МЕТАЛЛСОДЕРЖАЩИЕ НАНОКОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

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(Т_ПЛ )= 100 ºС, величина периода полураспада (τ_1/2) = 56 мин, энергия активации распада термоокислитель­ной деструкции (Е_а) = 220 кДж/моль,  для нанокомпозита с  наночастицами оксида меди Т_ПЛ = 104 ºС,  τ_1/2 = 66 мин, Е_а = 240 кДж/моль,  для нанокомпозита с  наночастицами оксида железа Т_ПЛ = 110 ºС, τ_1/2 = 74 мин, Е_а = 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 Т_пл 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

1. Алосманов Р.М., Мамедов Г.Г., Азизов А.А. и др./III-Межд. конф. поколл.хим. и физ-хим. механике. Москва. 2008.- С.26.
2. Берлин Ал.Ал. // Высокомолек. соед. 2010. Т. 52 А.  № 9. — С. 1541-1550.
3. Губин С.П.// Рос.хим.журн. 2000. XLIV . №6. С. 23-31.
4. Курбанова Н.И., Гусейнова З.Н., Кулиев А.М., Алиева Р.В., Багирова Ш.Р..//Перспективные материалы. 2015. №1. С. 58-64.
5. Kurbanova N.I., Huseynova Z.N., Kuliev A.M., Ishenko N.Y., Alosmanov R.M.// European Conf. on Innovations in Technical and Natural Sciences 3^rd Internat.scientific conf. Vienna, Austria 2014, p.159-163.
6. Помогайло А.Д.// Успехи химии. 2000.Т. 6. №1. С.60-89.
7. Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. М.: Химия, 2000.- 672с.
8. Pat. Az İ 20110058. 2011.Алиевa Р.В., Азизов A.Г., Кахраманов Н.T. и др.
9. Суздалев. И.П., Суздалев П.И..// Успехи химии. 2001.Т. 70. № 3. С.203-240.
10. Фостер Л. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности.М.: Техносфера, 2008.- 352с.
11. Энциклопедия полимеров. М.: Совет. Энциклопедия. 1974, Т.2, С.328.
12. 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» ]