CC BY
23
УДК 678.742
Кладовщикова О.И, Климашева Е.И., Тихонов Н.Н., Романченко Е.А.
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ СОПОЛИМЕРА СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА ДЛЯ ТРУБ
Кладовщикова Ольга Игоревна, магистрант 1 года кафедры технологии переработки пластмасс, e-mail: [email protected];
Климашева Екатерина Ивановна, магистрант 1 года кафедры технологии переработки пластмасс, e-mail: [email protected];
Тихонов Николай Николаевич, к.х.н., доцент кафедры технологии переработки пластмасс, e-mail: [email protected];
Романченко Евгения Александровна, студент 4 курса бакалавриата кафедры технологии переработки пластмасс, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047 Москва, Миусская пл., 9
Для направленного регулирования свойств сополимера был выбран метод введения в полимерную матрицу наномодификаторов различной химической природы и формы. Показано, что модификация сополимера наноразмерными наполнителями позволяет получить на его основе материал с улучшенными технологическими и деформационно-прочностными характеристиками.
Ключевые слова: полимерные нанокомпозиты, СВМПЭ, органобентонит
NEW MATERIALS BASED ON THE COPOLYMER OF UHMWPE FOR PIPES
Kladovshchikova O.I., Klimasheva E.I., Tikhonov N.N., Romanchenko E.A. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
To direct the properties of the copolymer, a method for introducing nanomodifiers of various chemical nature and shape into the polymer matrix was chosen. It is shown that the modification of the copolymer with nanoscale fillers makes it possible to obtain on its basis a material with improved technological and deformation-strength characteristics.
Keywords: рolymer nanocomposites, UHMWPE, organobentonite
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен
(СВМПЭ) является полимерным материалом, для которого характерен уникальный комплекс свойств: высокое сопротивление, истирание, высокая ударная вязкость, высокое сопротивление к растрескиванию и т.д. Однако применение его в настоящее время ограничено ввиду отсутствия эффективных технологий переработки в изделия [1].
Создание на основе СВМПЭ сополимеров позволяет в определенной степени решить эту проблему. Так, сополимер СВМПЭ с октеновыми углеводородами - Котрр1еп SE 2500 может быть переработан в изделия всеми технологиями, которые используются сегодня для переработки полимеров. Это открывает принципиально новые возможности для расширения областей применения СВМПЭ. Вместе с тем необходимо отметить, что текучесть расплава сополимера Котрр1еп SE 2500 находится на крайне низком уровне (СВМПЭ при аналогичных условиях не течет) и составляет не более 0,05 г/10мин [2]. Несколько улучшая текучесть СВМПЭ, сополимеризация его с октеновыми углеводородами приводит к тому, что у полученного продукта сополимеризации ухудшается сопротивление истиранию, увеличивается коэффициент трения. Одной из перспективных областей применения СВМПЭ в настоящее время является изготовление труб, предназначенных для перекачки нефти. Однако использование для этих целей сополимера на основе СВМПЭ сопряжено со значительными затратами энергии, поскольку он хорошо
смачивается парафинами нефти. Поэтому представляется интересным проведение
исследований, направленных на улучшение всего комплекса свойств сополимера СВМПЭ с октеновыми углеводородами [3].
Для направленного регулирования свойств сополимера был выбран метод введения в полимерную матрицу наномодификаторов различной химической природы и формы.
Содержание модификатора варьировалось при проведении исследований от 0% до 0,5мас. %. Для того, чтобы обеспечить эффективность влияния наномодификаторов на структуру и свойства сополимера необходимо добиться его равномерного распределения в полимерной матрице. Это затрудняет высокая площадь поверхности и большая поверхностная энергия наночастиц, приводящая к их агрегации, как при хранении, так и при переработке. Поэтому нами был разработан метод введения наномодификаторов в полимер. В работе изучены реологические свойства сополимера
Котрр1еп SE 2500 и влияние модификации на его текучесть.
Сравнительный анализ результатов исследований, представленных на рисунке 1, показывает зависимость показателя текучести расплава сополимера от содержания наноразмерного алюмосиликата - органобентонит имеет экстремальный характер с максимумом в области 0,1% органобентонита. Замена слоистого силиката на углеродные нанотрубки (изменение химической
природы и формы наномодификатора при одном и том же его содержании) не оказывает заметного влияния на величину ПТР сополимера. Аналогичные процессы имеют место при формовании через экструзионную головку.
1 0,5 0,8 £0,7
I 0,6
5 0,5
0,2 0,1 О
0Й 0,10Я О,Ж 0,50К
Содержание органобентонита, %
Рис. 1. Зависимость ПТР Kompplen SE 2500 от содержания органобентонита
Оценка влияния наномодификаторов на деформационно-прочностные свойства сополимера была проведена на основании результатов испытаний при растяжении по величине предела текучести и относительного удлинения. Результаты испытаний представлены на рисунке 2. Анализ полученных данных показывает, что модификация сополимера нанонаполнителями практически не оказывает влияния на прочность сополимера, но значительно увеличивает его относительное удлинение при содержании свыше 0,3% органобентонита и более 0,1% углеродных нанотрубок.
о -,-,-,-,-,- о 8.
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 С
Содержание органобентсннта,%
Рис. 2. Зависимость относительного удлинения (а) и прочности при растяжении (б) Kompplen SE 2500 от содержания органобентонита
Применение СВМПЭ в узлах трения обусловлено, прежде всего, низким коэффициентом трения этого полимера и чрезвычайно низкой его истираемостью. Сополимеризация СВМПЭ с этиленом приводит к снижению этих чрезвычайно важных характеристик, поэтому было важно изучить, как наномодификатор влияет на фрикционные свойства сополимера
Kompplen SE 2500. Определение коэффициента трения выполнено в работе методом измерения величины потерь на истирание посредством
абразивного истирания образца на машине Табера. Результаты показаны на рисунке 3. Исследование показало, что модификация сополимера органобентонитом снижает коэффициент трения более чем в 3 раза: с 26 у Kompplen SE 2500 до 0,08 у Kompplen SE 2500, модифицированного органобентонитом. Аналогичный результат наблюдается при использовании в качестве модификатора углеродных нанотрубок.
0,3
0 -Т-,-1-I-,-г-,
О 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 Содержание органобентонита,%
Рис. 3. Зависимость коэффициента трения сополимера Kompplen SE 2500 от содержания органобентонита
Ранее было отмечено, что высокий уровень смачивания сырой нефтью и нефтепродуктами СВМПЭ приводит к значительному увеличению энергозатрат на их транспортировку по трубопроводам из СВМПЭ. Поэтому в работе была проверена оценка смачивания сырой нефтью сополимера и продуктов его модификации нанонаполнителями. Результаты приведены на рисунке 4. Данные, полученные при проведении исследований, показывают, что модификация сополимера органобентонитом приводит к снижению угла смачивания сополимера Kompplen SE 2500 с 162оС до 155оС в исследуемом интервале концентраций модификатора.
Использование в качестве модификатора углеродных нанотрубок не оказывает заметного влияния на смачивание сополимера нефтью.
(б) сополимера Kompplen SE 2500 от содержания органобентонита
Структурообразование в полимерах при модификации является весьма важным фактором, определяющим влияние модификаторов на свойства полимеров. Структурные изменения и эффекты при модификации полимеров изучены в настоящей работе методами ДСК и термомеханики. Сравнительный анализ полученных результатов показывает, что модификация сополимера СВМПЭ наноразмерными слоистыми алюмосиликатами приводит к упорядочению надмолекулярной структуры полимера. Так, при модификации сополимера 0,3% органобентонита, теплота кристаллизации увеличивается с 135Дж/г до 155Дж/г, а теплота плавления - с 114,4Дж/г до 153,3 Дж/г, что свидетельствует об увеличении доли кристаллической части в сополимере при его наномодификации. При этом также наблюдается некоторое увеличение температуры кристаллизации со 102 до 105оС.
Другим результатом наномодификации сополимера является некоторое снижение температуры плавления со 146оС до 142,8оС. Это связано, по-видимому, с увеличением общей структурной подвижности в сополимере при повышенных температурах в присутствии модификатора. Это хорошо согласуется с ранее приведенными результатами исследования текучести модифицированного сополимера и подтверждается данными, полученными при исследовании сополимера методом термомеханики. Сравнение термомеханических кривых деформации полимера под действием нагрузки при повышенных температурах показывает, что модификация сополимера нанодисперсными наполнителями (органобентонит и углеродные трубки) приводит к значительному увеличению деформации под действием нагрузки.
Практическое значение этого эффекта может заключаться в том, что листы, полученные из модифицированного СВМПЭ методом экструзии, предположительно можно будет подвергать формованию при повышенных температурах при помощи пуансонов.
В результате проведенных исследований:
1. Показана возможность направленного регулирования технологических, деформационно-прочностных и эксплуатационных свойств сополимера на основе СВМПЭ наноразмерными модификаторами на основе слоистых алюмосиликатов.
2. На основе сополимера СВМПЭ получены новые материалы с комплексом улучшенных технологических и физико-механических свойств, которые способны к переработке методом высокоскоростной экструзии и могут быть рекомендованы для изготовления труб для транспортировки нефтепродуктов и горячей воды.
Список литературы
1. Андреева И.Н., Веселовская Е.В., Наливайко Е.И. и др., Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности. — Л.: Химия, 1982. — 80 с.
2. Zoo, Y.-S.; An, J.-W.; Lim, D.-P.; Lim, D.-S. Effect of carbon nanotube addition on tribological behavior of UHMWPE. /// Tribol. Lett.—2004. — №16. — P.305-309.
3. Катов М.М. Регулирование структуры и свойств СВМПЭ в процессе переработки: Автореф дис. канд. техн. наук. М., 1998. — 19 с.
