругости обладает образец ПЭ, наполненный 0,1 мас.% УНТь Модуль упругости данного образца равен 685 МПа. Несколько меньшими модулями обладают образцы, наполненные УНТ2 и УНВ (содержание наполнителя в обоих случаях также составляет 0,1 мас.%).
Таким образом, во всех случаях образцы нанокомпозитов, наполненных нанотрубками и нановолокнами, обладают существенно большим модулем упругости, чем исходный ПЭНД. В ряде случаев различие составляет более 100%. Предел вынужденной эластичности при сжатии для нанонаполненных материалов возрастает на величину от 20 до 50% в зависимости от вида и концентрации наполнителя.
Подобный эффект увеличения жесткости полиэтиленовой матрицы при введении углеродных нанонаполнителей можно объяснить с нескольких различных позиций. Во-первых, это может быть связано с явлением наноадгезии, которое заключается в резком увеличении межфазной адгезии при введении УНТ и УНВ, которые значительно увеличивают площадь контакта полимер-наполнитель благодаря большой удельной поверхности наночастиц [4]. Кроме того, некоторые авторы [5] предполагают возможность адсорбционного взаимодействия наночастиц с полиэтиленом, что объясняет эффект упрочнения и увеличения жесткости нанокомпозитов по сравнению с исходным полимером.
Таблица 1. Значения модуля упругости и предела вынужденной эластичности для исследованных партий материала_
Образец Модуль Предел
упругости Е, МПа вынужденной эластичности Оу, МПа
ПЭ 310 20
ПЭ +УНТ: 0,05% 536 24
ПЭ +УНТ: 0,1% 685 27
ПЭ +УНТ: 0,2% 522 30
ПЭ +УНТ2 0,05% 493 23
ПЭ +УНТ2 0,1% 613 24
ПЭ +УНТ2 0,2% 504 26
ПЭ +УНВ 0,05% 520 23
ПЭ +УНВ 0,1% 639 25
ПЭ +УНВ 0,2% 618 26
Следует отметить, что зависимость модуля упругости от степени наполнения материала для всех видов наночастиц имеет экстремальный характер (рис. 2): наибольшей жесткостью обладают композиты, содержащие 0,1 мас.% наполнителя. Ухудшение упругих характеристик при повышении степени наполнения, скорее всего, связано с образованием агломератов наночастиц, что объясняется трудностью диспергирования больших количеств нанонаполнителя в ПЭ. При этом, однако, зависимость предела вынужденной эластичности при сжатии от массового содержания наночастиц является возрастающей зависимостью, но она
заметно увеличивается с ростом содержания наполнителя от 0 до 0,1 мас.%, а потом увеличивается очень слабо (рис.3).
Содержание наполнителя. %мас.
Рпс.1. Зависимость модуля упругости при сжатии от содержания наполнителя: 1 - ПЭ + УНТ2 0,1%;
2 - ПЭ + УНВ 0,1%; 3 - ПЭ + УНТ1 0,1%
Кроме того, приведенные графические зависимости позволяют отметить, что исследованные характеристики нанонаполненного ПЭ достигают максимального значения при использовании в качестве наполнителя УНТ1, имеющих удельную поверхность в несколько раз большую, чем УНТ2 и УНВ.
Таким образом, введение углеродных наночастиц в ПЭ позволяет значительно повысить модуль упругости и предел вынужденной эластичности по сравнению с исходным ПЭ. При этом наибольшей жесткостью обладают материалы, содержащие 0,1 мас.% наполнителя.
Содержание наполнителя, % мае. Рис.2. Зависимость предела вынужденной эластичности
при сжатии от содержания наполнителя: 1 - ПЭ + УНТ2 0,1%; 2 - ПЭ + УНВ 0,1%; 3 - ПЭ + УНТ1 0,1%
Также отмечено, что углеродные нанотрубки, характеризующиеся наибольшей удельной поверхностью (УНТ1), в большей мере влияют на свойства полиэтилена, чем УНТ2 и УНВ.
Диканова Наталья Сергеевна, студентка 4 курса кафедры технологии переработки пластмасс РХТУим. Д. И.Менделеева, Россия, Москва.
Аскадский Андрей Александрович, д.х.н., заведующий лабораторией полимерных материалов ИНЭОС РАН, Россия, Москва.
Кравченко Татьяна Петровна, к.т.н., в.н.с. кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И.Менделеева, Россия, Москва.
Кропачев Владислав Михайлович, студент 4 курса кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И.Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Д. Нвабунма, Т. Кю. перевод с англ. Композиты на основе полиолефинов, СПб.: Научные основы и технологии, 2014. - 744с.
2. Шевченко А. А. Физикохимия и механика композиционных материалов: учеб. для вузов, СПб.: ЦОБ "Профессия", 2010. - 224 с.
3. Ларионов С. А., Деев И. С., Петрова Г. Н., Бейдер Э. Я. Влияние углеродных наполнителей на электрофизические, механические и реологические свойства полиэтилена//Труды ВИАМ.2013. № 9. С. 38
- 44.
4. Томишко М. М., Демичева О. В., Данилов В. Д., Покровский Е. М., Скородумов В. Ф. Физико -механические свойства полимеров с многостенными углеродными нанотрубками//Научная сессия МИФИ
- 2007. 2007. № 9. С. 195 - 196.
5. Крутояров А. А., Запороцкова И. В., Крутоярова Н. В. Исследование взаимодействия некоторых полимеров и углеродных нанотруб//Вестник ВолГУ. 2011. № 5. С.152 - 158.
Dikanova Natalya Sergeevna*, Askadskii Andrey Aleksandrovich, Kravchenko Tatyana Petrovna Kropachev Vladislav Mikhajlovich
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: greatcerber95@mail.ru
INVESTIGATION OF DEFORMATION PRORERTIES OF NANOCOMPOSITES BASED ON POLYETHYLENE
Abstract
The deformation properties of composite materials based on polyethylene and nano-additives, which are mainly multiwalled nanotubes and nanofibers have been studied. It is shown that the samples nanocomposites have significantly high modulus of elasticity than the original HDPE. In some cases, the difference is more than 100%. The value of yield strength under compression for nano-filled materials increases by 20 to 50% depending on the type and concentration of filler.
Key words: polyethylene, nanocomposites, compression curve, modulus of elasticity, yield strength.
