CC BY
33
448
KiMYA PROBLEML9R1 № 4 2017
ISSN 2221-8688
УДК 678.742.2+547.458.61
РАЗРАБОТКА НОВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИПРОПИЛЕНА, СОПОЛИМЕРОВ ЭТИЛЕНА С ПРОПИЛЕНОМ, НАНОГЛИНЫ И МОТОРНОГО МАСЛА SAE5W30
Г.Ш. Гасымова
Институт Полимерных Материалов Национальной АН Азербайджана АZ 5004, г. Сумгайыт, ул. С.Вургуна, 124; е-mail:gulnara.qasmova. 68@mail.т
В статье приводятся результаты исследований по разработке наполненных композиционных полимерных материалов на основе полипропилена, сополимеров этилена с пропиленом) и модификаторов - азербайджанских наноглин и моторного масла SAE5W30. Установлено, что при сочетании в композиции вышеуказанных полимерных матриц и незначительных количеств наноглины и моторного масла достигаются достаточно высокие антифрикционные показатели созданных материалов. Коэффициент трения материала, полученного вальцеванием (при 1800С) смеси, состоящей: а) из 84% мас. ПП, 15% мас. глины и 1 % мас. моторного масла, равен 0.15; б) из 72 мас.% этилен-пропиленового сополимера, 25 % мас. глины 3% мас. моторного масла - 0.11.
Ключевые слова: полипропилен, сополимеры этилена с пропиленом, модификаторы, моторное масло, композиционные материалы.
ВВЕДЕНИЕ
При разработке полимерных композиционных материалов, используемых в различных отраслях техники, в трущихся узлах машин и механизмов, особое внимание удаляется их антифрикционным и прочностным свойствам в системах полимер-полимер или полимер-металл, от которых в значительной степени зависят сроки их нормальной эксплуатации [1].
Как известно, наиболее широко применяемыми промышленными полимерами являются полиолефины (полиетилен ПЭ,полипропилен ПП), а также сополимеры этилена с пропиленом и другими сомо-номерами (блок-сополимер пропилена с этиленом БЭП марки НВ240 и рандом эти-лен-пропиленовый сополимер РЭП марки КР2400) [2]. Однако в зависимости от их назначения для конкретных целей, требуется удовлетворение по ряду важных показателей предъявляемым нормам.
Они часто не обладают требуемыми свойствами, и приходится их модифицировать путем применения наполнителей, пластификаторов и других вспомогательных веществ. В этом отношении большим пре-
имуществом обладают материалы, полученные введением в состав полимерной композиции подходящих наполнителей из числа сульфидов металлов (МоБ2, WS2), порошков металлов, углеродных нанотру-бок, графита и других веществ [3-7]. В последние годы расширились исследования, связанные с созданием полимер-силикатных нанокомпозитов, обладающих улучшенными физико-химическими свойствами. Так, в работе [8] описан интересный синтез нанокомпозитов на основе ПЭ и слоистых силикатов, в частности, монтмориллонита, основанный на интеркаляцион-ной полимеризации в присутствии катализаторов Циглера-Натта, а также гомогенных металлоценовых катализаторов. При этом достигается равномерное внедрение наночастиц наполнителя в межслойное пространство полимера. Полученный материал обладает достаточно высокими прочностными и другими свойствами по сравнению с материалом, полученным механическим смешиванием расплава полимера с силикатным нанонаполнителем, при котором достигается интеркаляция частиц си-
ликата полимером. Обнаружено, что часть частиц эксфолирует на монослои толщиной ~1нм.
Композиционные материалы, полученные на основе полиолефиновых матриц и природных силикатов (матриц) и которые можно перерабатывать общепринятыми способами, являются весьма перспективными [9].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Характеристики использованных в качестве матриц полимеров приводятся в таблице 1.
Табл. 1. Характеристики матриц полимеров
Учитывая вышеизложенное, нами ставилась цель: разработать подобные на-нокомпозиты с использованием ПП, сополимеров этилена с пропиленом и модификаторов — наноглины и моторного масла SAE5W30 (последний выполняет роль структурного пластификатора).
Показатели ПП БЭП РЭП
Плотность при 200С, кг/м3 910 930 920
Показатель текучести расплава, г/10мин (при 1900С) 3.8 7.1 8.7
Температура расплава, 0С 170-175 175-180 181 -185
Предел прочности, МПА при 31.4 25.6 28.5
растяжении
Относительное удлинение, 0С 185 200 600
при разрыве,%
Водопоглощение (30 суток, 200С), % 0.030 0.003 0.005
Характеристики использованных в работе модификаторов:
1) Наноглина (из месторождения Гызыл-Даре Азербайджанской Республики) представляет собой осадочную горную породу (пылевидную в сухом состоянии и пластическую при увлажнении). Состоит из одного или нескольких минералов группы каолинита, монтмориллонита или других слоистых алюмосиликатов. Состав (% мас.): SiO2 - 47.0; А^Оз - 39.0; Н2О - 14.0.
2) Моторное масло SAE5W30: кинема-
0 2 тическая вязкость при 1000С ~10мм 2/с,
температура вспышки (в открытом тигле)
180-1820С, температура застывания -33-
340С.
Были составлены композиции на основе вышеуказанных полимерных матриц и различных количеств наполнителя (глины) и масла SAE5W30 (выполняющего роль структурного пластификатора). Об-
разцы готовились на горячих вальцах при температуре 1800С и продолжительности 810 мин.
Сначала в расплав вводили наполнитель (глину) в рассчитанном количестве (от 4-5 до 25%), далее масло SAE5W30 (структурный пластификатор от 0.5 до 4%). Смесь тщательно перемешивалась до получения однородной массы. Композит (в количестве 30г) помещали в прессформу и осуществляли прессование. Из полученных пластин вырубали образцы для последующих испытаний.
Оценочными показателями служили значения разрушающего напряжения (при растяжении) и относительно удлинения (по ГОСТ 17370-71), коэффициент трения (по ГОСТ 11012-69). Кроме того, измеряли текучесть расплава композиции (перед отверждением).
450 РАЗРАБОТКА НОВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Из таблицы 2, в которой представлены результаты испытаний полученных композиционных материалов, видно, что используя в качестве матрицы промышленный 1111, а в качестве модифицирующих ингредиентов наноглину и моторное масло SAE5W30 в различных массовых соотношениях, можно регулировать показатели разрушающего напряжения при разрыве и
Что же касается результатов испытаний композиций, составленных на основе БЭП (или РЭП), наноглины и моторного масла, то можно сказать, что закономерности, установленные с использованием 11 в качестве матрицы, почти сохраняются. Достаточно ввести в состав композицию всего 2-4% моторного масла, чтобы достичь высоких антифрикционных свойств полученных материалов (коэффициент тре-
коэффициент трения. Из результатов сравнительных испытаний можно заключить о важности включения в композицию моторного масла с тем, чтобы снизить коэффициент трения от 0.22-0.29 (без масла) до 0.150.18 с 1-3% масла, что явно указывает на пластифицирующее влияние его на полипропиленовые цепи.
ния при расходе 3-4% масла составляет 0.11-0.17).
Композиции на основе БЭП и РЭП обладают более высокими значениями относительного удлинения, чем полученные на основе ПП. Так, например, композит, полученный из 95% РЭП и 5% наполнителя (глины), обладает высокой эластичностью (относительное удлинение при разрыве составляет 480%). При добавлении в компо-
Табл. 2. Результаты испытаний полученных композитных материалов
Соотношение Разрушающее Относительное Показатель Коэффициент
компонентов, % напряжение, МПА удлинение, % расплава, г/10мм трения
ПП : наноглина : моторное масло
75:25:0 26.4 хрупкий 13.6 0.22
85:15:0 27.32 хрупкий 11.4 0.29
71:25:4 26.2 5 17.2 0.23
70:26:4 22.3 15 12.7 0.24
72:25:3 29.4 15 15.8 0.18
84:15:1 31.6 10 13.4 0.15
94:5:1 35.5 10 7.2 0.28
95,5:4:0,5 33.7 10 7.9 0.29
БЭП : наноглина : моторное масло
85:15:0 24.3 35 3.9 0.21
75:25:0 22.5 15 5.6 0.24
70:26:4 22.7 40 6.6 0.17
72:25:3 25.9 70 7.5 0.11
93:5:2 27.7 170 3.8 0.13
95,5:4:0,5 27.4 90 2.1 0.19
РЭП : наноглины : моторное масло
75:25:0 22.3 35 1.8 0.25
70:26:4 23.5 75 2.9 0.17
72:25:3 27.3 80 4.5 0.11
95,5:4:0,5 29.8 505 2.5 0.15
95:5:0 27.1 480 1.0 0.21
ШМУА PROBLEMLЭRÍ № 4 2017
зицию всего 0.5% моторного масла увеличивает его до 505%.
Таким образом, природа использованной матрицы (при прочих равных условиях) оказывает существенное влияние на эластичность композиции. С увеличением содержания инертного наполнителя (глины) в составе композиции, как и следовало ожидать, способствует снижению эластичных свойств.
Таким образом, проведенные нами эксперименты показывают, что путём изменения соотношения компонентов в исходной смеси можно легко регулировать свойства полученных наполненных композиционных материалов, обладающих достаточно высокими антифрикционными и прочностными свойствами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Под ред. В.А. Каргина. Энциклопедия полимеров. /Советская Энциклопедия, 1972, т. 1, С. 198-203.
2. Герасин В.А., Гусева М.А., Ребров А.В., Королев Ю. М., Антипов Е. М. Влияние физико-механических характеристик полимерной матрицы и структуры наполнителя на деформирование и поведение наномпозитов полимер-монтмориллонит. // Высокомолекулярные соединения, Серия А, 2009, т. 51, №3, с. 454-468.
3. Волынский А.Л., Бакеев Н.Ф. Новый подход к созданию нанокомпозитов с полимерной матрицей. // Высокомолекулярные соединения, 2011, серия Б, т. 53, №7, с. 1203-1216.
4. Haggenmuelleretal R. Aligned single-wall carbon nanotubes in composites by melt processing methods. //Chem. Phys. Lett., 2000, 330, № 3-4, pp. 219-225.
5. Помогайло А.Д. Гибридные полимер-неорганические нанокомпозиты. // Ус
пехи химии, 2000, т. 69, №7, с. 60-89.
6. Иванчев С.С., Озерин А.Н. Наноструктуры в полимерных системах. // Высокомолекулярные соединения, 2006, серия Б. т. 48, №8, с. 1531-1541.
7. Суслов А.Ю., Бондаренко Г.Н. и др. Строение поверхностно-модифицированных трибоактивных наноча-стиц трисульфида молибдена. // Нефтехимия, 2005, т. 45, № 1, с. 21-24.
8. Ковалева Н.Ю., Бревнов П.Н. и др. Синтез нанокомпозитов на основе полиэтилена и слоистых силикатов методом интеркаляционной полимеризации. // Высокомолекулярные соединения, 2004, серия Б, т. 46, № 5, с. 1045-1051.
9. Арзуманова Н.Б., Кахраманов Н.Т., Мамедли У.М., Ляляева Р.Н., Гулиев А.М. Физико-механические свойства нанокомпозитов на основе блок-сополимера пропилена с этиленом.
// Елшуа РгоЬ1еш1еп. 2017 (15) 2, с. 167-172.
REFERENCES
1. Encyclopedia of polymers./Sovetskaya Encyclopedia. Edited by V.A.Kargin. 1972, vol. 1, pp. 198-203. (In Russian).
2. Gerasin V.A., Rebrov A.V., Korolev Yu.M., Antipov E.M. Influence of physical-mechanical characteristic of polymer matrix and structure of filler on the formation and behavior of nanocompo-site of polymer-montmorillonite. Vysokomolekulyarniye soyedineniya -Polymer Science. Series A, 2009, vol. 51, no. 3, pp. 454-468. (In Russian).
3. Volynskiy A.L., Bakeev N.F. A new approach to the creation of nanocomposites with polymer matrix Vysokomolekulyarniye soyedineniya - Polymer Science. Series B. 2011, vol. 53, no. 7, pp. 1203-1216.
4. Haggenmuelleretal R. Aligned single-wall carbon nanotubes in composites by melt processing methods. Chem. Phys. Lett., 2000, 330, № 3-4, p. 219-225.
5. Pomogaylo A.D. Hybrid polymer-inorganic nanocomposites. Uspekhi khimii- Russian Chem.Rev. 2000, vol. 69, no. 7, pp. 60-89.
452 РАЗРАБОТКА НОВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
6. Ivantsev S.S., Ozerin A.N. Nanostructures in polymer systems. Vysokomolekulyarniye soyedineniya - Polymer Science. Series B , 2006, vol. 48, no. 8, pp. 1531-1541. (In Russian).
7. Suslov A.Yu., Bondarenko G.N. and et al. Structure of surface-modified tribo-active nanopar-ticles of molybdenum trisulfide. Neftehimiya - Petrochemistry, 2005, vol. 45, no. 1, pp. 21-24.
8. Kovaleva N.Yu., Brevnov P.N. and et al. Synthesis of nanocomposites based on polyethylene and laminate silicates by means of intercalation polymerization. Vysokomolekulyarniye soyedineniya - Polymer Science. Series B, 2004, vol. 46, no. 5, pp. 1045-1051. (In Russian).
9. Arzumanova N.B., Kakhramanov N.T., Mammadli U.M., Lalayeva R.N., Guliyev A.M. Physical-mechanical properties of nano-composites based on ethylene-propylene block copolymer. Kimya Problemleri - Chemical problems. 2017, no. 2, pp.167-172. (In Azerbaijan).
DEVELOPMENT OF NEW COMPOSITION MATERIALS ON THE BASIS OF POLYPROPYLENE, COPOLYMERS OF ETHYLENE WITH PROPYLENE, NANOCLAY AND MOTOR OIL SAE5W30
G.Sh. Gasimova
Institute of Polymer Materials of the National Academy of Sciences of Azerbaijan S.Vurgun str. 124, AZ5004, Sumgait, Azerbaijan; e-mail: [email protected]
The paper presents results of the research into the development of filled composition polymer materials based on propylene, copolymers of ethylene with propylene and modifiers - Azerbaijan nanoclays and motor oil SAE5W30. It found that in combination with composition of the above-mentioned polymer matrices and insignificant quantity of nanoclay and motor oil there are obtained sufficiently high antifriction indices of materials produced. A coefficient of material friction prepared by rolling (at 180°) of mixture consisting of: a) 84% mass of PP, 15% of clay and 1% of motor oil, is equal to 0.15; b) 72 mass. % of ethylene-propylene copolymer, 25 mass. % of clay and 3% mass of motor oil, is equal to 0.11. Keywords: polypropylene, copolymers of ethylene with propylene, modifiers, motor oil, composition materials.
POLiPROPiLEN, ETiLEN-PROPiLENSOPOLiMERLORi, NANOGiL VO SAE5W30 MOTOR YAGIOSASINDA YENiKOMPOZiTMATERiALLARININi§LdNiB HAZIRLANMASI
G.§. Qasimova
Azdrbaycan Milli Elmldr Akademiyasi Polimer Materiallari institutu, AZ5004, Sumqayit§. S.Vurgun kuq. 124; e-mail:[email protected]
Azdrbaycan yataqlarindan alinan nanogil vd SAE5W30 motor yagi ild doldurulmu§ poliolefinldr (polipropilen PP, etilen - propilen sopolimerldri) dsasinda yeni kompozit materiallarinin alinmasi tddqiq olunmu§dur. Mudyydn olunmu§dur ki, polimer matrisldrd az miqdarda nanogil vd motor yagi dlavd etmdkld alinan materiallarda gox yuksdk antifriksion xassdldr yaranir.Vdrddnddd (180°C) alinan materialin surtunmd dmsali: a)84 kut.%PP, 15 kut.% gil vd1 kut.% motor yagi olan tdrkibdd 0.15;b) 72 kut. % etilen- propilen sopolimeri, 25 kut. % gil vd 3 kut. % motor yagi olan tdrkibdd 0.11 olur. Agar zozfor: polipropilen, etilen- propilen sopolimerldri, motor yagi, kompozit materiallari.
Поступила в редакцию 21.09.2017.
