CC BY
12
УДК 678.5.046
Яковлева К.А., Ней Зо Лин, Кравченко Т.П., Машкова С.С., Осипчик В.С.
КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО АРМИРОВАННОГО ПОЛИЭТИЛЕНА
Яковлева Ксения Андреевна, студентка бакалавриата 2 курса кафедры технологии переработки пластмасс; Ней Зо Лин, выпускник кафедры технологии переработки пластмасс;
Кравченко Татьяна Петровна, к.т.н., с.н.с., главный специалист кафедры технологии переработки пластмасс, e-mail: kravchenkopolimer@gmail.com;
Машкова Сабина Сабировна, студентка бакалавриата 2 курса кафедры технологии переработки пластмасс; Осипчик Владимир Семенович, д.т.н., профессор кафедры технологии переработки пластмасс; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; Россия, 125047, Москва, Миусская пл., д. 9.
Разработана технология получения материалов на основе базальтовой и углеродной тканей с использованием нанодобавок на основе полиэтилена высокой плотности, изучены их физико-механические и деформационные характеристики. Показано влияние введения нанодобавок в армированные материалы на трещиностойкость разработанных композитов.
Ключевые слова: полимерные нанокомпозиты, полиэтилен, нанодобавки, трещиностойкость.
NANOCOMPOSITES BASED ON MODIFIED REINFORCED POLYETHYLENE
Yakovleva K.A., Neo Zo Lin, Kravchenko T.P., Mashkova S.S., Osipchik V.S. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The technology of getting materials on the basis of basaltic and carbonic material with help of nanoadditions based on high density polyethylene was discovered, their physical- mechanical and deformation characteristics were studied. The influence of injection of nanoadditions into reinforced materials on fracture strength of developed composite was shown.
Keywords: polymer nanocomposites, polyethylene, nanoadditions, strength.
Благодаря своей универсальности и низкой стоимости, а также относительной безопасности для окружающей среды полиолефины относятся к наиболее широко используемой группе термопластов. Несмотря на то, что они характеризуются высокой конкурентоспособностью по сравнению с большинством типовых конструкционных пластмасс, подобные полимеры всё же обладают довольно плохой адгезией и низкой прочностью. Ключевым методом при производстве композитов на основе полиолефинов является введение добавок, улучшающих совместимость фаз[1]. Основным фактором при получении таких материалов является обеспечение равномерного распределения частиц, в том числе и наноразмерных. Механизм действия добавок, вводимых для улучшения совместимости фаз, основан на физическом взаимодействии или на образовании химических связей на границе раздела, за счёт регулирования которой удаётся получать готовый композит с необходимыми, заранее заданными свойствами. В последние годы внимание исследователей привлекли наполнители
нанометрового диапазона. Это связано с сильно развитой удельной площадью поверхности наночастиц, что улучшает их взаимодействие на границе раздела фаз с матрицей [2]. Введение углеродных нанодобавок не всегда даёт положительный результат, очень важно подобрать тип нанонаполнителя с высокой удельной
поверхностью и определенной протяженностью графитовых плоскостей.
Армирование полимерных труб
высокопрочными материалами на сегодняшний день является самым эффективным способом увеличения прочности и, следовательно, максимального рабочего давления в трубе при существенном снижении материалоемкости и стоимости труб без потери их эксплуатационных характеристик^].
Создание армированных материалов на основе полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) является сложной задачей, связанной с высокой вязкостью, инертностью полиэтилена, низкими адгезионными характеристиками и, как следствие, невысокими физико-механическими свойствами, что создает большие технологические сложности при их получении и переработке. В настоящее время перспективным направлением получения
композиционных материалов является совместное введение армирующих волокон и нанодобавок.
Нами разработана технология получения материалов на основе базальтовой и углеродной тканей (полученных прессованием) с использованием нанодобавок на основе полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) класса 100 и были изучены их физико-механические и
деформационные характеристики.
В качестве наполнителей применяли углеродные нанотрубки (УНТ) с удельной поверхностью 1308 и 277 и 500 м2/г, нановолокна (УНВ) с Sуд = 24 м2/г в количестве 0,1 масс. %, а также фуллерен в
количестве 0,5 масс. % (удельная поверхность 48 м2/г). Концентрация нанодобавок была выбрана на основании предыдущих исследований [4,5]. Для сравнения в качестве наполнителя использовался концентрат сажи, т.к. для повышения светостойкости полимерных труб из полиэтиленов в них вводят сажу в количестве 2 масс. % [6].
На основании проведенных исследований было определено, что чем больше толщина пропитанного БЗ тканью композита, тем выше деформационные свойства, при этом разрушающее напряжение при растяжении проходит через максимум для композита с толщиной 1,1 мм. Соотношение ПЭВП и ткани составляло 60: 40 и 80:20 (масс.%).
При армировании ПЭВП базальтовой тканью обнаружено повышение прочности при растяжении композита, которая увеличивается с 50 МПа для исходного до 65 и 61 МПа для композитов с нанотрубками с разной удельной поверхностью: УНТ1308 и УНТ277 соответственно.
Из полученных кривых деформационно-прочностных свойств армированных материалов на основе ПЭВП при введении нановолокон и нанотрубок с разной удельной поверхностью выявлено, что введение нанодобавок при армировании БЗ тканью позволяет увеличить прочность при растяжении композитов приблизительно на 40% по сравнению с исходным ПЭВП. Введение нановолокон в композит приводит к повышению прочности на 22%.
При введении добавок фуллерена в армированные материалы прочностные свойства существенно возрастают по сравнению с исходными армированными композитами (степень наполнения от 0,1 до 0,5 масс.%). По сравнению с нанотрубками введение фуллерена увеличивает свойства композитов в меньшей степени. Однако, наполнение фуллереном эффективнее, чем нановолокном (прочность при растяжении 63 МПа для композитов с фуллереном и 58 МПа для композитов с нановолокнами).
На рисунке 1 показано сравнение свойств композитов на основе нанонаполненного и модифицированного ПЭВП, армированных базальтовой и углеродной тканями, с использованием ультразвука. Хотя разница в деформации композитов существенная (для композитов на основе базальтовой ткани-102%, на основе углеродной ткани - 200%), их прочность при растяжении практически не отличаются (около 80 МПа).
0
§ -ПЭ мод+УНТ-
0,1мас%(уз)+УГтка нь
0
■ _L
0 50 100 150 е, %200
Рис.1. Прочность при растяжении нанокомпозитов на основе полиэтилена, армированного базальтовой и углеродной тканью
Прочностные свойства углеродной ткани выше базальтовой, однако, композиты на основе углеродной ткани имеют более низкие прочностные свойства даже при введении нанотрубок. Использование ультразвукового введения модификатора и нанодобавок позволило улучшить деформационно-прочностные свойства
армированного углеродной тканью композита за счет его лучшей пропитки.
В качестве альтернативы стекловолокну и углеродному волокну в работе при армировании предпочтение отдано базальтовому волокну, сочетающему высокие физико-механические свойства, доступность и низкую себестоимость [7]. В таблице 1 показаны деформационно-прочностные свойства нанокомпозитов на основе полиэтилена и базальтовой ткани.
Таблица 1. Деформационно-прочностные свойства нанокомпозитов на основе полиэтилена и базальтовой ткани
Композиционные материалы о, МПа е,%
ПЭВП +БЗ ткань 50 68
ПЭВП +УНТ1ЗО8-0,1%+БЗ ткань 65 100
ПЭВП +УНТ277-0,1%+БЗ ткань 61 176
ПЭВП +УНВ-0,1 %+БЗ ткань 58 112
ПЭВПмод.+УНТ1зо8-0,1%+БЗ ткань 70 140
ПЭВП +фуллер.0,5%+БЗ ткань 63 107
ПЭВПмод.+фуллер.0,5%+БЗ ткань 65 163
ПЭВП +сажа-2%+БЗ ткань 48 103
Установлено, что введение нанотрубок и фуллерена в армированные базальтовой тканью композиты на основе ПЭВП позволяет существенно увеличить их деформационно-прочностные свойства. Введение модифицирующих добавок, в частности Лапроксида, в композиты несколько снижает прочность при растяжении, но приводит к увеличению деформации. Как установлено введение сажи не эффективно для повышения свойств армированных композиционных материалов.
Одним из основных свойств, которое необходимо оценивать для ПЭВП, используемого, в частности, для производства труб, является стойкость к трещинообразованию[8]. Определение стойкости к растрескиванию под действием внешней среды полиолефинов представляет собой оценку внутренних трещин в матрице полимера, которые появляются за счёт растягивающих напряжений. Эти трещины, как правило, начинаются с микроскопических дефектов и распространяются в кристаллических областях полимерной структуры. Образцы вырезались из формованной пластинки размером 10x25x100 мм. Делали один надрез в испытуемом образце, который действует в качестве начала зарождения трещины. Были использованы два метода оценки стойкости к
трещиноообразованию: 1 - определение деформации образцов, при которой фиксируется начало образования трещины, при постоянном напряжении и температуре 80°С; 2 - определение размеров трещин на поверхности образца, находящегося в специальной форме под действием температуры 80° С. Как видно из рисунка 2, за 240 часов испытания исходный армированный композит деформируется приблизительно на 8 % с образованием более глубокой трещины, чем нанокомпозиты на основе тканей, которые деформируются только на 3 %.
Из рисунке 3 а и б видно, что образование трещины на поверхности образца происходит с большей скоростью в композите без нанодобавки.
10 ^
1
8 § я
6 § .........
2
^ 3 2 ^ ____'
4 &
0
0 48 96 144
.........1-ПЭВП+БЗ ткань
_Время, час
192 240
-----2-ПЭВП+УНТ 1308-0,1 %+БЗ ткань
- • - 3-ПЭВП+УНТ1308-0,1%+УГ ткань
Рис. 2. Зависимость деформации от времени при постоянной нагрузке армированных нанокомпозитов на основе ПЭВП
а б
Рис. 3. Микрофотографии образования трещины в композите ПЭВП + БЗ (а) и ПЭВП + УНТ1308 + БЗ (б) (250x)
Таким образом, показана возможность совместного наполнения углеродными
нанодобавками и армирования базальтовым волокном модифицированной полиэтиленовой матрицы для увеличения деформационно-прочностных показателей и стойкости к растрескиванию.
Список литературы
1. Композиты на основе полиолефинов / пер с англ. под.ред. Нвабунма Д., Кю Т. СПб.: Научные основы и технологии, 2014. - 744 с.
2.Раков Э. Г. Нанотрубки и фуллерены: учебное пособие. М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2006. -376 с.
3.Гвоздев И. В., Шаляпин С. В., Самойлов С. В. Армированные трубы с повышенной теплостойкостью Полимерные трубы . - 2011 . - № 2(32) . - С. 50-55.
4.Анпилогова В.С., Ней Зо Лин, Кравченко Т.П. Реологические и физико-механические характеристики нанокомпозитов полиэтилена низкого давления // Пластические массы. - 2017. -№ 3-4. - С. 19-22.
5.Диканова Н.С., Мацеевич А.В., Коврига О.В. и др. Исследование предельных механических свойств нанокомпозитов на основе ПЭНД // Пластические массы. - 2016. - № 11-12. - С. 33-36.
6.Григоров А. Черная палитра рынка концентратов // Пластик. Наполнители и добавки. - 2012. - № 11 (117). - С. 22-26.
7.Кравченко Т.П., Горбунова И.Ю., Осипчик В.С., Костягина В.А. Технология получения композитных материалов на основе армированных полимеров//Учебн.пособие. М.: РХТУ им.Д. И. Менделеева, 2013.- 80 с.
8.Гузенкова А. С., Иванов С. С., Гузенков С. А. Трещиностойкость напряженного полиэтилена в водном растворе ПАВ. Технол. мет . - 2014 . - № 6 . - С. 28-30.
