Одним из наиболее перспективных направлений развития современной науки является нанотехнология – получение и использование материалов имеющих в составе наночастицы [3, 9].
Известно, что для улучшения эксплуатационных характеристик пластмасс применяются наполнители в количестве 30-50 масс.%. Наполненные пластмассы применяются, главным образом, как конструкционный материал [11, с.328].
В современном мире различные виды полимерных композиционных материалов на основе нанонаполнителей активно вытесняют традиционные материалы [10].
Модификация полиэтилена путем создания различных композиционных материалов позволяет значительно расширить области его применения. Наполненный полиэтилен занимает одно из первых мест среди наполненных термопластов. В настоящее время все больше внимания уделяется разработке композитов с наноразмерными наполнителями. Такие композиционные материалы обладают более высокими показателями, чем композиционные материалы с микро- и макронаполнителями. Введение даже небольшого количества в полиэтилен наноразмерного наполнителя может существенно повысить физические свойства, улучшить барьерные качества, повысить термостойкость и электропроводность [5, 2].
Развитие науки о наноразмерных и кластерных металлсодержащих частицах в матрицах полимеров стимулируется постоянно растущим интересом к данной проблеме во многих областях химии, физики и материаловедения Развитию таких исследований во многом способствовало создание металлополимерных композиционных материалов, обладающих специфическими физико-механическими и эксплутационными свойствами: повышенной тепло- и электропроводностью, высокой магнитной восприимчивостью, способностью экранировать ионизирующее излучение. Металлополимерные композиционные материалы используют главным образом в электронной и радиотехнической промышленности, а также в авиа- и ракетостроении [7,12].
Представленная работа посвящена получению и исследованию свойств композиционных материалов на основе полиэтилена высокого давления (ПЭ) с применением в качестве нанонаполнителей, металлсодержащих наночастиц, стабилизированных на полимерной матрице.
Экспериментальная часть
В работе использованы: полиэтилен высокого давления марки 15803-020 (ПЭ), в качестве нанонаполнителя (НН) применялись наночастицы оксидов металлов, стабилизированные на полимерной матрице.
Нанонаполнитель (НН-1) содержит наночастицы оксида меди, стабилизированные на матрице АБС (акрилонитрилбутадиенового термопласта). Содержание наночастиц 3.9%, размер 11-15 нм, степень кристалличности 25% [4,8]. Нанонаполнитель (НН-2) содержит наночастицы оксида железа, стабилизированные на матрице СКС(бутадиенстирольного каучука). Содержание наночастиц 30%, размер 100 нм, степень кристалличности 45% [1, 5].
Нанокомпозитные полимерные материалы получены путем смешения ПЭ с нанонаполнителями, содержащими наночастицы оксидов меди или оксидов железа, на лабораторных вальцах при температуре 130-135ºС. Для проведения механических испытаний полученные смеси прессовали в виде пластин толщиной 1мм при 170ºС и давлении 10 МПа в течение 10 минут.
Физико-механические показатели полученных композиций определяли на приборе РМИ-250.
Термостабильность полученных композиций исследована на дериватографе марки Q-1500D фирмы МОМ, Венгрия. Испытания проведены в атмосфере воздуха в динамическом режиме при нагреве образца 5 град·мин-1 от 20 до 500°C, навески 100 мг, чувствительности каналов ДTA-250мкВ, TГ-100, ДTГ-1 мВ.
Результаты и их обсуждение
Получены нанокомпозитные полимерные материалы на основе ПЭ с нанонаполнителями, содержащими оксиды меди или оксида железа. Соотношение исходных компонентов (масс. %): ПЭ/НН = 100/(0.5; 1.0; 3.0).
Исследованы физико-механические, реологические, теплофизические и термические свойства полученных нанокомпозитов.
В таблице 1 представлены физико-механические и реологические показатели полученных композиционных материалов.
Таблица 1
Физико-механические и реологические показатели нанокомпозитов
Состав композиции (масс. %) ПЭ НН |
Предел прочности при разрыве,
МПа |
Относитель-ное удлинение, % | Теплостокость по Вика,
ºС |
ПТР, г/10мин. |
100 0 | 10.2 | 500 | 102 | 1.3 |
100 0.5 (НН-1) | 10.7 | 312 | 112 | 5.6 |
100 1.0 | 10.6 | 286 | 110 | 5.7 |
100 3.0 | 9.7 | 212 | 108 | 8.5 |
100 0.5 (НН-2) | 10.7 | 170 | 110 | 0.33 |
100 1.0 | 11.2 | 180 | 116 | 0.66 |
100 3.0 | 11.0 | 160 | 118 | 0.6 |
Как видно из данных табл.1, введение в состав композиции 0.5 — 1.0 масс.% НН-1 приводит к некоторому увеличению показателя прочности от 10.2 до 10.7 МПа. Увеличение концентрации НН-1 более 1.0 масс.% ведет к снижению прочности композита (9.7 МПа), что, вероятно, обусловлено агрегацией наночастиц, приводящей к формированию микродефектов в объеме полимерной матрицы. Увеличение концентрации НН-1 приводит к снижению величины деформации при разрыве композита, что, по-видимому, связано с блокированием подвижности сегментов полимера наночастицами на наноуровне.
Исследование теплостойкости по Вика полученных композиций показало, что введение в состав ПЭ нанонаполнителя НН-1 приводит к некоторому увеличению показателя теплостойкости от 102 до 112 ºС. При этом введение 0.5 масс.% НН-1 приводит к увеличению показателя теплостойкости до 112 ºС, дальнейшее увеличение количества НН-1 ведет к снижению показателя теплостойкости, что обусловлено, вероятно, микродефектностью полученного композита. В то же время, увеличение содержания нанонаполнителя (1-3 масc. %) способствует увеличению показателя текучести расплава (ПТР) до 5.7 (1 масc.%) и 8.5 (3 маcс.%) г/10 мин, что свидетельствует об улучшении текучести композиции и возможности переработки ее путем литья под давлением.
Аналогичные данные физико-механических свойств и теплостойкости по Вика получены при введении в состав композиции нанонаполнителя НН-2.
Как видно из данных табл.1, введение в состав композиции 0.5 — 1.0 масс.ч. НН-2 приводит к некоторому увеличению показателя прочности от 10.2 до 11.2 МПа. Увеличение концентрации НН-2 более 1.0 масс.ч. ведет к снижению показателя прочности до 11.0 МПа, а также уменьшает величину деформации при разрыве композита, что, по-видимому, обусловлено микродефектностью полученного нанокомпозита
Исследование физико-механических свойств полученных композиций показало, что введение в состав ПЭ нанонаполнителей, содержащих наночастицы оксидов меди или оксидов железа, приводит к уменьшению величины относительного удлинения, при некотором увеличении предела прочности при разрыве и теплостойкости по Вика, при этом показатель индекса текучести расплава для композиции ПЭ/НН-1увеличивается от 1.3 до 5.7- 8.5 г/10 мин, а для ПЭ/НН-2 уменьшается в 2 раза.
Анализ данных физико-механических свойств полученных нанокомпозитов показал, что оптимальными свойствами характеризуются композиции состава (масс. %): ПЭ/НН = 100/1.0
Проведены исследования термостойкости полученных нанокомпозитов с оптимальными свойствами при температурах 20÷500ºС. Термостойкость оценивалась по величине периода полураспада, потери массы и энергии активации распада термоокислительной деструкции. В таблице 2 представлены показатели термостойкости полученных нанокомпозитов.
Таблица 2.
Термостойкость полученных нанокомпозитов на основе ПЭ
Состав композиции |
Еа, кДж/моль | τ1/2,
мин |
Потери массы, %, при температуре, °С |
||||||
50 | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 | 350 | |||
ПЭ | 220 | 56 | 0 | 17 | 27 | 31 | 37 | 46 | 60 |
ПЭ/НН-1 | 240 | 66 | 0 | 5 | 5 | 5 | 6 | 18 | 50 |
ПЭ/НН-2 | 270 | 74 | 0 | 3 | 4 | 4 | 6 | 13 | 25 |
Показано, что на начальной стадии термодеструкции от 20 до 250 ºС наночастицы оксидов меди и железа в одинаковой степени повышают термостойкость нанокомпозита — потеря массы составляет 6%, а у исходного ПЭ — 37%. После 250 ºС стабилизирующий эффект наночастиц оксида железа проявляется в большей степени: при 350 ºС потеря массы составляет 25%, с наночастицами оксида меди — 50%, а у исходного ПЭ — 60%. Найдено, что для исходного ПЭ температура плавления(ТПЛ )= 100 ºС, величина периода полураспада (τ1/2) = 56 мин, энергия активации распада термоокислительной деструкции (Еа) = 220 кДж/моль, для нанокомпозита с наночастицами оксида меди ТПЛ = 104 ºС, τ1/2 = 66 мин, Еа = 240 кДж/моль, для нанокомпозита с наночастицами оксида железа ТПЛ = 110 ºС, τ1/2 = 74 мин, Еа = 270 кДж/моль.
Исследования термостойкости полученных композиций показало, что введение нанонаполнителей, содержащих наночастицы оксидов меди или оксидов железа, cмещает температуру плавления в область более высоких температур и способствует увеличению термостойкости полученных нанокомпозитов.
Выводы
Получены новые нанокомпозиты на основе ПЭ с применением нанонаполнителей, содержащих наночастицы оксидов меди или оксидов железа, стабилизированные на полимерных матрицах АБС и СКС соответсвенно, обладающие улучшенными прочностными показателями и высокими значениями термостойкости. Показано, что введение наночастиц в ПЭ приводит к увеличению Тпл от 100ºС (ПЭ) до 104 ºС (ПЭ/НН-1) и 110ºС (ПЭ/НН-2) . Энергия активации распада термоокислительной деструкции возрастает соответсвенно от 220 до 240 и 270 кДж/моль, что свидетельствует о высокой термостойкости полученных нанокомпозитов.
Список литературы
- Алосманов Р.М., Мамедов Г.Г., Азизов А.А. и др./III-Межд. конф. поколл.хим. и физ-хим. механике. Москва. 2008.- С.26.
- Берлин Ал.Ал. // Высокомолек. соед. 2010. Т. 52 А. № 9. — С. 1541-1550.
- Губин С.П.// Рос.хим.журн. 2000. XLIV . №6. С. 23-31.
- Курбанова Н.И., Гусейнова З.Н., Кулиев А.М., Алиева Р.В., Багирова Ш.Р..//Перспективные материалы. 2015. №1. С. 58-64.
- Kurbanova N.I., Huseynova Z.N., Kuliev A.M., Ishenko N.Y., Alosmanov R.M.// European Conf. on Innovations in Technical and Natural Sciences 3rd Internat.scientific conf. Vienna, Austria 2014, p.159-163.
- Помогайло А.Д.// Успехи химии. 2000.Т. 6. №1. С.60-89.
- Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. М.: Химия, 2000.- 672с.
- Pat. Az İ 20110058. 2011.Алиевa Р.В., Азизов A.Г., Кахраманов Н.T. и др.
- Суздалев. И.П., Суздалев П.И..// Успехи химии. 2001.Т. 70. № 3. С.203-240.
- Фостер Л. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности.М.: Техносфера, 2008.- 352с.
- Энциклопедия полимеров. М.: Совет. Энциклопедия. 1974, Т.2, С.328.
- Юрков Г.Ю., Попков О.В., Фионов А.С., Кособудский И.Д.//Все материалы. Энциклопедический справочник. 2011. №6. С. 23-30.[schema type=»book» name=»МЕТАЛЛСОДЕРЖАЩИЕ НАНОКОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ» author=»Курбанова Нушаба Исмаил кызы, Кулиев Азер Мамед оглы, Рзаева Солмаз Ахмед кызы» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-05-29″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.01.2015_01(10)» ebook=»yes» ]