16СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ НАПОЛНЕННЫХ ФОСФАТОВ
ДВУХВАЛЕНТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Гайрат Тураевич Нуралиев
Исследователь-стажёра Термезского государственного университета
Панжи Жовлиевич Тожиев
Доцент Термезского государственного университета, E-mail: [email protected]
Хайит Худайназарович Тураев
Доктор химических наук, профессор, Термезский государственный университет,
Абдулахат Турапович Джалилов
Академик, директор, Ташкентского нучно-исследовательского института
химической технологии [email protected]
АННОТАЦИЯ
Исследовали физико-механические свойства наполненных полиэтиленовых и полиамидных композиций, определение показателя текучести расплава методами визкизометрии, определение прочности при изгибе методами двухопорного изгиба, определение ударной вязкости по Шарпи. Определены реологические характеристики композиционных материалов на основе полиэтилена с фосфатами двухвалентных металлами.
Для получения композиционного материала на основе полиэтиленаизменяли содержание фофатов двухвалентных металловот 1 массовых до 5 массовых частей. Оценка реологических свойств наполненных композитов показала, что с повышением содержания фосфатов металлов текучесть композиций уменьшается, однако полученные композиции можно перерабатывать методом литья под давлением. Полученные данные показывают, что оптимальными являются композиции, содержащие: 3 масс.ч. фосфатов металлов.
Ключевые слова: полиэтилен, полиамид-6фосфатов металлов, атомно-силовая микроскопия, физико-химические и механические свойства.
September, 2022 Multidisciplinary Scientific Journal
83
ABSTRACT
The physico-mechanical properties of filled polyethylene and polyamide compositions, the determination of the melt flow index by vizkisometric methods, the determination of bending strength by the methods of two-bearing bending, the determination of Charpy impact strength were studied. The rheological characteristics of composite materials based on polyethylene with divalent metal phosphates have been determined.
To obtain a composite material based on polyethylene, the content of divalent metal phosphates was changed from 1 mass to 5 mass parts. The evaluation of the rheological properties of the filled composites showed that with an increase in the content of metal phosphates, the fluidity of the compositions decreases, however, the resulting compositions can be processed by injection molding. The data obtained show that the optimal compositions are those containing: 3 wt.h. metal phosphates.
Keywords: polyethylene, polyamide-6 metal phosphates, atomic force microscopy, physicochemical and mechanical properties.
ВВЕДЕНИЕ
Сегодня быстрый рост мирового населения и объемов производства приводит к растущему спросу на полимерные композиционные материалы из года в год. В частности, с каждым днем растет спрос на полимерные композиционные материалы в промышленности и производстве. В связи с этим автомобильная промышленность предъявляет высокие требования к конструкции полимерных материалов. В настоящее время является основой научных исследований получение композиционных материалов, отвечающих ряду требований, таких как модификация полимеров, улучшение их физико-механических свойств, добавление добавок без изменения их состава[1;2].
В работе изпользована в качестве наполнителей двойныхконденсированныхфосфатовдвухвалентныхметалловаммония (ДKФMеA) в полимерныхматериалахразличногосостава (полиамид-6 ,полиэтилен),
котороепоказалоперспективностьиспользованиянекоторыхсоединенийэтогокла сса в качествеантипиренов[3].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Объект исследования - термопластичные
композиционные материалы на основе полиэтилена и
полиамида. Оценка показателя текучести расплава (ПТР),
September, 2022 Multidisciplinary Scientific Journal
84
которая представляет собой выбранную температуру и вязкость расплава со средней молекулярной массой, обычно является количественным ориентиром для производителей труб. Текучесть полиэтиленового расплава и композитов на его основе определяли в капиллярном вискозиметре вытеснения под действием постоянной силы типа ИИРТ-М по ГОСТ 11645-73 ^ТМ D 1238) [2] Определение прочности композитов на изгиб проводилось по ГОСТ 4648-71 (ASTM D 638) [3] методом двустороннего изгиба. Образцы были испытаны в виде балок 55,5 х 6 х 4 мм с расстоянием между сторонами 40 мм. Предел прочности на
л
изгиб был рассчитан по следующей формуле. аи= 1,5 (Ра)/(Ьс )
В данном исследовании ударопрочность определялась в соответствии с ГОСТ 4647-80 (ASTM D 638) по Шарпи [4]. Ударопрочность по Шарпи рассчитывалась с использованием следующего уравнения: ап = Ап/(аЬ), где ап -сила удара Шарпа; Ап - трехкратная рассеиваемая ударная энергия разрушения образца без разрезания; а, Ь - ширина и толщина средней части образца; Величины экспозиции по Шарпу были взяты как среднее из десятков экспериментов, проведенных для каждого образца. Для проверки морозостойкости образцы выдерживались при температуре минус 30 ° С в течение 100 дней, а затем измерялась их ударопрочность по методу Шарпа. . Прочность на разрыв и относительное удлинение образца определяли в соответствии с ГОСТ 11262-80 (ASTM D 638) [5]. Эти параметры определяли на отрезном станке со скоростью деформации 50 мм / мин на образцах лопаточной формы размером 50 х 6 х 4 мм. Предел прочности на разрыв (ар) образцов определяли по следующему уравнению: ар = Р/(аЬ), где Р - нагрузка; а, Ь - толщина и ширина самой узкой части образца, мм. Удлинение при разрыве (бр)определяли по уравнению (ер) = (ДЬ/Ь0)100% с учетом начальной длины образца ^0) и увеличения его длины при разрыве (ДЬ).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В этом исследовании наблюдалось улучшение физико-механических свойств полиэтилена Р-У-342 и полиамида РА-6в системах МеО - М^РОз. Целью работы является улучшение физико-механических свойств полимеров в результате их добавления фосфатовдвухвалентныхметаллов[6]. Это также предполагает разработку методов получения композиционных материалов на основе наноразмерных модификаторов, усиливающих физико-механические свойства полимеров и влияющих на макромолекулы полимера.
Процесс химической модификации полимеров включает
улучшение их физических, механических и химических
https://t.me/ares_uz
Multidisciplinary Scientific Journal
September, 2022
свойств путем введения новых функциональных групп в макромолекулу полимера путем сополимеризации или шивке. [7] В данном исследовании нанокомпозиты были получены путем модификации полиэтилена и полиамида с фосфатов двухвалентных металлов. Из таблицы 1 видно, что свойства нанокомпозитов на основе полиэтилена P-Y 342 и полиамида-?А-6 наполненных фосфатов двухвалентных металлов изменились по сравнению с исходными полимерами. Результаты анализа показывают, что включение наночастиц в полимер улучшает физико-механические свойства полимеров. [8]
Таблица 1. Сравнительный анализ физико-механических свойств композиционных материалов на основе полиэтилена P-Y 342 и полиамида-ПA-6 наполненных фосфатов двухвалентных металловв системах MeO - NH4PO3
Состав композиции Ударная вязкость, кДж/м2 о изгиба, мПа о разрыва, мПа Удлинение, % Усадка, %
ГОСТ 4647-80 ГОСТ 4648-80 ГОСТ 14236-81 ГОСТ 14236-81 ГОСТ 18599-21
P-Y 342 50 24 21 750 3
P-Y 342/3% CuO - NH4PO3 56 35 33 174 2,7
P-Y 342/3% CoO - NH4PO3 60 36 36 170 2,8
P-Y 342/3% NiO - NH4PO3 68 38 48 155 2,2
ПА-6/ 120 100 80 150 2,6
ПА-6/ 3% CuO - NH4PO3 125 118 92 114 2,8
ПА-6/ 3% CoO - NH4PO3 128 130 103 106 2,3
ПА-6/ 3% NiO - NH4PO3 130 146 114 96 2,8
При добавлении 3% NiO - NH4POз к полиэтилену можно заметить, что
л
ударопрочность увеличилась с 50 до 68 кДж / м по сравнению с исходным полиэтиленом, сопротивление изгибу увеличилось с 24 до 38 МПа, а предел прочности на разрыв увеличился с 21 до 48 МПа. [9]. В композиционном материале на основе полиамида можно наблюдать, что ударопрочность увеличилась со 120 до 130 кДж / м по сравнению с исходным полиэтиленом, сопротивление изгибу увеличилось со 100 до 146 МПа, а предел прочности на разрыв увеличился с 80 до 114 МПа. [10]. Таким образом, при добавление 3% МО - КНфР03 к полиолефинам привело к высоким физико-механическим свойствам полимерных композиционных материалов. Во всех случаях можно отметить, что высокая твердость и прочность
September, 2022 Multidisciplinary Scientific Journal
86
полученных результатов были обусловленыфосфатовдвухвалентныхметаллов [11].
АСМ (атомная силовая микроскопия) широко используется для изучения специфики микроструктуры и топографии различных материалов. Этот метод очень чувствителен к пикселям и может формировать поверхность образца, взятого в наноразмерном диапазоне, на трехмерной поверхности. Этот метод наглядно показывает изменение поверхности, формы и размера частиц, а также механических свойств поверхности материала. [12]. Также, в данной работе изучалось влияние модификации частицфосфатовдвухвалентныхметаллов на морфологию поверхности полимера. Анализ и исследование поверхности модифицированных полиолефинов показывают, что частицы фосфатовдвухвалентныхметалловразбросаны среди макромолекул полимера и взаимодействуют.Получены результаты АСМ-анализа композиционного материала на основе полиамида-6 и полиэтилена с двойныхконденсированныхфосфатовдвухвалентныхникелья и аммония. Анализ проводился на АСМ с использованием кремниевых кантилеверов с радиусом поворота 10 нм [13].
Рисунок 1. АСМ изображения композитного материала на основе полиэтилена с фосфатов двухвалентных никелья а) - трехмерное изображение, б) - двухмерное изображение.
Площадь сканирования составляла от 1 до 50 мкм. Микроскопия проводилась на воздухе полуконтактным методом, на линиях регистрации изменения амплитуды колебаний оси противодействия отражены колебания промежуточного движения и рельеф поверхности, что свидетельствует о адгезии отдельных поверхностей друг к другу. На рис. 1 показана поверхность полиэтилена,
модифицированногофосфатовдвухвалентныхникелья.
September, 2022 Multidisciplinary Scientific Journal
87
Результаты показывают, что шероховатость чистого полиэтилена составляет 100 нм, а шероховатость поверхности полиэтилена, модифицированного оксидом алюминия, составляет 210 нм [14-16].
Рисунок 2. АСМ-изображения композитного материала на основеполиамида-6 ифосфатовдвухвалентных никелья: а) - трехмерное изображение, б) -
двухмерное изображение.
На рис. 2 представлено АСМ-изображение полученного композиционного материала, согласно которому шероховатость составляет 100 нм в полиамиде-6 и 122 нм в композитном материале на основе ПА-6, полученном из фосфатовдвухвалентныхникелья.
В данной работе на основе термоаналитических исследований изучаются термоокислительные свойства полученных композиционных материалов. Известно, что полимерные композиционные материалы, наполненные нанокомпозитами счастицамифосфатовдвухвалентныхникельями, разлагаются при более высоких температурах, чем чистые полимеры, и это разложение характеризуется образованием зольного остатка. Это свидетельствует о термической устойчивости полученных композиционных материалов. Комплексные физико-механические свойства композиционных материалов определяются на основе химических изменений состава полимеров в процессе их обработки. Эти процессы проходят при высоких температурах. В данной работе изучались термические и теплофизические свойства: изменение температуры плавления, термостойкость.
Температуру плавления и скорость кристаллизации полимерных композиционных материалов определяли методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Полученные результаты представлены в таблице 2.
September, 2022 Multidisciplinary Scientific Journal
88
Таблица 2. Термодинамические свойства композиционных материалов на основе полиамида ПА-6 с фосфатов двухвалентных металлов.
Состав композиции Начало плавления, То С Пик плавления, Т°С Энтальпия АН, Дж/г Степень кристалличност и а, %
ПА-6/ 220 224 188 55
ПА-6/ 3% CuO - NH4PO3 236 241 197 61
ПА-6/ 3% CoO - NH4PO3 237 243 203 59
ПА-6/ 3% NiO - NH4PO3 239 245 210 58
Для определения интервала эксплуатационных температур полимеров методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) были получены термограммы образцов, наполненных наполнителями.
Таблица 3. Термодинамические свойства композиционных материалов на основе полиэтилена Р-У 342 с фосфатов двухвалентных металлов.
Состав композиции Начало плавления, То С Пик плавления, Т°С Энтальпия АН, Дж/г Степень кристалличности а, %
P-Y 342 125 134 182 62
P-Y 342/3% CuO - NH4PO3 136 147 199 68
P-Y 342/3% CoO - NH4PO3 137 149 193 66
P-Y 342/3%NiO - NH4PO3 139 153 190 65
Сравнительный анализ дифракционных спектров композиционных материалов по типам наполнителей и полимеров показал, что чем больше межслоевое расстояние модифицированных наполнителей и чем выше концентрация наполнителя, тем выше скорость диффузии наполнителя, входящего в состав. Таким образом, степень дисперсности фосфатовдвухвалентныхметалловв полимерной композиции также зависит от продолжительности смешения компонентов и вязкости расплава.
Точные результаты могут быть получены при экспериментальном исследовании размера и формы частиц с использованием методов рентгенофазового анализа (метод Дебая-Шерера). Размер зон когерентного распределения (ЗКР) (размер нанокристаллов) определяется по формуле Дебая-Шеррера: Dp = K X / (B cos 0)
September, 2022 Multidisciplinary Scientific Journal
89
Dp - Средний размер кристаллов (нм) K - постоянная Шеррера. K изменяется от 0,68 до 2,08. Для сферических кристаллов с кубической симметрией K = 0,94
X - длина волны рентгеновских лучей.
Cu Ka = 1,54178 А.
B - интегральная длина рефлексов в дифрактометре FWHM (полная ширина на половине максимума). cos0 - косинусный угол дифракции рентгеновских лучей. [17-19].
Таблица 4. Результаты расчета размера наночастиц композита на основе полиамида ПА-6 и фосфатов двухвалентных никелья по формуле Дебая-
Шеррера
№ 2theta- Угол FWHM- Dp (nm) средний Dp
сканирования интегральная размер (nm)
ширина рефлексов кристаллитов средний
1 8.2 0.478 17.42
2 8.7 0.57 14.61
3 21.3030 0.5584 15.12 15.61
4 24.0203 0.54 15.70
5 26.2200 0.56 15.23
Таблица 5. Результаты расчета размера наночастиц композита на основе полиэтилена Р-У 342 и фосфатовдвухвалентныхникелья по формуле Дебая-
Шеррера
№ 2theta- Угол сканирования FWHM-интегральная ширина рефлексов Dp (nm) средний размер кристаллитов Dp (nm) средний
1. 6.025 0.3461 24.03
2. 8.5571 0.4642 17.94
3. 12.212 0.3481 23.99 23.53
4. 24.8731 0.2868 29.65
5. 26.459 0.3871 22.04
По результатам рентгенофазового анализа установлено, что размер частиц в полученных композиционных материалах находится в наномасштабе.
September, 2022 Multidisciplinary Scientific Journal
90
ВЫВОДЫ
Таким образом, максимальное количество
фосфатовдвухвалентныхметаллов, добавляемого в качестве наполнителя для улучшения физико-механических свойств полимерных композиционных материалов на основе полиамида и полиэтилена, составило 3%. Все полученные результаты показали, что добавление 3% фосфатовдвухвалентныхметалловк полимерам увеличивает прочность и термостойкость полимеров.
REFERENCES
1.Тожиев П.Ж., Нормуродов Б.А., Тураев Х.Х., Джалилов А.Т.Изучение термостойкости композитов на основе полиэтилена, армированного базальтовым волокном // Ташкент : Композиционные материалы-2018.-№ 1.-С.62-65
2.БозороваН.Х., Тураев Э.Р., Джалилов А.Т. Влияние атомов Zn/Ni на свойства полипропилена // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2020. № 7 (76)
3.ГОСТ 11645-73(ASTM D 1238). Пластмассы. Метод определения показателя текучести расплава термопластов. Введ. с 01.01.1975. М.: С.12
4.ГОСТ 4648-71(ASTM D 638). Пластмассы. Метод испытания на статический изгиб. Введ. с 01.01.1973 С. 15
5.ГОСТ 4647-80(ASTM D 638). Пластмассы. Метод определения ударной вязкости по Шарпи. Введ. с 01.06.1981, С.27
6.ГОСТ 11262-80(ASTM D 638). Пластмассы. Метод испытания на растяжение. Введ. с 01.12.1980, С.16
7.ГОСТ 4651-2014(ASTM D 638). Пластмассы. Метод испытания на сжатие. Введ. с 01.03.2015. М.: Стандартинформ, 2014, С.20
8. Чуков Н. А. Композиционные материалы на основе полипропилена и наноразмерныхнаполнителей : диссертация на соискание кандидата технических наук : // Нальчик, 2011.- 110 с.: ил. РГБОД, 61 11-5/1845
9.Henini M., Quantum Dot Nanostructures // Materials Today. - 2002. - V. 48. -P. 140-142.
10. Kiviranta L., Kumpulainen S. Quality Control and Characterriation of BentoniteMaterials//PosivaOY.- 2011. - P.102.
11. Егорова О.В. Направленное регулирование структуры и свойств полиэтилена, наполненного дисперсными наполнителями //О.В.Егорова, Ю.А. Кадыкова, С.Е.Артеменко // Пластические массы. - 2012. - № 4. - С. 57-59.
September, 2022 Multidisciplinary Scientific Journal
91
12. Тожиев П.Ж., Нормуродов Б.А., Тураев Х.Х., Нуркулов Ф.Н. *, Джалилов А.Т.* Изучение физико-механическиx свойств высоконаполненных полиэтиленовых композиций // UNIVERSUM:Химическая технология:электронный научный журнал 2018 №2 (47).
13.Мозжухин В. Б. Влияние технологического оборудования и технологии получения высоконаполненных композиций на основе полиолефинов на их физико-механические свойства / В. Б. Мозжухин и [др.] // Пластические массы. - 2013. - № 1. - С. 54-56.
14.Б.А.Нормуродов, П.Ж.Тожиев, Х.Х.Тураев, А.Т.Джалилов,Ф.Н. НуркуловИзучение физико-механическиx свойств базальтосодержащих полиэтиленовых композиций // Ташкент : Композиционные материалы-2017.-№ 4.-С.10-12
15.Б.А.Нормуродов, П.Ж.Тожиев, Х.Х.Тураев, А.Т.Джалилов Синтез и ИК-спектроскопическое исследование серосодержащего олигомера
// UNIVERSUM:Химия и биология:электронный научный журнал 2018 №2 (44).
16. Крыжановский, В. К. Производство изделий из полимерных материалов учебное пособие // В. К. Крыжановский и [др.]. - СПб. : Профессия, 2014. - 592 с.
17. Бредихин П.А., Кадыкова Ю.А. Исследование свойств ПКМ, наполненных дисперсным базальтом // V Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум» - 2013.
18. Turaev Kh.Kh., Shukurov D.Kh., Djalilov A.T., Karimov M.U. New review of dye sensitive solar cells // International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT), -India, Hindiston. -2021. -№ 69(9). -Р. 265-271. doi: 10.14445/22315381/IJETT-V69I9P232. Scopus, CiteScore 2021:0.6
19. Shukurov D.Kh.,Turaev Kh.Kh., Tojiyev P.J., Karimov M.U. Synthesis of Polyaniline Dye Pigment and Its Study in Dye-Sensitive Solar Cells // International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT), -India, Hindiston. -2022. -№ 70(4). -Р. 236-244. doi: 10.14445/22315381/IJETT-V70I4P220. Scopus, CiteScore 2021:0.6
September, 2022 Multidisciplinary Scientific Journal
92
