CC BY
100
УДК 66-963:67.02
ВЛИЯНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОЛИМЕР-УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ТВЕРДОФАЗНОЙ ЭКСТРУЗИИ
Г.С. Баронин, Д.О. Завражин, А.Г. Попов, М.С. Толстых
Тамбовский государственный технический университет,
ул.Советская, 106, Тамбов, 392000, Россия, e-mail: [email protected]
Аннотация. Исследовано влияние СВЧ-излучения на процесс твердофазной экструзии полимер-углеродных нанокомпозитов. Проведена сравнительная оценка эксплуатационных характеристик композиционных материалов. Показано, что сочетание методов твердофазной технологии с дополнительной СВЧ-обработкой полимер-углеродных нанокомпозитов позволяет получать изделия с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Ключевые слова: твердофазная экструзия, ПЭВП, углеродные наноструктурные материалы, модифицированные полимер-углеродные материалы, СВЧ-обработка.
Введение
Переработка полимеров методами пластического деформирования в твердом состоянии заимствована из технологии обработки металлов давлением в твердой фазе. Параметрами твердофазной плунжерной экструзии являются экструзионное отношение Аэкс, температура материала, давление выдавливания Рф, угол входного конуса в капилляр, длина капилляра и наличие модифицирующих добавок. [1].
В ряде работ [2, 3] показана эффективность применения углеродных наноматериалов (углеродных нанотрубок - УНТ и нановолокон - УНВ) для модификации структуры и свойств полимеров.
В процессе исследований разработана методика твердофазной экструзии модифицированных полимер-углеродных материалов с использованием предварительного СВЧ-нагрева. [4].
§1. Объекты и методы исследований
В качестве объекта исследования использовали полиэтилен высокой плотности (ПЭВП)(ГОСТ 16338-85). В качестве модифицирующих веществ применяли углеродные наноструктурные материалы (УНМ) «Таунит» (производства ООО «Нанотехцентр», Россия, г.Тамбов) в виде сыпучего порошка с размером частиц 40-100 нм и технический углерод (сажу) марки К-354 (ГОСТ 7885-86). В качестве заготовок использовали
прутки диаметром 0,005 м и длиной 0,015 м, полученные жидкофазным формованием (ЖФ).
Опыты по твердофазной экструзии (ТФЭ) проводили на экспериментальной установке типа капиллярного вискозиметра с загрузочной камерой диаметром 0,005 м. и экструзионным отношением Аэкс=2,07. Частота СВЧ-излучения магнетрона 2450 МГц. Выходная мощность 700 Вт. Для исследования структуры и определения удельной скорости поглощения энергии использовался модернизированный дифференциальный сканирующий калориметр DSC-2 фирмы Perkin Elmer.
§2. Результаты исследований
Применение СВЧ-обработки позволяет за десятки секунд прогреть заготовку до оптимальной температуры переработки, снижая необходимое давление формования на 10-20% (рис. 1). При оценке прочностных показателей в условиях срезывающих напряжений после обработки по заданной методике показано повышение прочностных характеристик материала до 30 % в направлении, перпендикулярном ориентации в режиме ТФЭ (рис. 2).
Рис. 1. Диаграмма зависимости необходимого давления твердофазного формования от времени СВЧ-нагрева. Аэкс = 2, 07, Тэкс = 298.
Сравнительные механические характеристики исходных полимеров и композитов на их основе представлены в табл. 1. Хорошо прослеживается влияние на прочностные характеристики как введение УНМ, так и комплексного воздействия модификатора, твердофазной технологии и СВЧ-излучения. В том числе, полученные полимер-углеродные
ПЭВП ПЭВП ПЭВП-Ю. 5м.ч. ПЭВП-0,5м.ч. ПЭВП+1м.ч. ПЭВП+1 м_ч_ ПЭВП-Ю,5м.ч. ПЭВП-0,5м.ч. ПЭВП+1м.ч. ПЭВП-1м.ч.
О сек. СВЧ ЗОсек.СВЧ сажи Осек.СВЧ сажи 70сек.СВЧ сажи Осек.СВЧ сажи 70сек.СВЧ УНМ Осек.СВЧ УНМ 40сек.СВЧ УНМ Осек.СВЧ УНМ 70сек.СВ
Рис. 2. Диаграмма изменения прочностных характеристик в условиях срезывающих напряжений тер в зависимости от времени СВЧ-нагрева композиций, полученных ЖФ и прошедших ТФЭ при Аэкс = 2, 07, Тэкс = 298.
нанокомпозиты имеют более высокий модуль упругости при растяжении в сравнении с исходным полимером.
Для полимер-углеродных нанокомпозитов на основе ПЭВП, прошедших твердофазное формование отмечено резкое снижение относительного удлинения при разрыве. Внесение углеродных модификаторов, вероятно, приводит к разрыхлению структуры полимерной матрицы с одновременным снижением эластичности материала. При этом, в результате модификации материала значительно повышаются его прочностные характеристики.
Для изучения термодинамических и теплофизических свойств материалов был использован метод дифференциальной сканирующей калориметрии (рис. 3).
На рис. 3 представлены термограммы исходного ПЭВП (1), исходного ПЭВП при 30 сек. СВЧ-обработки (2) и модифицированного материала ПЭВП+1 масс.част. УНМ 70 сек. СВЧ-обработки (3) и ПЭВП+1 масс.част. сажи 70 сек. СВЧ (4). Все кривые имеют схожий характер, типичный для кристаллизующихся полимеров. Для всех материалов на основе ПЭВП отмечен температурный интервал плавления (410-418 К). Отмечено некоторое снижение удельной скорости поглощения энергии саженаполненных образцов. Таким образом, саженаполненные композиты менее стойки к температурным воздействиям, в отличие от прочих исследованных.
Таблица 1
Сравнительные механические характеристики модифицированных материалов при растяжении в зависимости от состава и времени СВЧ-обработки.
Предел текучести, <тт, МПа Предел прочности при разрыве, ар, МПа О тносительное удлинение при разрыве, ер, % Модулв упругости, Е, МПа
ПЭВП исх, ЖФ 23,122 14,722 3385,7 4,934
ПЭВП+1 масс.част.УНМ, ЖФ 22,862 14,202 3533,8 4,443
ПЭВП+1 масс.част.сажи, ЖФ 22,909 14,11 3756,7 5,432
ПЭВП исх, ТФЭ, 0 сек. СВЧ 33,09 25,195 4935,6 5,968
ПЭВП исх, ТФЭ, 30 сек. СВЧ 34,869 27,442 4695,8 6,248
ПЭВП+1 масс.част.УНМ, ТФЭ, 0 сек. СВЧ 36,663 36,663 2862,6 5,12
ПЭВП+1 масс.част.УНМ, ТФЭ, 70 сек.СВЧ 38,63 38,63 2567,5 5,562
ПЭВП+1 масс.част.сажи, ТФЭ, 0 сек. СВЧ 37,87 37,87 2763,1 5,237
ПЭВП+1 масс.част.сажи, ТФЭ, 70 сек.СВЧ 37,22 37,22 2761,5 5,67
Выводы
1. Применение волокнистых наноматериалов (УНТ, УНВ) в сравнении с техническим углеродом (сажей) более эффективно в связи с их высокими проводящими свойствами (однородным переносом энергии по всей длине волокна) и, как следствие, модификацией более глубоких слоев полимерной матрицы.
2. Сочетание методов твердофазной технологии получения изделий с объемной обработкой СВЧ-излучением позволяет значительно ускорить процесс модификации полимерных материалов по сравнению с другими методами обработки, при этом повышается качество готовых изделий, улучшаются эксплуатационные характеристики: повышение прочностных показателей в условиях срезывающих напряжений до 30 %, повышение предела текучести до 50%, предела прочности при разрыве - до 200%. При этом теплоемкость созданных материалов остается практически неизменной.
W, Дж/(кг*К)
3
\/
l'ix 4 \\\7
// \ \ V
///
1 / ✓ ///
^ 2
Рис. 3. Зависимость удельной скорости поглощения энергии образцов исходного ПЭВП(1), исходного ПЭВП при 30 сек. СВЧ-обработки(2) и модифицированного ПЭВП+1 масс.част. УНМ 70 сек. СВЧ-обработки(3) и ПЭВП+1 масс.част. сажи 70 сек СВЧ(4)
от изменения температуры.
Исследование выполнено в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (Госконтракт № 14.740.12.0865 по обобщенной теме «Исследование новых конструкционных и функциональных материалов и технологий их обработки») на оборудовании Центра коллективного пользования «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» НИУ «БелГУ».
Литература
1. Баронин Г.С. Переработка полимеров в твердой фазе. Физико-химические основы / Г.С. Баронин и др. - М.: Машиностроение-1, 2002. - 320 с.
2. Раков Э.Г. Волокна с углеродными нанотрубками // Рынок легкой промышленности. - 2007. - №48.
3. Елецкий А.В. Упрочнение полимеров однослойными углеродными нанотрубками // www.nanometer.ru, 2007, №9.
4. Пат. 2361733 РФ, B 29 C 39/00 Способ формования термопластов / Баронин Г.С., Завражин Д.О., Дмитриев В.М., Ткачев А.Г., Иванов С.А. и др. ГОУ ВПО ТГТУ. - №2007128686/12, заявл. 25.07.2007; опубл. 20.07.2009, Бюл. №20.
EFFECT OF MICROWAVE RADIATION ON THE FORMATION OF STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF MODIFIED POLYMER - CARBON MATERIALS IN SOLID EXTRUSION
G.S. Baronin, D.O. Zavrazhin, A.G. Popov, M.S. Tolstykh
Tambov State Technical University,
Sovetskaya St., 106, Tambov, 392000, Russia, e-mail: [email protected]
Abstract. The effect of microwave radiation on the process of solid-state extrusion of polymercarbon nanocomposites. A comparative evaluation of the performance of composite materials.It is shown that a combination of methods of solid-state technology with additional microwave processing of polymer-carbon nanocomposites yields products with improved performance.
Keywords: solid- phase extrusion, HDPE, carbon nanostructured materials, polymer-modified carbon materials, microwave processing.
