CC BY
66
УДК 678.5.046
Анпилогова В.С., Осипчик В.С., Кравченко Т.П., Цыриторов Ц.Б.
СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНА ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ
Анпилогова Валерия Сергеевна, магистрант 2 года кафедры технологии переработки пластмасс; Осипчик Владимир Семенович, д.т.н., профессор кафедры технологии переработки пластмасс; Кравченко Татьяна Петровна, к.т.н., с.н.с., главный специалист кафедры технологии переработки пластмасс, e-mail: kravchenkopolimer@gmail.com;
Цыриторов Цырен Батомункуевич, магистрант 1 года кафедры технологии переработки пластмасс. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9
В работе проведено сравнение реологических и механических свойств после ультрафиолетового облучения композитов на основе полиэтилена высокой плотности с углеродными наполнителями. Показана зависимость физико-механических характеристик композитов от удельной поверхности нанодобавок.
Ключевые слова: полимерные нанокомпозиты, полиэтилен, нанотрубки, нановолокна, сажа, реология, прочность
PROPERTIES OF NANOCOMPOSITES BASED ON HIGH DENSITY POLYETHYLENE
Anpilogova V.S., Osipchik V.S., Kravchenko T.P., Tsyritorov Ts. B. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The paper compares rheological and mechanical properties after ultraviolet irradiation of composites based on high-density polyethylene with carbon fillers. The dependence of the physico-mechanical characteristics of composites on the specific surface of nanoadditives is shown.
Keywords: polymer nanocomposites, polyethylene, nanotubes, nanofibers, black carbon, rheology, strength
Углеродные наполнители на протяжении многих лет используются при создании композитов на основе полимеров. Известно, что при добавлении наноструктурирующих добавок повышаются прочностные, теплофизические и реологические свойства полимеров. Применение сажи в качестве наполнителя для трубного полиэтилена повышает стойкость изделий к УФ излучению, а также в некоторой степени механические характеристики.
Изучена зависимость реологических и механических свойств полученного
композиционного материала (КМ) от удельной поверхности вводимого ряда нанодобавок. Проведено сравнение влияния нанодобавок и сажи в композитах на основе ПЭВП на физико-химические свойства при воздействии УФ излучения.
В работе был выбран полиэтилен трубной марки ПЭВП Снолен (класс ПЭ 100), который применяется для изготовления напорных, газовых труб и труб для питьевой воды (Производитель ОАО «Газпром Нефтехим Салават»). Для модификации применяли углеродные нанотрубки (УНТ) с удельной поверхностью 1308 и 277 м2/г и нановолокна (УНВ) с Sуд = 24 м2/г [1] в количестве 0,1 масс. %, а также фуллерен С60 в количестве 0,5 масс. % (удельная поверхность 48 м2/г). Концентрация нанодобавок была обоснована в статьях [2, 3].
Для сравнения в качестве наполнителя использовался концентрат сажи стандарт-класса Баско с насыпной плотностью 0,64 г/см3
(Производитель ООО НПФ «Барс-2»). В работе [4] была предложена оптимальная концентрация сажи 2 масс. %, используемый в основном в качестве антиоксиданта.
Сравнение показателей текучести расплава (ПТР) и реологических свойств композитов на основе ПЭВП с наночастицами различной природы и сажей представлены на рисунке 1 и 2.
а иг т
ПТР. г/10мнн
Рис 1. ПТР композиций на основе ПЭВП с добавками: 1 - ПЭ исходный; 2 - ПЭ+УНТ1308 0,1%; 3 - ПЭ+УНТ277 0,1%; 4 - ПЭ+УНВ 0,1%; 5 - ПЭ+С60 0,5%; 6 - ПЭ+ сажа 2%
Рис. 2. Кривые течения композиций на основе ПЭВП с добавками: 1 - ПЭ исходный; 2 - ПЭ+УНТ1308 0,1%; 3 -ПЭ+УНТ277 0,1%; 4 - ПЭ+УНВ 0,1%; 5 - ПЭ+С60 0,5%; 6 -ПЭ+сажа 2%
При рассмотрении реологических свойств композиционных материалов с нанотрубками и нановолокнами наблюдается рост ПТР и скорости сдвига и соответственно снижение вязкости по сравнению с исходным и наполненным сажей полиэтиленом. При этом прочностные характеристики также возрастают (рис. 3).
При добавлении сажи в полиэтилен ПТР практически не изменяется, а реологические свойства ухудшаются при увеличении напряжения сдвига, что непосредственно влияет на параметры переработки таких КМ в изделия.
Рис. 3. Влияние нанодобавок на ударную вязкость (а) и прочность при разрыве (б) композиций на основе ПЭВП: 1 - ПЭ исходный; 2 - ПЭ+УНТ1308 0,1%; 3 - ПЭ+УНТ277 0,1%; 4 - ПЭ+УНВ 0,1;, 5 - ПЭ+сажа 2%
В работе [5] показано, что введение в ПЭВП углеродных нанотрубок обеспечивает локальное (в отличие от сажи) армирование матрицы на микроуровне пучками нанотрубок,
сопровождающееся формированием сферолитной структуры. Также УНТ в силу структурных особенностей обладают большими объемами сорбционного пространства и величиной удельной поверхности, что может свидетельствовать в пользу их высокой сорбционной и адгезионной активности.
Одна из причин введения сажи в полиэтилен -чувствительность полимера к окислению и старению. Известно, что полиэтилен обладает определенной степенью разветвленности, имея третичные атомы углерода, которые поглощают свет с высокой длиной волн, что приводит к образованию свободных радикалов. При воздействии кислорода, УФ и высоких температур физико-механические свойства полиэтилена ухудшаются. Сажа в этом случае, выступает в роли абсорбента ультрафиолета, замедляя скорость поглощения кислорода.
Для оценки влияния наночастиц на изменение свойств композиционных материалов образцы ПЭВП с нанодобавками в виде брусков подвергались воздействию УФ излучения при длине волн 290-320 нм и температуре 25°С в течение 120 часов.
Зависимость изменения ударной вязкости (А), прочности при разрыве (о разрыв) от времени облучения для композитов с нанодобавками (концентрация 0,1 масс. %) показана на рисунке 4 а и б.
Рис.4. Изменение ударной вязкости (а) и прочности при
разрыве (б) нанокомпозитов при воздействии УФ излучения: 1 - ПЭ исходный; 2 - ПЭ+УНТ1308 0,1%; 3 -ПЭ+УНТ277 0,1%; 4 - ПЭ+УНВ 0,1%
На рисунке 4 заметно небольшое снижение прочности и ударной вязкости композитов, наполненных УНТ]308 и УНТ277, не превышающее 20%. Наибольшее снижение показателей у исходного ПЭВП (25-30%).
Рис. 5. Изменение свойств композиции ПЭВП+сажа 2% после воздействия УФ излучения 1 -А, кДж/м2; 2 - ст разрыва, МП; 3- ст изгиба, Мпа; 4-относительное удлинение, %
Изменение свойств под действием УФ излучения саженаполненного ПЭВП происходит довольно интенсивно (25-40%) (рис. 5), возможно, из-за недостаточно равномерного распределения сажи в ПЭВП, которое может не только привести к снижению стойкости к УФ излучению, крупные агломераты сажи могут работать как местные концентраторы напряжений, увеличивая вероятность разрушения композиционного материала при эксплуатации.
Полученные результаты показали, что поглощение УФ приводит к снижению прочностных свойств исходного ПЭВП, а также КМ с частицами с малой удельной поверхностью: сажей, УНВ. Следует отметить, что на процессы
стабилизации свойств влияет удельная поверхность наночастиц и их количество в составе композитов. Таким образом, с точки зрения устойчивости к УФ и высоких механических характеристик оптимальной рецептурой является ПЭВП с УНТ1308 в количестве 0,1 масс. %.
Работа выполнена в рамках базовой части Госзадания 17.1.18.0026.01 (10.4702.2017/Б4).
Список литературы
1. Раков Э.Г. Пиролитический синтез углеродных нанотрубок и нановолокон // Рос. хим. ж.. - 2004. -№ 5. - С. 12-20.
2. Анпилогова В.С., Ней Зо Лин, Кравченко Т.П. Реологические и физико-механические характеристики нанокомпозитов полиэтилена низкого давления // Пластические массы. -2017. - № 3-4. - С. 19-22.
3. Диканова Н.С., Мацеевич А.В., Коврига О.В. и др. Исследование предельных механических свойств нанокомпозитов на основе ПЭНД // Пластические массы. - 2016. - № 11-12. - С. 33-36.
4. Григоров А.О., Узденский В.Б., Козырь Р.П. Влияние пленочных концентратов на физико-механические свойства окрашенных пленок из ПЭВД // [Эл. ресурс] URL: https://plastinfo.ru/information/articles/155 (дата обращения 01.05.2017)
5. Кропотин О.В. Износостойкие ПТФЭ-композиты для повышения надежности металлополимерных герметизирующих устройств изделий машиностроения: автореф. дис. доктора тех. наук. - Томск, 2016. -34 с.
