CC BY
147
УДК 678.6.046
Д.Ю. Шитов*, К.С. Бабина, А.Н. Пачина, Т.П. Кравченко
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, Миусская пл., д. 9 *е-шаП: bee-da@mail.ru
НАНОКОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНА
Исследованы нанокомпозиты на основе полиэтилена и нанонаполнителя органобентонита. Показано, что возникают трудности при совмещении полиэтилена и наноглины. Подобрана добавка малеинизированного полибутадиена, позволившая улучшить распределения наноглины в полиэтилене и повысить некоторые свойства композиционного материала.
Ключевые слова: полиэтилен; нанонаполнители; улучшение совместимости; физико-механические характеристики.
Получение новых композиционных материалов с волокнистым, слоистым и тонкодисперсным упрочнением, с повышенными физико-механическими и специальными физико-химическими свойствами должно привести к качественному скачку научно-технического прогресса не только в авиационной, космической и судостроительной отраслях техники, но и в машиностроении, энергетике, электронной, электротехнической, радиотехнической
промышленности, транспорте, строительстве и других отраслях хозяйства.
Развитие технологии получения
нанокомпозитов направлено на упрощение и удешевление способов получения
композиционных материалов, содержащих в своем составе наночастицы.
Полиэтилен отличается от других термопластов весьма ценным комплексом свойств. Изделия из полиэтилена имеют высокую прочность, стойкость к действию агрессивных сред и радиации, нетоксичность, хорошие диэлектрические свойства. Перерабатывается полиэтилен всеми известными для термопластов методами.
Полиэтилен (ПЭ) - наиболее широко использующийся полимер по сравнению с другими термопластами. Он лидирует в мировом выпуске полимерных материалов - 31,5% от общего объема производимых полимеров.
Благодаря использованию нанонаполнителей и добавок, на базе нанотехнологий можно получать полимеры, сочетающие в себе традиционные и новые качественные характеристики, на первый взгляд кажущиеся взаимоисключающими. Это чрезвычайно полезно в тех случаях, когда требуется одновременно обеспечить прозрачность и гибкость материала, определенную степень ударостойкости и жесткость, физические
характеристики, изоляционные свойства и проводимость.
Ключ к успешному развитию глинонаполненных нанокомпозитов является в достижении расслоения слоистого силиката в полимерной матрице. Одним из эффективных методов приготовления полимерных
нанокомпозитов на основе слоистого силиката является интеркаляция полимера в силикатные галереи.
Полимерный нанокомпозит —
многокомпонентный материал, состоящий из пластичной полимерной основы (матрицы) и наполнителя — органомодифицированной наноглины (монтмориллонита).
Полиэтилен-глинистые нанокомпозиты на основе полиэтилена в последнее время привлекают большое внимание. Но совместимость ПЭ с глиняными наполнителями очень плоха, потому что ПЭ не содержит полярные группы в цепи, вследствие этого трудно получить нанокомпозиты обычным путём.
Например, Ван и др. [1] приготовили в расплаве нанокомпозит полиэтилена / глины методом структурной интеркаляции, и они обнаружили, что малеинизированый полиэтилен выступает в роли компатибилизатора. Эксфолиированное и интеркаляционное поведение полученного нанокомпозита зависели от количества малеинизированного полиэтилена и длины цепи органического модификатора в глине.
Хи и соавторы [2,3] получили нанокомпозиты-полиэтилен высокой плотности (ПЭВП)/бентонит - путём смешения расплава с использованием акриловой кислоты, привитой на полиэтилен высокой плотности (ПЭВП-п-АК). Они сообщили, что ПЭВП-п-АК способствовал дисперсии и расслаиванию бентонита в матрице полиэтилена высокой плотности и повысил механические свойства композитов.
Али Дурмус [4,5] и соавторы исследовали влияние полярности компатибилизатора и дисперсию глины на тепловые, механические и барьерные свойства нанокомпозитов. Было отмечено, что окисленный полиэтилен создал сильное межфазное взаимодействие между слоями глины и полимерной матрицей, основанное на анализе линейного вязкоупругого поведения образцов при помощи реометрии колебаний малой амплитуды.
Усиление адгезионного взаимодействия в граничных областях полимер-наполнитель при введении модификаторов и различных совместителей вызывает интенсификацию структурирующих процессов, сопровождается формированием надмолекулярной структуры ПКМ, характерными особенностями которой является четко оформленные, плотноупакованные структурные элементы. Подобная
надмолекулярная структура приводит к увеличению прочностных показателей
полимерного композиционного материала (ПКМ) вследствие уменьшения концентраций дефектных областей, пор, пустот.
В последнее время появились работы по получению нанокомпозитов из полиэтилена и
Сравнительная ха
наноглины, применяемых для производства труб, в упаковочной промышленности, пищевой, фармакологической и фармацевтической, автомобильной и авиационной, лакокрасочной, кабельной, при изготовлении конструкционных и строительных материалов.
Малеиновые совместители образуют прочные связи на границе раздела двух плохо совместимых полимеров, например неполярный ПЭ и полярный ОБ.
При введении малеиновых групп они прививаются к неполярным полимерам, что делает их реакционоспособными, а поэтому способными образовывать прочные связи с ОБ, который также имеет функциональные группы.
Низкомолекулярный малеинизированный полибутадиен - олигобутадиен с концевыми малеиновыми группами (ПБН-М) - вязкая жидкость от желтого до темно-коричневого цвета.
ПБН-М представляет собой сополимер между малеиновым ангидридом и низкомолекулярным полибутадиеном.
Высокая полярность малеиновых групп в ПБН-М увеличивает возможность совместимости между ОБ и полимером. Бутадиеновые блоки регулируют сегментальную подвижность [6].
Таблица 1.
ктеристика свойств композиций на основе полиэтилена с органобентонитом и модификатора ПБН-М
Состав композиции ПТР, г/10 мин Ударная вязкость, кДж/м2 а изгиба, мПа а разрыва, мПа Удлинение, % Усадка, %
ПЭНП+2 масс.% ОБ 1,9 18,0 7,0 10,2 150 1,7
+1 масс.% ПБН-М 1,6 22,5 10,4 10,8 164 1,8
+3 масс.% ПБН-М 1,6 19,5 7,5 10,6 164 2,0
+6 масс.% ПБН-М 2,0 17,5 6,5 10,0 165 2,2
В табл. 1 представлены физико-механические характеристики композиций с ПБН-М, который вводился в концентрации 1, 3 и 6,0 масс. %, из которой видно, что прочность при разрыве, прочность при изгибе и ударная вязкость возрастают на 7%, 34% и 14% соответственно, в большей степени при добавлении 1 масс.% ПБН-М.
В работе было выбрано несколько типов добавок и показано, что при введении, например, кремнийорганических соединений, таких как АГМ-9 и триметоксисилан (ТМС), все физико-механические показатели уменьшаются по сравнению с исходной композицией. Лишь при введении тетроэтоксисилана (ТЭОС) ударная вязкость и предел прочности при разрыве несколько увеличиваются. Это, видимо, можно
объяснить тем, что активность групп ТЭОС выше, чем у АГМ-9 и ТМС.
Высокая полярность малеиновых групп в ПБН-М увеличивает совместимость между ОБ и ПЭ, поскольку ПБН-М хорошо совместим с ПЭНП, благодаря наличию бутиленового
промежуточного блока в своем строении.
Молекулы привитого ПЭ внедряются в слои ОБ, что приводит к частичному расслоению структуры и ее интеркаляции. Таким образом, молекулярным цепям ПБН-М и ПЭ легче проникнуть внутрь слоев ОБ.
Во время процесса смешения на границе раздела фаз происходят следующие реакции. Происходит взаимодействие между основной цепью ПБН-М и ПЭ, а также между функциональными группами ПБН-М и ОБ.
Вероятно, при взаимодействии ПБН-М с органобентонитом происходит раскрытие малеиновой группы за счет наличия на поверхности ОБ кислотных и основных центров.
Таким образом, установлено, что модификация композиции полиэтилена и органобентонита низкомолекулярным малеинизированным
полибутадиеном приводит к улучшению некоторых физико-механических характеристик. Существенным является, что при введении в полиэтилен с органобентонитом
в качестве модификатора ПБН-М модуль упругости при растяжении значительно увеличивается.
Сравнительный анализ полученных
результатов показывает, что модификация структуры полимера добавками малых количеств ограничено совместимых с ним
малеинизированных полибутадиенов является эффективным методом регулирования деформационно-прочностных свойств материалов на основе полиэтилена.
Шитов Дмитрий Юрьевич аспирант кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Бабина Кристина Сергеевна студентка кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Пачина Анжелика Николаевна студентка кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Кравченко Татьяна Петровна к. т.н., в.н.с. кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Rongrong Qi, Xing Jin. Preparation and Properties of Polyethylene-Clay Nanocomposites by an In Situ Graft Method. Published online in Wiley InterScience (www.interscience. wiley.com). 7 June 2006.С. 1-7
2. Gonsalves K.E., Chen X. Inorganic nanostructured materials. Nanostructured materials .1996 .- V.5 .- P.3256-3262; Giannelis E.P. Polymer layered silicate nanocomposites. Advanced materials. 1996. V.8. С. 29-35
3. Гусева М. А., Структура и физико-механические свойства нанокомпозитов на основе неполярного полимера и слоевого силиката. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. ИНХС РАН , С. 50-100
4. Ali Durmus, Maybelle Woo. Intercalated linear low density polyethylene (LLDPE)/clay nanocomposites prepared with oxidized polyethylene as a new type compatibilizer: Structural, mechanical and barrier properties. European Polymer Journal 43 (2007). 10 June 2007. С. 3737-3749
5. Ali Durmus, Ahmet Kasgoz, Christopher W. Macosko. Linear low density polyethylene (LLDPE)/clay nanocomposites. Part I: Structural characterization and quantifying clay dispersion by melt rheology. Polymer 48 (2007). 19 April 2007. С. 4492-4502
6. Нестеренкова А. И. Системы на основе полипропилена с улучшенными эксплуатационными и технологическими свойствами. Дис. канд. хим. наук. М: 2007. С. 100-150
Shitov Dmitryi Yurevich*, BabinaKristina Sergeevna, Pachina AngelicaNikolaevna, Kravchenko Tatyana Petrovna
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. *e-mail: bee-da@mail.ru
NANOCOMPOSITES BASED ON POLYETHYLENE
Abstract
Investigated nanocomposites based on polyethylene and nanofiller organoclay. It is shown that there are difficulties in combining polyethylene nanoclay. Chosen additive maleated polybutadiene, will improve the distribution of nanoclay in polyethylene and improve some properties of the composite material.
Key words: polyethylene, nanofillers, improved compatibility, physical and mechanical properties.
