CC BY
51
УДК 678.5.046
В. С. Анпилогова*, Т. П. Кравченко, Ней Зо Лин, В. А. Никонов Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125190, Москва, Миусская площадь, д. 9 * e-mail: sharpbrush@mail.ru
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИЭТИЛЕНА С НАНОДОБАВКАМИ
В работе рассмотрены реологические свойства нанокомпозитов на основе полиэтилена высокой плотности. Показаны преимущества введения углеродных нанотрубок и Лапроксида в качестве модификатора полиэтилена высокой плотности при регулировании реологических свойств.
Ключевые слова: полиэтилен высокой плотности, нанотрубки, модификаторы, реология, вязкость.
В последнее время повышенный интерес у исследователей вызывает возможность
регулирования свойств термопластов
нанонаполнителями различной природы и строения. Свойства композиционных материалов (КМ) на основе полиэтиленовых матриц, наполненных углеродными наночастицами, рассмотрены в литературе недостаточно полно [1, 2].
Задачей данной работы являлось рассмотрение реологических свойств полиолефинов с нанодобавками и подбор оптимальных параметров переработки данных материалов с улучшенными реологическими характеристиками.
В последнее время как наполнитель часто используются углеродные нанотрубки (УНТ), представляющие собой полые трубки, состоящие из свернутых слоев углерода. Они считаются идеальным армирующим материалом для полимеров, но для промышленного производства технология еще не готова. Для обеспечения равномерности распределения трубок в полимерной матрице необходимо подобрать модификаторы, предотвращающие образование агломератов. Многообразие углеродных нанотрубок, широкий диапазон их свойств и почти неограниченные возможности модифицирования, позволяют говорить о них как об основе нового поколения материалов.
Углеродные нанотрубки в полимерных матрицах оказывают большое влияние в основном на электропроводность, вязкость при сдвиге и другие физико-механические свойства, являясь гибридами наполнителей и добавок наноразмеров, давая возможность получения «интеллектуальных» материалов [3].
Нами исследованы композиционные материалы на основе полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) и углеродных нанотрубок, полученных пиролизом метана на кобальт-молибденовом катализаторе по методике [4]. Применяли два типа нанотрубок (таблица 1).
Таблица 1. Сравнительная таблица УНТ с различным содержанием катализатора.
Наименование показателя УНТ-1 УНТ-2
Содержание М§0 (остальное СоМо), мас.% 95 99,5
Удельная поверхность, м2/г 277 1308
Удельное сопротивление, Ом-см 0,06 0,04
Насыпной вес, г/см3 0,25 0,17
Зольность, % <5 <5
Особенности технологии получения
термопластичных полимерных композитов связано с трудностью равномерного распределения и диспергирования нанотрубок по всему объему матрицы [5-7].
В работе исследован полиэтилен трубной марки ПЭ 273-83, который находит широкое применение: из него изготавливают напорные трубы как питьевого, так и хозяйственного водоснабжения, канализационные и газовые трубы, а также переходники и фитинги.
Оценивались реологические свойства полиэтилена с нанодобавками, а именно показатель текучести расплава (ПТР) по ГОСТ [8] и вязкость по методике [9]. Как известно, вязкость расплавов, а также температура текучести (Тт) полимеров существенно зависят от концентрации наполнителя и формы его частиц. При этом если в расплаве формируется структура, образованная частицами наполнителя, то реологические свойства определяются в значительной мере этой структурой. Собственные реологические свойства полимерной среды также играют первостепенную роль и по-разному сказываются на реологическом поведении наполненной различными наполнителями системе [10].
Для улучшения распределения малых количеств нанотрубок по всему объему полимерной матрицы были использованы модификаторы, а также различные приёмы введения ингредиентов. В качестве модификатора, применяли Лапроксид 301Г - моноглицидиловый эфир 2-этилгексанола. Лапроксиды использовались для улучшения совместимости полиолефинов с нанодобавками, а
также для их более равномерного распределения в матрице.
Также для улучшения совместимости неполярного ПЭ и малых количеств нанотрубок при получении композиции применяли метод ультразвукового воздействия. Известно, что ультразвуковые колебания обеспечивают сверхтонкое диспергирование, способствуя увеличению межфазной поверхности реагирующих веществ.
Смешение компонентов происходило в расплаве цилиндра двухшнекового экструдера при температуре 170-210±5°С. Экструдат выходил в виде стренг, которые резались на гранулы 4-5 мм в роторной ножевой дробилке.
Варьируя содержание нанотрубок от 0,05 до 0,2 мас.%, можно проследить изменение значения ПТР и найти оптимальную концентрацию нанодобавки в композиционном материале при температуре переработки композиции, а именно 190°С (рис. 1).
—А— ПЭ+УНТ-1(1) —■— ПЭ+УНТ-2 (2)
Л 1—
■г \ » —■ \ (2)
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20
с, масс.%
Рис.1.Зависимость ПТР композиционного материала от концентрации нанотрубок
Как видно из графика (рис. 1), более высокие показатели ПТР наблюдаются при концентрации УНТ-1 0,05мас.%. Аналогичный эффект наблюдается при введении в ПЭ нанотрубок УНТ-2: заметное увеличение ПТР происходит при концентрации 0,05мас.% в композиционном материале. Данная композиция использована для дальнейшего исследования реологических свойств разрабатываемых композитов.
Ниже приведен график зависимости ПТР от температуры для композиционного материала с УНТ-1 и УНТ-2 с концентрацией 0,05мас.% (рис. 2.).
т, "с
Рис. 2. Зависимость ПТР композиционного материала от температуры при введении нанотрубок (концентрация 0,05 мас.%)
Большая текучесть расплава КМ, как это видно из рисунка 2, наблюдается при содержании УНТ-2 во всем интервале изученных температур. Возможно, это связано с большей удельной поверхностью УНТ-2 по сравнению с УНТ-1. В связи с этим дальнейшие исследования проводились при введении в ПЭВП нанотрубок УНТ-2.
Известно, что совместимость полимерной матрицы и наполнителя можно увеличить введением добавок - модификаторов, в частности Лапроксида. Результаты ПТР и вязкости композитов с различным содержанием Лапроксида приведены на диаграмме 1.
Из диаграммы видно, что показатели ПТР выше, а вязкости ниже у композиций, содержащих Лапроксид с концентрацией 1мас.%.
Таким образом, показано, что композиционный материал состава ПЭ 273 + Лапроксид (1мас.%) + УНТ (0,05мас.%) с более высокой удельной поверхностью (1308 м2/г) имеет лучшие реологические показатели по сравнению с другими композициями.
Диаграмма 1. Свойства нанонаполненного ПЭ с различным содержанием модификатора при Т=190оС
(1)- ПТР, г/10мин; (2) - г), 10"2 кПа-с
Анпилогова Валерия Сергеевна, магистрант 1 курса 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.
Ней Зо Лин, аспирант кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Никонов Владислав Алексеевич, студент 4 курса кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Кербер М.Л. и др. Полимерные композиционные материалы. Структура. Свойства. Технологии: учебное пособие. СПб.: Профессия. - 2008. - 560с.
2. Ю-Винг Май, Жонг-Жен Ю. Полимерные нанокомпозиты. - М.: Техносфера, 2011. - 688 с.
3. Раков Э.Г. Нанотрубки и фуллерены: учебное пособие. - М.: Логос, 2006. - 235 с.
4. Раков Э.Г., Гришин Д.А., Гаврилов Ю.В. и др. Морфология пиролитических углеродных нанотрубок с малым числом слоев // Ж. физ. химии. - 2004. Т. 77. - № 12. - С. 2204-2209.
5. Ковальчук А.А., Щеголихин А.Н., Дубникова И.Л. Нанокомпозиты: полипропилен/ многостенные нанотрубы // Пластические массы. - 2008. - №5. - С. 27-29.
6. Ханнинг Р., Хилл А. Наноструктурные материалы. - М.: Техносфера, 2009. - 488 с.
7. Старостин В.В. Материалы и методы нанотехнологий: учебное пособие. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2010. - 432 с.
8. ГОСТ 11645-73 - Пластмассы. Метод определения показателя текучести расплава термопластов.
9. Акутин М.С., Тихонов Н.Н. Лабораторные работы по реологии полимеров : лаб. практикум. - М.: МХТИ им. Д. И. Менделеева, 1983. - С. 13-14.
10. Малкин А.Я., Исаев А.И. Реология. Концепции, методы, приложения. - М.: Профессия, 2007. - 560 с.
Anpilogova Valerya Sergeevna*, Kravchenko Tatyana Petrovna., Ney Zo Lin, Nikonov Vladislav Alekseevich
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: sharpbrush@mail.ru
RHEOLOGICAL PROPERTIES OF POLYETHYLENE WITH NANO-ADDITIVES Abstract
In the paper the rheological properties of nanocomposites based on high density polyethylene are studied. Advantages of introduction of carbon nanotubes and Laproksid as modifiers in polyethylene of high density are shown.
Key words: polyethylene, nanotubes, modifiers, rheology, viscosity.
