CC BY
46
УДК 678.6.046
Кладовщикова О.И., Тихонов Н.Н., Жданов И.А., Сутягина А.К., Нахаева А.В.
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА
Кладовщикова Ольга Игоревна, студентка 1 курса аспирантуры кафедры технологии переработки пластмасс, Жданов Игорь Андреевич, студент 1 курса магистратуры кафедры технологии переработки пластмасс, Сутягина Анна Константиновна, студентка 4 курса бакалавриата кафедры технологии переработки пластмасс, e-mail: ann_sutyagina@mail.ru;
Нахаева Анна Владимировна, студентка 4 курса бакалавриата кафедры технологии переработки пластмасс, e-mail: anaxaeva@mail.ru;
Тихонов Николай Николаевич, к.х.н., доцент кафедры технологии переработки пластмасс, e-mail: nik270651@yandex.ru;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева Россия, 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9.
Целью данной работы являлась разработка полимерных композитов на основе полиэтилена высокой плотности и сополимера пропилена с этиленом "Vistаmaxx", а также модифицирование полученных материалов наноразмерными модификаторами. Установлено, что увеличение концентрации "Vistomaxx" в полимерной смеси позволяет получить на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена высокотехнологичные материалы.
Ключевые слова: сверхвысокомолекулярный полиэтилен, полимерные нанокомпозиты, «Vistаmaxx», углеродные нанотрубки.
COMPOSITE MATERIALS BASED ON ULTRA-HIGH-MOLECULAR-WEIGHT POLYETHYLENE
Kladovschikova O.I., Tihonov N.N., Zhdanov I.A., Sutyagina A.K., Nakhaeva A.V. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The aim of this work was to develop polymer composites based on high-density polyethylene, and a copolymer ofpropylene with ethylene "Vistamaxx", as well as modification of the obtained materials by nanoscale modifiers. It is established that the increase in the concentration of "Vistаmaxx" in the polymer mixture allows to obtain on the basis of the nurse-call communications system is a high-tech materials
Keywords: ultrahigh molecular weight polyethylene, polymer nanocomposites, "Vistamaxx", carbon nanotubes.
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 сополимерами на основе этилена и пропилена. Высокая текучесть таких сополимеров и их химическое сродство с базовым полимером дает возможность получать на основе их смесей с СВМПЭ технологичные материалы, способные перерабатываться современными
высокопроизводительными методами экструзии и литья под давлением.
В качестве основных объектов исследований в работе использованы СВМПЭ с молекулярной массой 4,4 млн. и сополимер этилена с пропиленом марки "Vistаmaxx". Сополимер совмещали с СВМПЭ в концентрациях от 0 до 30 масс. %.
Известно, что у СВМПЭ отсутствует текучесть при условиях переработки промышленных
термопластов [2]. Поэтому интерес представляло исследование технологических свойств композитов СВМПЭ -"Vistаmaxx". Оценка технологических свойств проводилась по величине показателя текучести расплава полимерных смесей при температуре 220оС. Сравнительный анализ полученных результатов (рис.1) показывает, что при увеличении содержания сополимера "Vistаmaxx" в составе композита с 10 до 30% показатель текучести расплава (ПТР) увеличивается более чем в 20 раз.
Увеличение температуры в исследуемом интервале 210 - 230оС приводит к резкому увеличению текучести композитных материалов (рис.2).
Влияние "Vistаmaxx" на деформационно-прочностные характеристики полимерных композитов оценивали по изменению их предела текучести, относительного удлинения при растяжении и микротвердости. Результаты исследований показывают, что совмещение "Vistаmaxx" с СВМПЭ в исследуемом интервале концентраций приводит к снижению предела текучести при растяжении и увеличению относительного удлинения при разрыве (рис.3), микротвердость композитов при увеличении содержания модификатора в исследуемом интервале концентраций изменяется незначительно.
5 3,5 я з
6 2 ~ 1,5
0,5 а
С, "'о\ Ыа 1п;1\\
Рис. 1. Зависимость показателя текучести расплава композита от содержания Vistаmaxx при температуре 220°С
г>$ ш ггэ Тем перагуря, °с
Композит С0МПЭ
# Композит С6МПЭ-
• Кцмпо:*ш ГЙМПЭ-
♦ Композит сампз 0,01« ИТ
Рис. 2. Зависимость показателя текучести расплава композитов СВМПЭ - У1«1ашахх (от 10 до 20% У1«1ашахх) от температуры
Рис. 3. Зависимость предела текучести композита от содержания У1«1ашахх
Сравнительный анализ полученных результатов исследования полимерных композитов на основе ПЭВП и У181ашахх показывает, что полученные материалы имеют значительно более высокий комплекс свойств при содержании У181ашахх 10 -15 % по сравнению с СВМПЭ. Дальнейшее увеличение содержания сополимера приводит к ухудшению комплексных показателей композита. Поэтому в настоящей работе для улучшения свойств полученных материалов был использован метод структурной модификации разработанных полимерных композитов наноразмерными углеродными трубками при содержании 0,01% масс.
Наномодификаторы обладают большой площадью поверхности и большой поверхностной энергией, затрудняющей равномерное
распределение их в полимерной матрице. Для того,
Рис. 4. Зависимость относительного удлинения при разрыве композита от содержания У1«1ашахх
чтобы обеспечить эффективность воздействия наномодификаторов на структуру и свойства полимера, в данной работе был разработан специальный метод введения их в композицию.
Сравнительный анализ результатов испытаний показывает, что модификация полимерных композитов СВМПЭ - У^ашахх углеродными нанотрубками в количестве 0,01 масс.% позволяет значительно увеличить их технологические и деформационно-прочностные характеристики
(рис.5).
Структурообразование в смесях полимеров является важным фактором, определяющим их свойства. В данной работе структуру полимерных композитов СВМПЭ - У^ашахх изучали методом ДСК (рис. 6,7,8).
Рис. 5. Номограмма технологических и деформационно-прочностных характеристик наномодифицированного и немодифицированного композита СВМПЭ - У1«1ашахх (20% У1«1ашахх)
ДСК/(мВт7мг)
-3 5 ------------—
О 50 100 150 200 250
Температура F С
Рис. 6. Показания дифференциально-сканирующей калориметрии СВМПЭ
ДС К /(м Вт/мг)
О 50 100 150 200 250
Температура ГС
Рис. 7. Показания дифференциально-сканирующей калориметрии Vistamaxx.
ДСК/(мВт/мг)
Рис. 8. Показания дифференциально-сканирующей калориметрии композита СВМПЭ - Vistamaxx
(20% Vistamaxx)
Анализ полученных результатов показывает, что при модификации СВМПЭ УЫатахх образуется однофазная система. Это позволяет говорить о стабильности эксплуатационных свойств таких материалов.
Выводы
1. Изучены свойства смесей полимеров на основе СВМПЭ - "У^ашахх в интервале концентраций от 0 до 30 масс. % УЫатахх.
2. Установлено, что модификация СВМПЭ сополимером этилена с пропиленом ""У^ашахх" является эффективным методом регулирования всего комплекса технологических и эксплуатационных свойств СВМПЭ.
3. Показано, что модификация смесей ПЭВП-СВМПЭ наноразмерными углеродными трубками позволяет эффективно регулировать структуру и
свойства полимерных композитов на основе СВМПЭ.
4. Разработаны новые полимерные
композиционные материалы на основе смесей СВМПЭ с улучшенными технологическими и эксплуатационными свойствами, способные перерабатываться современными
высокоэффективными методами.
Список литературы
1. / Murtfeldt H. J. Properties of ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) // Eng. Plast. - 1990. VoL 3. № 6. - 407 p.
2. Галибеев С.С., Хайруллин Р.З., Архиреев В. П. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Тенденции и перспективы// Казанский национальный исследовательский технологический университет. -Казань, 2008. - С.50-55.
