CC BY
176
УДК 620.2-022.532
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-886-889
ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА, МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНОДОБАВКАМИ
© Г.С. Баронин1*, В.М. Бузник2*, В.В. Худяков1*, О.С. Дмитриев1*, В.Л. Полуэктов1*
1) Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация,
e-mail: [email protected] 2) Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов, г. Москва, Российская Федерация, e-mail: [email protected]
В работе представлены результаты исследований физико-механических, теплофизических и триботехнических свойств нанокомпозитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и наноразмерных модификаторов (нанографита и глауконита) в зависимости от природы и концентрации модификатора. Исследования показали корреляцию теплофизических свойств СВМПЭ-нанокомпозитов с проведенными исследованиями прочностных, деформационных и триботехнических свойств полимерной системы. Отмечена аномалия физико-механических и теплофизических свойств СВМПЭ-нанокомпозитов при малых концентрациях наночастиц, не соответствующая правилу аддитивности, что объясняется метастабильным состоянием системы в области перехода системы из однофазной в двухфазную.
Ключевые слова: нанокомпозиты; нанографит; физико-механические; теплофизические; триботехнические свойства.
Одним из важных направлений современного материаловедения является получение полимерных композиционных материалов (ПКМ), в т. ч. с различными нанонаполнителями, которые обладают более высокими эксплуатационными показателями [1-3].
Целью данной работы является получение образцов композиционных материалов на основе СВМПЭ с различными наноразмерными наполнителями, изучение их физико-механических, деформационных, теплофи-зических и других эксплуатационных свойств в зависимости от типа модификатора и его концентрации в полимерной системе.
На рис. 1-2 приведены результаты исследований тепловых эффектов и величины скорости поглощения
и
50
100
150
200
Т оС
Рис. 1. Зависимости удельной скорости поглощения энергии образцов исходного СВМПЭ от температуры, полученные на приборе DSC-2. Скорость нагрева образцов - 20 °С/мин.
и
г4 6
C, масс. част.
10
Рис. 2. Концентрационные зависимости удельной скорости поглощения энергии образцов системы СВМПЭ + нанографит в области плавления от содержания наполнителя
энергии в области 50-200 °С исходного СВМПЭ и композита СВМПЭ + нанографит, полученных на приборе DSC-2 (США) [4].
Подобные зависимости V/ = /(Г) получены для полимерных систем СВМПЭ + НГ и СВМПЭ + ГЛ при содержании НГ и ГЛ: 0,01; 0,1; 1,0; и 10 масс. частей на 100 масс. част. СВМПЭ.
На основании данных теплофизических исследований энергетического состояния нанокомпозитов СВМПЭ + НГ и СВМПЭ + глауконит можно заключить, что наноразмерные наполнители полимера нанографит и глауконит, прошедший обработку в механо-активаторе, в концентрации до 1 масс. част. резко повышают взаимодействие в граничном слое полимер -
8
6
4
2
0
0
2
8
8
6
4
2
0
наполнитель, делают структуру материала более жесткой за счет образования большего количества связей между полимерной матрицей и активными участками поверхности наноразмерного модификатора [5-6].
Разница в энергетическом состоянии СВМПЭ-нано-композита в сравнении с исходным СВМПЭ обусловливает повышение всего комплекса физико-механических показателей системы: повышение предела прочности, предела текучести, модуля упругости при растяжении, относительной деформации в момент предела текучести; снижения весового и размерного абразивного износа (рис. 3).
Таким образом, на основании теплофизических исследований, оценки физико-механических свойств и триботехнических исследований показано существование корреляции между максимальной скоростью поглощения энергии Wmax в области плавления, пределом текучести, пределом прочности, модулем упругости при растяжении и износостойкостью полимерных на-нокомпозитов на основе СВМПЭ.
Иными словами, появляется возможность управления свойствами СВМПЭ-нанокомпозитов: как составом, так и процессом их переработки в изделия различного функционального назначения (высокопрочные и ударопрочные футеровочные плиты конструкционного назначения, теплотехнические изделия, триботехниче-ские изделия и др.).
Характер изменения комплекса свойств полимерной системы в области малых добавок наполнителя (НГ, ГЛ) и наличие точки экстремума указывает на переход системы из однофазной структуры в двухфазную (спинодальный распад) и наоборот [7]. В точке экстремума полимерная система находится в метаста-бильном состоянии, где отмечается наивысшая дисперсность модифицирующей добавки в полимерной матрице и, следовательно, наивысшая гомогенность системы. Следует отметить, что схожие механизмы
100
50
в
О
012 456789 10
С, масс. част.
а)
300 250 а200 § 150
м 100
50 0
0123456789 10
С, масс. част. в)
ю
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
С, масс. част.
г)
10
С. масс. част.
" б)
С, масс. част.
д)
Рис. 3. Концентрационные зависимости предела текучести аТ (а), предела прочности аВ (б), модуля упругости при растяжении Е (в), относительной деформации в момент предела текучести 5 (г) и весового износа (д) (машина МИР-1) образцов полимерной системы СВМПЭ + нанографит от содержания (масс. част.) наполнителя. Испытательная машина УТС-101-5
формирования структуры отмечены для полимерных смесей и сплавов, компоненты которых находятся в наноструктурированном состоянии. При переходе системы из однофазной к двухфазной (расслаивание) выделяющаяся фаза находится в высокодисперсном состоянии и образует термодинамически устойчивую систему с размером частиц не выше нескольких десятков нанометров. Межфазный слой в такой полимерной системе в силу близости к критическим условиям имеет значительную толщину, а межфазная поверхность велика. Высокоразвитая поверхность раздела фаз в переходных областях граничного слоя полимера в на-нокомпозитах и наличие частиц нанометрового размера и приводит к экстремальному изменению физико-
0
0
химических свойств полимерной системы в данной концентрационной области, т. е. являются определяющими факторами.
В работе выявлена возможность регулирования структуры и свойств полимерных композитов на основе СВМПЭ малыми добавками нанографита и глауконита. Разработана технология, позволяющая распространить известный метод легирования органических и неорганических материалов на технологию получения полимерных композиционных материалов с повышенными эксплуатационными показателями.
Главным достоинством созданных нанокомпозитов на основе СВМПЭ является тот акт, что углеродные (НГ) и керамические (ГЛ) наночастицы, прошедшие обработку в механоактиваторе, теряют способность к агломерации, в то же время экстремально взаимодействуют с компонентами полимерной матрицы, сохраняя свой основной комплекс физических характеристик, образуют определенные управляемые микро- и макроструктуры, ответственные за изменение эксплуатационных показателей готовых изделий различного функционального назначения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бузник В.М., Фомин В.М., Алхимов А.П. и др. Металлополимерные нанокомпозиты: монография. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. 260 с. (Интеграционные проекты СО РАН. Вып. 2.)
2. Ломовский О.И., Политое А.А., Дудина Д.В., Корчагин М.А., Бузник В.М. Механомеханические методы получения композитных материалов металл-керамика-политетрафторэтилен // Химия в интересах устойчивого развития. 2004. № 12. С. 619-626.
3. Способ получения композиционного материала на основе политетрафторэтилена и диоксида кремния: пат. 2469056. Рос. Федерация. № 2011124640/05; заявл. 16.06.2011; опубл. 10.12.2012. Бюл. № 34. 5 с.
4. Берштейн В.А., Егоров В.М. Дифференциальная сканирующая калориметрия в физикохимии полимеров. Л.: Химия, 1990. 256 с.
5. Баронин Г.С., Кербер М.Л., Минкин Е.В., Радько Ю.М. Переработка полимеров в твердой фазе. Физико-химические основы. М.: Машиностроение-1, 2002. 320 с.
6. Баронин Г.С., Бузник В.М., Юрков Г.Ю., Завражин Д.О., Кобзев Д.Е., Худяков В.В., Мещерякова Ю.В., Фионов А.С., Овченков Е.А., Ашмарин А.А., Бирюкова М.И. Исследование строения и свойств полимерных композитов на основе политетрафторэтилена и на-ночастиц кобальта // Перспективные материалы. 2014. № 7. С. 50-61.
7. Кулезнев В.Н. Смеси полимеров. М.: Химия, 1980. 304 с.
БЛАГОДАРНОСТИ:
1. Работа выполнена при финансовой поддержке со стороны Минобрнауки РФ в рамках базовой части Госзадания № 2014/219, код проекта 2079.
2. Часть исследований проведены в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ РФ, код проекта НШ - 2411.2014.3.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 620.2-022.532
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-886-889
POLYMERIC COMPOSITE MATERIALS ON THE BASIS OF ULTRA-HIGH-MOLECULAR-WEIGHT POLYETHYLENE MODIFIED BY NANOAGENTS
© G.S. Baronin1*, V.M. Buznik2), V.V. Khudyakov1*, O.S. Dmitriev1*, V.L. Poluektov1*
Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, e-mail: [email protected] 2) All-Russian Scientific-Research Institute of Aviation Materials, Moscow, Russian Federation,
e-mail: [email protected]
This work represents the results of physico-mechanical, thermophysical, and tribological parameters research of nanocomposites based on ultrahigh density polyethylene (UHMPE) and nanosized modifiers (nanographite and glaukonit) depended of nature and modifier concentration. Studies have shown a correlation of thermal properties of UHMPE nanocomposites with researched strength, deformation and tribological properties of the polymer system. The anomaly of physical, mechanical, and thermal properties of UHMPE composites was noted at low concentrations of the nanoparticles that does not comply additivity rule, due to the metasta-ble state of the system in the area of transition from single-phase to double-phase.
Key words: nanocomposites; nanographite; physico-mechanical; thermophysical; tribological characteristics.
REFERENCES
1. Buznik V.M., Fomin V.M., Alkhimov A.P. et al. Metallopolimernye nanokompozity. Novosibirsk, SB RAS Publ., 2005. 260 p.
2. Lomovskiy O.I., Politov A.A., Dudina D.V., Korchagin M.A., Buznik V.M. Mekhanomekhanicheskie metody polucheniya kompozit-nykh materialov metall-keramika-politetraftoretilen. Khimiya v interesakh ustoychivogo razvitiya — Chemistry for Sustainable Development, 2004, no. 12, pp. 619-626.
3. Sposobpolucheniya kompozitsionnogo materiala na osnovepolitetraftoretilena i dioksida kremniya. Patent RF, no. 2469056, 2012.
4. Bershteyn V.A., Egorov V.M. Differentsial'naya skaniruyushchaya kalorimetriya v fizikokhimii polimerov. Leningrad, Khimiya Publ., 1990.256 p.
5. Baronin G.S., Kerber M.L., Minkin E.V., Rad'ko Yu.M. Pererabotka polimerov v tverdoy faze. Fiziko-khimicheskie osnovy. Moscow, Mashinostroenie-1 Publ., 2002. 320 p.
6. Baronin G.S., Buznik V.M., Yurkov G.Yu., Zavrazhin D.O., Kobzev D.E., Khudyakov V.V., Meshcheryakova Yu.V., Fionov A.S., Ovchenkov E.A., Ashmarin A.A., Biryukova M.I. Issledovanie stroeniya i svoystv polimernykh kompozitov na osnove politetraftoreti-lena i nanochastits kobal'ta. Perspektivnye materialy - Perspektivnye materialy, 2014, no. 7, pp. 50-61.
7. Kuleznev V.N. Smesipolimerov. Moscow, Khimiya Publ., 1980. 304 p.
GRATITUDE:
1. The work is fulfilled under financial support of Ministry of Education and Science of Russian Federation within a framework of basic part of state assign no. 2014/219, project code 2079.
2. The part of research is fulfilled within a framework of Russian Federation President grant for state support of leading scientific schools of Russian Federation, project code HE - 2411.2014.3.
Received 10 April 2016
Баронин Геннадий Сергеевич, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор технических наук, профессор, директор научно-образовательного центра (НОЦ) ТамбГТУ-ИСМАН «Твердофазные технологии», специалист в области материаловедения и технологии переработки полимерных композиционных материалов, e-mail: [email protected]
Baronin Gennadiy Sergeevich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Doctor of Technics, Professor, Director of Scientific Research Centre (SRC) TSTU-ISMAN "Solid-phase technologies", Specialist in Materials Science and Technology for Processing of Polymeric Composites, e-mail: [email protected]
Бузник Вячеслав Михайлович, Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов, г. Москва, Российская Федерация, доктор химических наук, академик РАН, советник генерального директора ФГУП «ВИАМ», главный научный сотрудник, специалист в области создания и изучения фторполимерных материалов, e-mail: [email protected]
Buznik Vyacheslav Mikhaylovich, All-Russian Research Institute of Aviation Materials, Moscow, Russian Federation, Doctor of Chemistry, Academician of RAS, Advisor of VIAM Director, Main Research Worker, Specialist in Study of Fluoropolymer Materials Development, e-mail: [email protected]
Худяков Владимир Владимирович, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, НОЦ ТамбГТУ-ИСМАН «Твердофазные технологии», e-mail: [email protected]
Khudyakov Vladimir Vladimirovich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Post-graduate Student, Scientific Research Centre TSTU-ISMAN "Solid-phase technologies", e-mail: [email protected]
Дмитриев Олег Сергеевич, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой физики, специалист в области материаловедения и технологии переработки полимерных композиционных материалов, e-mail: [email protected]
Dmitriev Oleg Sergeevich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Doctor of Technics, Professor, Head of Physics Department, Specialist in Materials Science and Technology for Processing of Polymeric Composites, e-mail: [email protected]
Полуэктов Вячеслав Леонидович, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, лаборант научно-образовательного центра (НОЦ) ТамбГТУ-ИСМАН «Твердофазные технологии», специалист в области материаловедения полимерных композиционных материалов, e-mail: [email protected]
Poluektov Vyacheslav Leonidovich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Post-graduate Student, Laboratory Technician of Scientific Research Centre TSTU-ISMAN "Solid-phase technologies", Specialist in Materials Science and Technology for Processing of Polymeric Composites, e-mail: [email protected]
