CC BY
9
УДК678.742
Кладовщикова О.И., Тихонов Н.Н., Ущеко И.С.
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СОПОЛИМЕРА НА ОСНОВЕ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА
Кладовщикова Ольга Игоревна - аспирант кафедры технологии переработки пластмасс; olklad94@mail.ru.
Тихонов Николай Николаевич - доцент кафедры технологии переработки пластмасс;
Ущеко Илья Сергеевич - магистрант 1-го года обучения кафедры технологии переработки пластмасс;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева»,
Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрены композиционные материалы на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и низкомолекулярного сополимера Vistamaxx 6202 с различным соотношением составляющих. Совмещение СВМПЭ с более низкомолекулярным полимером улучшает текучесть и делает возможной переработку высокопроизводительными методами, используемыми для термопластичных полимеров.
Ключевые слова: СВМПЭ, сополимер, Vistamaxx, композиционные материалы, сверхвысокомолекулярный полиэтилен.
INVESTIGATION OF PROPERTIES OF COPOLYMER BASED ON ULTRA-HIGHT-MOLECULAR WEIGHT POLYETHYLENE
Kladovshchikova O.I., Tihonov N.N., Ushcheko I.S
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article discusses composite materials based on ultra-high molecular weight polyethylene and low molecular weight copolymer Vistamaxx 6202 with different ratios of components. Combining UHMWPE with a lower molecular weight polymer improves flowability and allows processing with the high-performance methods used for thermoplastic polymers.
Key words: UHMWPE, copolymer, Vistamaxx, composite materials, ultra-high molecular weight polyethylene.
Введение
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен
(СВМПЭ) является уникальным и перспективным на сегодняшний день конструкционным материалом. Поскольку СВМПЭ состоит из достаточно длинных макромолекул, то он значительно отличается от полиэтилена высокой плотности очень большим значением молекулярной массы [1]. Как СВМПЭ, так и ПЭНД имеют одинаковую химическую структуру, отличающуюся, прежде всего, молекулярной массой. СВМПЭ имеет молекулярную массу более 1 млн. г/моль, а молекулярная масса ПЭНД составляет от 30000 до 200000 г/моль [2]. Высокая морозостойкость, износостойкость, низкий коэффициент трения, стабильность в агрессивных средах - все эти свойства привлекают особое внимание большого количества исследователей в различных областях промышленности к этому полимеру. СВМПЭ давно известен как перспективный конструкционный полимерный материал [2,3].
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен является универсальным термопластом с необычайно длинными молекулярными цепями, которые служат для более эффективного переноса нагрузки на основную углеродную цепь путем усиления межмолекулярных взаимодействий. В результате чего, СВМПЭ является одним из самых прочных термопластов на рынке, который, к тому же, не имеет запаха и вкуса, нетоксичен и может обеспечить значительную экономию веса и экономических затрат по сравнению с использованием металлов.
Уникальные свойства СВМПЭ позволяют производить изделия на основе этого материала для работы в экстремальных условиях.
Экспериментальная часть
В качестве основных объектов исследований в настоящей работе использованы СВМПЭ с молекулярной массой 4,7 млн г/моль и сополимер пропилена и этилена марки Vistamaxx 6202. Данный сополимер вводили в СВМПЭ в концентрациях от 10 до 30 масс. %. Анализ полученных полимерных смесей проводился на основании сравнения технологических и деформационно -прочностных характеристик получаемых композиционных материалов.
Поскольку СВМПЭ не обладает текучестью при условиях переработки промышленных термопластов, то, в первую очередь, проводилось исследование технологических свойств полимерных композитов СВМПЭ - Vistamaxx на основе оценки величины показателя текучести расплава полимерных смесей. Сравнительный анализ полученных результатов (табл. 1, рис. 1) показывает, что при содержании сополимера Vistamaxx 6202 в композите до 20% значение ПТР не превышает 1 г/10 мин и с увеличением содержания СВМПЭ постепенно снижается. Однако величина ПТР резко повышается и становится больше 4 г/10 мин при содержании Vistamaxx 6202 более 20% в композите СВМПЭ -Vistamaxx. Полученные результаты справедливы во всем исследуемом диапазоне температур (табл. 1).
Таблица 1. Значения показателей текучести расплава композитов
Показатель текучести расплава, г/10 мин
Т, °С 70% СВМПЭ - 80% СВМПЭ - 85% СВМПЭ - 90% СВМПЭ -
30% У181ашахх 20% У181ашахх 15% УЫашахх 10% У181ашахх
210 4,1 0,4 0,3 0,1
215 4,2 0,5 0,4 0,1
220 4,7 0,6 0,4 0,2
230 5,2 0,6 0,5 0,4
Содержание УЫатахх 6202, %
Рис. 1. Зависимость показателя текучести расплава композита от содержания Vistamaxx при различных значениях температуры: 1-210°С, 2-215°С, 3-220оС, 4-230оС
Следовательно, модификация СВМПЭ эластомером Vistamaxx при содержании от 20 масс.% позволяет перерабатывать такие полимерные материалы всеми современными методами переработки: экструзией и литьем под давлением.
Влияние СВМПЭ на деформационно-прочностные характеристики полимерных композитов оценивалось по изменению прочности, относительного удлинения при растяжении и микротвердости (рис. 3-5). Результаты измерений показывают, что введение более 15 масс.% Vistamaxx в СВМПЭ приводит к заметному понижению предела текучести при растяжении. Зависимость относительного удлинения от содержания Vistamaxx в СВМПЭ является экспоненциальной. Относительное удлинение увеличивается с 27% до 72%.
13,5 В 13 0 12,5 1 11 н 11 п 10'5 ф А 10
м о
0
0 5 10 15 20 25 3 С, % Мзгашахх
70 - £ 50 о 30 р = £ 20 10
■
0
0 5 10 15 20 25 3 С. % YiM.mi.iw
Рис. 4. Зависимость относительного удлинения при разрыве композита от содержания Vistamaxx
Микротвердость исследуемых полимерных композитов при увеличении в их составе содержания сополимера Vistamaxx изменяется незначительно (рис. 5).
Рис. 3. Зависимость предела текучести композита от содержания Vistamaxx
Рис. 5. Зависимость твердости композита
СВМПЭ - Vistamaxx от содержания Vistamaxx
Исследования полимерных смесей на основе СВМПЭ и Vistamaxx показывают, что модификация СВМПЭ сополимером пропилена с этиленом наряду с существенным увеличением деформационных характеристик сопровождается некоторым снижением прочности. Однако, благодаря введению высокотекучего эластомера Vistamaxx улучшается текучесть композитов, что позволяет эффективно перерабатывать такие материалы современными методами экструзии и литья под давлением.
Структуру полимерных композитов СВМПЭ -Vistamaxx изучали в работе методом ДСК. Результаты исследований представлены на рисунке 6. Сравнительный анализ диаграмм ДСК композитов показывает, что совмещение СВМПЭ и сополимера пропилена с этиленом приводит к образованию
однофазной системы: образование второй фазы не обнаружено. Сравнительный анализ полученных результатов показывает, что для проведения дальнейших исследований наиболее целесообразно использовать композицию СВМПЭ - Vistamaxx при содержании последнего 20 масс.%.
Рис. 6. Показания дифференциально-сканирующей калориметрии СВМПЭ (!) и композита СВМПЭ -Vistamaxx (20% Vistamaxx) (2) Заключение
По итогам работы показано, что увеличение относительного содержания сополимера Vistamaxx в полимерном композите СВМПЭ - У181ашахх
приводит к увеличению текучести расплава, относительного удлинения при разрыве и сопровождается некоторым снижением прочности при разрыве и микротвердости композитов. Установлено, что оптимальное содержание сополимера пропилена с этиленом Vistamaxx в композите составляет 20 масс.%. На основании полученных результатов сделан вывод, что на основе смесей СВМПЭ - Vistamaxx можно получить композитные материалы целевого назначения с улучшенными деформационно-прочностными и эксплуатационными характеристиками, способные к переработке современными производственными методами переработки термопластов.
Список литературы
1. Андреева И.Н., Веселовская Е.В., Наливайко Е.И. и др. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности.-Л.: Химия, 1982. 80 с.
2. Kurtz S. M., Muratoglu O. K., Evans M., and Edidin A. A. Advances in the processing, sterilization, and crosslinking of ultra-high molecular weight polyethylene for total joint arthroplasty// Biomaterials.1999. 20(18). pp. 1659-1688.
3. Распопов Л. Н., Белов Г. П. // Пластические массы. 2008. № 5. С. 13-19.
