CC BY
23УДК 678.742
МОДИФИКАЦИЯ ПОЛИЭТИЛЕНА УГЛЕРОДНЫМИ
НАНОЧАСТИЦАМИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ПЛЕНОК
М.И. Ананьев, Е.А. Новиковский
В статье рассмотрен способ модификации полиэтилена углеродными наночастицами. Разработана композиция, обладающая повышенными прочностными свойствами для производства многослойных полимерных пленок. Произведен сравнительный анализ предела прочности и деформации на растяжение, сопротивления на раздир.
Ключевые слова: модификация, прочность на раздир, прочность на растяжение.
ВВЕДЕНИЕ
Преимуществом многослойных пленок является разнообразие физико-механических характеристик, которые можно придать им в процессе изготовления. В структуре пленок можно комбинировать разные по свойствам и толщине слои полимеров, менять их порядок и расположение, модифицировать отдельные слои специальными добавками, варьировать общую толщину. Таким образом, можно получать пленки с заранее требуемым уровнем свойств [1-3].
Для изготовления многослойных полимерных плёнок используют, в основном, полиэтилен высокой плотности (НОРЕ, ПЭНД -низкого давления). Это обусловлено тем, что пленки на его основе обладают низкой влаго-проницаемостью, хемостойкостью, высокой прочностью при растяжении (по сравнению с ПЭВД, ЮРЕ), что обуславливает эффективность их применения в качестве укрывного материала агропромышленного назначения. Однако, при получении пленки, линейные макромолекулы ПЭНД стремятся ориентироваться в направлении течения, что приводит к снижению сопротивления на раздир в продольном направлении.
Для получения полимерных материалов с улучшенными свойствами широко используют модификацию промышленных полимеров. На практике значительное распространение получило введение малых количеств полимерных и/или дисперсных добавок (тальк, каолин, аэросил и др.). При этом, наблюдается комплексное воздействие добавок на структуру и свойства полимеров.
Проведенные исследования [4-6] показывают, что при введении малых количеств наномодификаторов в полимеры повышаются физико-механические свойства материала,
увеличивается долговечность, за счет повышения вязкости разрушения материала.
С целью повышения прочности трехслойных пленок на раздир в продольном направлении, на растяжение в продольном и поперечном направлениях, исследована возможность модификации среднего слоя трехслойных промышленных пленок толщиной 0,16 мм на основе полиэтилена марки 21008075 (ГОСТ 16338-85) углеродными наночастицами (УДА).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве модификатора среднего слоя пленки использовали порошок ультрадисперсного алмаза (УДА), который смешивали предварительно в сухом виде с гранулами полиэтилена в количестве 0,1 массовых % от массы полиэтилена. Подготовленную массу загружали в бункер-питатель экструдера. Трехслойная пленка производилась методом соэкструзии. Полученные образцы модифицированной пленки были подвержены испытаниям на растяжение и раздир на универсальной испытательной установке 1пэ1гоп 3368.
Испытания на растяжение проводились в продольном и поперечном направлениях в соответствии с ГОСТ 14236-86 [7] на образцах в форме прямоугольника шириной 10 мм, длиной 150 мм.
Испытания по определению сопротивления раздиру пленок проводились в соответствии с ГОСТ 26128-84 (метод А). Метод заключается в растяжении испытуемого образца (см. рисунок 1) с концентратором напряжения с постоянной скоростью (200±20 мм/мин) деформирования и определения сопротивления раздиру как отношение нагрузки к первоначальной толщине образца (Н/мм) [8].
М.И. АНАНЬЕВ, Е.А. НОВИКОВСКИЙ
Образец типа I
сэ 1Л
75 ♦ 1
ISO
Рисунок 1 - Образец для испытания пленок на раздир
В ходе испытаний были получены следующие диаграммы растяжения, представленные на рисунках 2-4.
1 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Деформация при растяжении (%)
б
Рисунок 2 - Диаграмма растяжения вдоль трехслойной пленки: а - без модификатора, б - с модификатором
Анализ полученных результатов показывает, что введение наномодификатора в средний слой трехслойной пленки на основе полиэтилена приводит к увеличению в два раза прочности на растяжение, как в продольном, так и поперечном направлении, сопротивление раздиру пленки [9].
16
с „ .__,__,__,__.
Ю Ot-1--1--1--1--1 '-1-
x 0 100 200 300 400 500 60
Деформация при растяжении (%)
a
E
Zk
a
ra ci-1--1--i--p--1--1--1-1-1-1-1-
1 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Деформация при растяжении (%) б
Рисунок 3 - Диаграмма растяжения поперек трехслойной пленки: а - без модификатора, б - с модификатором
it ■ j-j
12 10
J
1 4 г
■Í
в и ¡i й ео ico не ко :бс :ео зон s:í ¡m Удлинение при растяжении (mm)
а
« ю
О
te
IOO в |М Ли lío та
Рисунок 4 - Диаграмма растяжения на раздир трехслойной пленки: а - без модификатора, б - с модификатором
KanHH**rtt ион еа{1*ж*чрн [mm]
б
МОДИФИКАЦИЯ ПОЛИЭТИЛЕНА УГЛЕРОДНЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ПЛЕНОК
Изменение свойств полимера можно однозначно связать с изменением его структурной организации на надмолекулярном уровне. Это обусловлено тем, что введение УДА, который характеризуется высокоразвитой удельной поверхностью [10], 5уд = 270...330 м2/г и размером агрегатов частиц порошка от 40 до 100 нм, приводит к физической (структурной модификации) за счет формирования дополнительных центров кристаллизации полимера.
Исследование микроструктуры полимерной пленки позволило выявить увеличение доли упорядоченных областей и формирование протяженных структурных кластеров из сферолитов (рисунок 5).
Рисунок 5 - Микроструктура модифицированной пленки (*400)
Эти структурные образования состоят из кристаллических и аморфных участков, которые связаны между собой «проходными цепями». Чем больше доли проходных цепей, тем выше прочность полимера. Так как, именно прочность «проходных цепей», обуславливает прочность полимера на растяжение.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные исследования показали, что введение малого количества (0,1 массовых %) углеродных наночастиц с высокоразвитой удельной поверхностью, можно рассматривать как эффективный способ структурной модификации полиэтилена при вытяжке в процессе экструзии и последующем раздуве при получении многослойных пленок.
Механизм упрочнения полиэтиленовой пленки обусловлен увеличением степени кристалличности полимера и числа проходных цепей в переходных областях микроструктуры.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сокирянский, Ф. Л. Многослойные пленки. Классификация и способы применения [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.himhelp.ru/section30/ polymer_market/section164/596. html.
2. Многослойные пленки: классификация и применение [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.newchemistry.ru
3. Калинчев, Э. Л. Эффективный подход к созданию современных композиционных материалов / Э. Л. Калинчев [и др.] // Полимерные материалы. - 2008. - № 3. - С. 4-14.
4. Teraoka, I. Polymer solutions: An introduction to Physical Properties / I. Teraoka. - Brooclyn, N.Y. : Jon Wiley&Sons, Inc. 2002. - 349 p.
5. Ларионов, С. А. Влияние углеродных наполнителей на электрофизические, механические и реологические свойства полиэтилена [Электронный ресурс] / С. А. Ларионов, И. С. Деев, Г. Н. Петрова, Э. Я. Бейдер // Электронный научный журнал «Труды ВИАМ». - 2013. - № 9. - 14 с. Режим доступа: viam-works.ru/plugins/content/journal/uploads/articles/ pdf/247.pdf.
6. Елецкий, А. В. Упрочнение полимеров однослойными углеродными нанотрубками [Электронный ресурс] / www.nanometr.ru. - 2007, № 9.
7. ГОСТ 14236-86. Пленки полимерные. Метод испытания на растяжение. Введ. 01.07.81. -М. : Изд-во стандартов, 1989. - 10 с.
8. ГОСТ 26128-84. Пленки полимерные. Методы определения сопротивления раздиру. Введ. 01.01.85. - М. : ИПК Изд-во стандартов, 2003 - 21 с.
9. Чигвинцев, В. М. Моделирование сфера-литной структуры в полиэтилене при ее деформировании при нагрузке / В. М. Чигвинцев // Математическое моделирование систем и процессов. -2007. - № 15. - С.170-178.
10. Жарков, А. С. Синтез, свойства и перспективы применения детонационных алмазов / А. С. Жарков, Е. А. Петров, Е. С. Ананьева // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2013. - Т. 10, № 3. - С. 430-436.
Новиковский Егор Алексеевич - ассистент кафедры современных специальных материалов, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», 8(3852) 290-956.
Ананьев Максим Игоревич - выпускник кафедры современных специальных материалов, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползуно-ва», 8(3852) 290-956.
