CC BY
17
УДК678.742
Климашева Е.И., Кладовщикова О.И., Тихонов Н.Н., Мусина А.Р.
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБ НА ОСНОВЕ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА
Климашева Екатерина Ивановна, студентка 2 курса магистратуры факультета нефтегазохимии и полимерных материалов; e-mail: black94-08@bk.ru
Кладовщикова Ольга Игоревна, студентка 2 курса магистратуры факультета нефтегазохимии и полимерных материалов; e-mail: olgaviniyard@yandex.ru;
Тихонов Николай Николаевич, к.х.н., доцент кафедры переработки пластмасс; e-mail: nik270651@yandex.ru; Мусина Алина Расимовна, студентка 4 курса факультета нефтегазохимии и полимерных материалов; e-mail: alina.rasimovna@yandex.ru;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия, 125047, Москва, Миусская площадь , д. 9
Целью данной работы являлась разработка полимерных композитов на основе полиэтилена высокой плотности, сверхвысокомолекулярным полиэтиленом, а также модифицирование полученных смесей наноразмерными модификаторами. Установлено, что увеличение концентрации сверхвысокомолекулярного полиэтилена в полимерной смеси снижает коэффициент трения, а модификация смеси полиэтилена высокой плотности-сверхвысокомолекулярного полиэтилена наномодификаторами увеличивает степень кристалличности полимерной композиции.
Ключевые слова: сверхвысокомолекулярный полиэтилен, полимерные нанокомпозиты, полиэтилен высокой плотности.
COMPOSITE MATERIALS BASED ON ULTRA-HIGH-MOLECULAR-WEIGHT POLYETHYLENE FOR PIPES PRODUCTION
Klimasheva E.I., Kladovschikova O.I., Tihonov N.N., Musina A.R. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The aim of this work was the development of polymeric composites on the basis of high density polyethylene, ultra-high molecular-weight polyethylene, as well as modification of the resulting composites with nanoscale modifiers. It was established that that increasing the concentration of UHMWPE in the polymer blend decreases the friction coefficient, and modification of a mixture of UHMWPE and HDPE with nanomodifiers increases the crystallinity of the composition.
Keywords: ultra-high-molecular-weight polyethylene, high density polyethylene, рolymer nanocomposites,
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен
(СВМПЭ) является уникальным полимером, для которого характерна высокая ударная вязкость, высокое сопротивление истиранию и растрескиванию,а также нулевое водопоглощение. Коэффициент трения скольжения СВМПЭ превосходит сталь [1]. Коррозионная стойкость делает его эффективным в сопротивлении износу даже при температурах ниже нуля. Однако его широкое использование в настоящее время ограничено из-за отсутствия эффективных технологий переработки его в изделия. Одним из путей решения этой проблемы является создание полимерных композитов на основе смеси СВМПЭ с другими полимерами, в частности полиэтиленом высокой плотности [2]. Способность полиэтилена перерабатываться всеми доступными методами позволяет получать на основе его смесей с СВМПЭ технологичные материалы с улучшенным комплексом эксплуатационных свойств.
В качестве основных объектов исследований в работе использованы СВМПЭ с молекулярной массой 4,2 млн и ПЭВП марки 273-83. СВМПЭ вводили в полиэтилен высокой плотности в концентрациях от 0 до 30 масс. %.
Известно, что у СВМПЭ отсутствует текучесть при условиях переработки промышленных
термопластов [3]. Поэтому интерес представляло исследование технологических свойств композитов ПЭВП - СВМПЭ. Оценка технологических свойств проводилась по величине показателя текучести расплава полимерных смесей при температуре 230°С. Сравнительный анализ полученных результатов (рис.1) показывает, что при увеличении содержания СВМПЭ в составе композита более 20%, ПТР падает ниже 0,1 г/10 мин. Поэтому увеличение содержания СВМПЭ свыше 30% нецелесообразно, поскольку переработка полимерных материалов с такими реологическими характеристиками сопряжена с высокими энергозатратами.
030
X
а о.»
2 о»
й ™
Ё 0-10
ож
9.®
» 90 «И
С ПЭВП масс, %
Рис.1. Зависимость показателя текучести расплава композита от содержания СВМПЭ.
Влияние СВМПЭ на деформационно-прочностные характеристики полимерных композитов оценивали по изменению предела текучести и относительного удлинения при растяжении. Результаты измерений показывают, что введение СВМПЭ в ПЭВП в исследуемом интервале концентраций не приводит к заметному изменению предела текучести при растяжении. В то время как зависимость относительного удлинения от содержания СВМПЭ в ПЭВП имеет экстремальный характер с максимумом в области 10 масс. % СВМПЭ. Относительное удлинение увеличивается с 200% до 300% (рис.2). Дальнейшее увеличение содержания СВМПЭ приводит к снижению относительного удлинения.
Рис.2. Зависимость деформационно-прочностных характеристик композита от содержания СВМПЭ (а — предел текучести, б — относительное удлинение)
Также было интересно узнать влияние содержания СВМПЭ, характеризующегося низким коэффициентом трения, на коэффициент трения полученных композиций. Трибометрические исследования, проводимые методом абразивного трения (рис.3), показали, что модификация ПЭВП СВМПЭ приводит к значительному снижению коэффициента трения во всем исследуемом диапазоне концентраций СВМПЭ. С увеличением содержания СВМПЭ от 0 до 30 масс. % коэффициент трения уменьшается почти в 3 раза с 0,32 до 0,12.
ПЭВП масс.
Рис.3. Зависимость коэффициента трения композита от содержания СВМПЭ
Сравнительный анализ полученных результатов исследования полимерных смесей на основе ПЭВП и СВМПЭ показывает, что полученные материалы
имеют значительно более высокий комплекс свойств по сравнению с ПЭВП. Однако довольно низкая текучесть таких материалов не позволяет перерабатывать их эффективно современными методами экструзии и литья под давлением. Использование традиционных методов повышения текучести полимеров, таких как пластификация или введение смазок может привести к ухудшению деформационно-прочностных и эксплуатационных характеристик полимерных композитов. Поэтому в настоящей работе для регулирования свойств полученных материалов был использован метод структурной модификации наноразмерными наполнителями различной химической природы и формы. Содержание нанонаполнителя варьировали при проведении исследования от 0 до 0,5 масс. %.
Наномодификаторы обладают большой площадью поверхности и большой поверхностной энергией, затрудняющей равномерное распределение их в полимерной матрице. Для того чтобы обеспечить эффективность воздействия
наномодификаторов на структуру и свойства полимера в данной работе был разработан специальный метод введения их в композицию.
Технологические свойства модифицированных полимерных смесей изучены в работе методом капиллярной вискозиметрии на вискозиметре постоянных давлений ИИРТ-А по величине показателя текучести расплава. Сравнительный анализ результатов исследований, показывает, что зависимость показателя текучести расплава полимерных композитов от содержания органобентонита имеет экстремальный характер с максимумом в области 0,1 масс. % модификатора (рис.4).
Оценка влияния наномодификаторов на деформационно-прочностные свойства полимерных композитов была проведена по результатам испытаний при растяжении по величине предела текучести и относительного удлинения при разрыве. Сравнительный анализ данных показывает, что модификация полимерных композитов ПЭВП-СВМПЭ нанодисперсными наполнителями не оказывает существенного влияния на прочность, но значительно увеличивает относительное удлинение исследуемого полимерного композита при содержании органобентонита 0,1 масс. % от 148 до 311%. Дальнейшее увеличение содержания органобентонита снижает этот показатель.
0,1% 02%. 0,3%. 0,5%.
С органобентонита, масс. % Рис.4. Зависимость показателя текучести расплава композита от содержания органобентонита
Применение СВМПЭ в узлах трения обусловлено прежде всего его низким коэффициентом трения и крайне низкой его истираемостью по сравнению с ПЭВП. Совмещение СВМПЭ с ПЭВП приводит к изменению его фрикционных характеристик. Поэтому в работе было исследовано влияние наномодификаторов на фрикционные свойства изучаемых полимерных композитов. Установлено, что зависимость коэффициента трения полимерного композита (ПК) от содержания наноструктурного наполнителя имеет экстремальный характер с максимумом в области 0.3 масс. %.
Перспективным направлением применения полимерных композитов ПЭВП-СВМПЭ может явиться изготовление труб для перекачки сырой нефти и нефтепродуктов. Однако использование для этих целей как ПЭВП, так и СВМПЭ сопряжено со значительными затратами энергии, поскольку они хорошо смачиваются парафинами. Поэтому представляет интерес оценка влияния состава композиций на смачивание их сырой нефтью. Оценка этого эффекта проводилась по величине угла смачивания нефтью поверхности пластинки из ПК. Результаты исследования представлены на (рис.5).
Из них видно, что увеличение содержания в композиции как СВМПЭ, так и органобентонита приводит к снижению величины угла смачивания, что указывает на изменение поверхностного натяжения нефти на границе раздела с модифицированным ПК.
Структурообразование в смесях полимеров при введении наноразмерных наполнителей является важным фактором, определяющим их влияние на полимеры. В данной работе структурные изменения при модификации полимеров наноразмерными наполнителями изучали методами ДСК и термомеханики. Анализ полученных результатов показывает, что модификация ПК ПЭВП-СВМПЭ органобентонитом приводит к увеличению содержания кристаллической фазы (степени кристалличности), поскольку тепловые эффекты плавления и кристаллизации увеличиваются. Использование в качестве модификатора углеродных нанотрубок, наоборот, приводит к снижению тепловых эффектов плавления и кристаллизации, степень кристалличности уменьшается.
Представляет интерес изменение деформационной теплостойкости изучаемого ПК при его модификации наносистемами. Так, введение в смесь ПЭВП-СВМПЭ 0,3 масс.% органобентонита приводит к уменьшению величины деформации по результатам термомеханических испытаний при температуре 100oC почти в 2,5 раза. Это может свидетельствовать об увеличении деформационной теплостойкости таких материалов, что позволяет рекомендовать их также для изготовления труб, предназначенных для транспортировки горячей воды.
Список литературы
1. Properties of ultra high molecular weight
polyethylene (UHMWPE) / Murtfeldt H. J. // Eng. Plast., 1990. 3. № 6.
2. Галибеев С.С., Хайруллин Р.З., Архиреев В. П., Сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Тенденции и перспективы / Казанский национальный исследовательский технологический университет (Казань), 2008.
3. Нгуен С.Т., Панин C.B., Корниенко Л.А., Антифрикционный материал на основе СВМПЭ при добавлении MoS2 / Национальный исследовательский Томский политехнический университет (Томск), 2014.
Рис.5. Значения смачиваемости композиций в зависимости от содержания: а) СВМПЭ, б) органобентонита
