Научная статья на тему 'Получение и исследование механических свойств композиционного полимерного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и наночастиц модифицированного аэросила'

Получение и исследование механических свойств композиционного полимерного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и наночастиц модифицированного аэросила Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
312
132
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НЕПОРИСТЫЙ КРЕМНЕЗЁМ (АЭРОСИЛ) / НАНОЧАСТИЦЫ / ОРГАНИЧЕСКИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ГРУППЫ / ТИТАННИТРИДНЫЕ НАНОСЛОИ / МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА / NON-POROUS SILICA (AEROSIL) / NANOPARTICLES / ORGANIC FUNCTIONAL GROUPS / TITANIUM NITRIDE NANO LAYERS / NANOCOMPOSITE / MECHANICAL PROPERTIES

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Земцова Елена Георгиевна, Макаров Иван Александрович, Зорин Иван Михайлович, Кошевой Всеволод Константинович, Бревнов Олег Николаевич

В работе представлены результаты исследования физико-механических свойств композитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) с аэросилом, модифицированным титаннит-ридными нанослоями. Определение модуля упругости при исследовании на одноосное растяжение, твёрдости и стойкости к абразивному износу образцов нанокомпозитов СВМПЭ с аэросилом, модифицированным титаннитридными слоями, позволяет сделать вывод, что оптимальная степень наполнения составляет около 10 мас. %, когда материал имеет максимальные значения модуля упругости и предела текучести. Некоторое уменьшение твёрдости в случае СВМПЭ с модифицированным аэросилом с титаннитридными слоями по сравнению с СВМПЭ, наполненным модифицированным аэросилом, может быть связано с полнотой прививки алкилоксисилильных групп на поверхность наночастиц наполнителя. Полученные данные открывают перспективы использования композитов на основе СВМПЭ с модифицированным аэросилом с титаннитридными слоями в качестве материалов триботехнического назначения.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Земцова Елена Георгиевна, Макаров Иван Александрович, Зорин Иван Михайлович, Кошевой Всеволод Константинович, Бревнов Олег Николаевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Production and investigation of mechanical properties of composite polymeric material based on ultra-high molecular weight polyethylene and nanoparticles of modified aerosil

The work presents the results of investigation of physical-mechanical properties of composites on the basis of ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) with Aerosil with modified titanium nitride nanolayers. Valuation determination of modulus of elasticity by the study of uniaxial tensile strength, hardness and resistance to abrasion of samples of nanocomposites UHMWPE with Aerosil modified with titanium nitride nanolayers allows to make a conclusion that the optimal degree of filling is about 10 mass %, where the material has a maximum value of modulus of elasticity and the yield strength. Some decrease of hardness in the case of UHMWPE with modified Aerosil with titanium nitride layers compared with UHMWPE filled with modified Aerosil may be associated with the fullness of vaccinations of alkyl hydroxysilil groups on the surface of nanoparticles filler. These data offer prospects of application of composites based on UHMWPE with modified Aerosil with titanium nitride nanolayers as materials of a tribotechnical purpose.

Текст научной работы на тему «Получение и исследование механических свойств композиционного полимерного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и наночастиц модифицированного аэросила»

УДК 678.073:678.742.21

Вестник СПбГУ. Сер. 4. 2013. Вып. 2

Е. Г. Земцова, И. А. Макаров, И. М. Зорин, В. К. Кошевой, О. Н. Бревнов,

A. Ю. Билибин, В. М. Смирнов

ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННОГО ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА И НАНОЧАСТИЦ МОДИФИЦИРОВАННОГО АЭРОСИЛА*

Введение. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) всё шире используется в различных областях промышленности, транспортного машиностроения, строительства, что обусловлено положительными эксплуатационными характеристиками получаемых из него изделий. Высокая молекулярная масса СВМПЭ и его химическая природа обусловливают весь комплекс уникальных свойств, присущих данному полимеру: очень высокие физико-механические характеристики, морозостойкость, износостойкость, стойкость к агрессивным средам, низкий коэффициент трения. Большой интерес проявляется к композиционным материалам на основе СВМПЭ, содержащим наполнители и функциональные добавки, поскольку они позволяют добиться лучших потребительских свойств по сравнению с чистым полимером. Перспективным представляется использование нанодисперсных наполнителей, создающих ансамбли в полимерной матрице и эффективно модифицирующих надмолекулярную структуру с образованием армированной полимерной системы. В результате можно получить материал с уникальным сочетанием физико-механических и триботехнических характеристик, которые могут эффективно применяться для изготовления деталей узлов трения.

В представленной работе проводятся оценки модуля упругости при исследовании на одноосное растяжение, твёрдости и стойкости к абразивному износу образцов нано-композитов СВМПЭ с аэросилом, модифицированным титаннитридными слоями.

Объекты исследования. В работе изучались особенности получения композиционных материалов на базе СВМПЭ с нанонаполнителями на основе аэросила, поверхностно модифицированного слоями нитрида титана. Были исследованы физико-механические свойства получаемых композиционных материалов, проведена предварительная оценка его износостойкости.

Елена Георгиевна Земцова — кандидат химических наук, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: ezimtsova@yandex.ru

Иван Александрович Макаров — инженер, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: makarovivan@inbox.ru

Иван Михайлович Зорин — кандидат химических наук, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: ivan_zorin@mail.ru

Всеволод Константинович Кошевой — студент, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: vcevolodkoshevoi@mail.ru

Олег Николаевич Бревнов — инженер, Санкт-Петербургский государственный университет. Александр Юрьевич Билибин — доктор химических наук, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: alex_bilibin@mail.ru

Владимир Михайлович Смирнов — доктор химических наук, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: vms11@yandex.ru

* Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 гг., гос. контракт № П 863 от 25 мая 2010 г.

© Е. Г. Земцова, И. А. Макаров, И. М. Зорин, В. К. Кошевой, О. Н. Бревнов, А. Ю. Билибин,

B. М. Смирнов, 2013

В работе использовали полимер марки GUR2122 фирмы "Ticona" (Германия), который характеризуется развитой удельной поверхностью частиц порошка и наличием пор. Специфические особенности переработки СВМПЭ связаны с тем, что при плавлении кристаллической фазы полимер переходит не в вязкотекучее, а в высокоэластическое состояние. Из-за этой особенности традиционное оборудование для переработки полимеров, использующее смешение с наполнителями в расплаве, и изготовления изделий обычными для термопластов методами в случае СВМПЭ не подходит. Чаще всего применяют смешение порошка полимера с порошкообразными наполнителями и модификаторами. К наиболее распространённым методам переработки СВМПЭ в изделия следует отнести горячее и холодное прессование с последующим спеканием.

Эксперимент. В нашей работе мы использовали совмещение частиц нанонаполни-теля с порошком полимера в шаровой мельнице. Такой способ смешения в последнее время довольно широко используется для получения композиционных материалов на основе ПЭТФ, ПБТФ [1], ПММА [2], ПП [3], а также СВМПЭ [4]. Как было показано нами в работе [5], при совмещении полимера с наноразмерным наполнителем он более предпочтителен, чем смешение в барабанном смесителе или лопастном смесителе с быстро вращающимся ротором.

В качестве кремнезёмного наполнителя был выбран аэросил А-300, представляющий собой чистый аморфный непористый диоксид кремния с размером частиц от 5 до 40 нм и удельной поверхностью образца 220 м2/г (определение удельной поверхности проводилось методом БЭТ по регистрации тепловой десорбции азота). Для улучшения сродства неорганического наполнителя к полимерной матрице проводилась модификация поверхности наночастиц гептилоксисилильными группами обработкой в парах гептанола методом молекулярного наслаивания [6].

Образцы композиционного полимерного материала формировались методом термопрессования при температуре 180 °С и давлении в пресс-форме 10 МПа, время выдержки 20 мин [5].

Результаты. Ранее нами были представлены результаты исследования физико-механических свойств композитов СВМПЭ с аэросилом, поверхностно модифицированным алкилоксисилильными группами [5]. При испытании образцов на одноосное растяжение было показано, что наполнение модифицированным аэросилом до 15 мас. % не оказывает существенного влияния на предел текучести материала (26-28 МПа) и деформацию в пределе текучести (13-15 %), однако приводит к заметному снижению предела прочности и удлинению при разрыве. Модули упругости материала при наполнении модифицированным аэросилом возрастают до степени наполнения около 10 %, после чего наблюдается резкое снижение. Было также установлено, что твёрдость нано-композитов на основе СВМПЭ и модифицированного аэросила закономерно возрастает с увеличением степени наполнения.

Результаты проведённой оценки модуля упругости при исследовании на одноосное растяжение, твёрдости и стойкости к абразивному износу образцов нанокомпозитов СВМПЭ с аэросилом, модифицированным титаннитридными слоями, представлены в таблице и на рисунке.

Сопоставление данных по результатам испытаний на одноосное растяжение для СВМПЭ, наполненного модифицированным аэросилом и модифицированным аэросилом с титаннитридными слоями, позволяет сделать вывод, что оптимальная степень наполнения составляет около 10 мас. %, в этих пределах материал имеет максимальные значения модуля упругости и предела текучести. Некоторое уменьшение твёрдости в случае СВМПЭ, модифицированного аэросилом с титаннитридными слоями, по

1000-, 950900850-

Е 800-

750700650600550

■ 1

--•-- 2 А 3

--Т-" 4

(

¥

5 10

Степень наполнения, %

15

Зависимость модуля упругости при исследовании на одноосное растяжение образцов полимерных нанокомпозитов на основе СВМПЭ с аэросилом, модифицированным

титаннитридными слоями: 1 — A-300 с гексилоксисилильными группами; 2 — A-300, модифицированный TiN с гексилоксисилильными группами; 3 — A-300 с бутилоксисилильными группами; 4 — не модифицированный A-300

Значения модуля упругости при исследовании на одноосное растяжение, твёрдости и стойкости к абразивному износу образцов нанокомпозитов на основе СВМПЭ с аэросилом, модифицированным титаннитридными слоями, в зависимости от наполнения полимера

Образец Наполнение, % Е, МП а 0Т, МП а Твёрдость, Н/мм2 Износостойкость, отн. ед.

Чистый СВМПЭ 0 570 ± 49 26 ± 1 37,1 ± 1,6 1

СВМПЭ+аэросил 10 770 ± 34 28 ±1 - -

СВМПЭ+модифи- 5 722 ± 43 28 ±1 - 2,7

цированный аэро- 10 897 ± 63 28 ±1 46,3 ±1,9 -

сил с органичес- 15 712 ±26 27 ±1 - -

кими группами 30 - - 65,1 ±8,6 2,5

СВМПЭ+аэросил с Т^ слоями 5 781 ± 55 25 ± 0,5 39 ±2,1 4,3

10 840 ± 32 26 ± 0,5 41,9 ±2 3

15 781 ± 26 26 ± 0,5 42 ± 1,3 5

0

сравнению с СВМПЭ, наполненным модифицированным аэросилом, может быть связано с полнотой прививки алкилоксисилильных групп на поверхность наночастиц наполнителя.

Полученные данные открывают перспективы использования композитов на основе СВМПЭ с модифицированным аэросилом с титаннитридными слоями в качестве материалов триботехнического назначения.

Выводы.

1. Определение модуля упругости при исследовании на одноосное растяжение, твёрдости и стойкости к абразивному износу образцов нанокомпозитов СВМПЭ с аэросилом, модифицированным титаннитридными слоями, позволяет сделать вывод, что оптимальная степень наполнения составляет около 10 мас. %, когда материал имеет максимальные значения модуля упругости и предела текучести.

2. Полученные результаты открывают перспективы использования композитов на основе СВМПЭ с модифицированным аэросилом с титаннитридными слоями в качестве материалов триботехнического назначения.

Литература

1. Font J., Muntasell J., Cesari E. Poly(butylene terephthalate) poly(ethylene terephthalate) mixtures formed by ball milling // Materials Research Bulletin. 1999. Vol. 34, N 1. P. 157-165.

2. Azhdar B., Stenberg B., KariL. Polymer-nanofiller prepared by high-energy ball milling and high velocity cold compaction // Polymer Composites. 2008. Vol. 29, N 3. P. 252-261.

3. Дорофеев А. А., Калошкин С. Д., Чердынцев В. В. и др. Способ изготовления нанокомпо-зиционного материала // Патент РФ № 2387680.

4. Панин С. В., Корниенко Л. А., Ваннасри С. и др. Влияние механической активации полимерного связующего на фрикционно-механические свойства сверхвысокомолекулярного полиэтилена // Трение и износ. 2010. Т. 31, № 2. С. 13-20.

5. ЗоринИ. М., ЗемцоваЕ. Г., МакаровИ.А. и др. Получение композиционного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и модифицированного нанодисперсного аэросила // Пластические массы. 2012. № 9. C. 40-43.

6. Smirnov V. M. Nanoscaled structuring as a way to constructing new solid substances and materials (review) // Rus. J. Gen. Chem. 2002. Vol. 72, N 4. P. 590-606.

Статья поступила в редакцию 16 ноября 2012 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.