Влияние модификаторов на физико-механические свойства композиционных материалов на основе полиамида-6

АННОТАЦИЯ

В статье показано улучшение физико-механических свойств композиционных материалов на основе полиамидов в результате добавления дисперсных наполнителей.

ABSTRACT

The article shows the improvement of the physical and mechanical properties of composite materials based on polyamides as a result of the addition of dispersed fillers.

Ключевые слова: полиамид-6, дисперсный вермикулит, базальт, физико-механические свойства.

Keywords: polyamide-6, dispersed vermiculite, basalt, physical and mechanical properties.

Введение

В настоящее время в мире ежегодно вырастает потребность к полимерным композиционным материалам в связи с высокими темпами роста населения и промыщленного производства. При этом в сфере автомобилестроения и строительства ставятся высокие требования к полимерным композиционным материалам. Однако, низкая стойкость к горению, присущие полимеров композиционных материалов на основе полиэтилена, значительно ограничивают область их применения.[1;6]

В мировом масштабе необходимо обосновать следующие проблемы научных решений по производству новых композитных материалов на основе полимеров: выбор различных органических модификаторов для микро- и наноразмерных минеральных слоистых силикатов, которые добавляются в полимеры; выбор аппретов модификации полимеров с использованием дисперсных и волокнистых частиц; улучшения физико-механических свойств полученных полимерных композитных материалов посредством использования промоторами адгезии поверхности минеральных дисперсных частиц с поверхности полимеров; создать материалы, обладающие усиленными эксплуатационными характеристиками и повышенной стойкостью к горению. [1;2]

Экспериментальная часть

В данной работе использовался в качестве наполнителя базальт Асмансайского месторождения в Джизакской области республики Узбекистан, который имеет состав, приведенный ниже в таблице 1. [3].

Таблица 1.

Химический состав базальта Асмансайского месторождения

А так же, в качестве нанонаполнителя в работе использовался вермикулит—минерал из группы гидрослюд, имеющих слоистую структуру.

У нас в республике вермикулит, пока, не нашел широкого применения. Это объясняется тем, что до последнего времени не была достаточно изучена сырьевая база. Изыскания последних лет показали, что Узбекистан обладает большими запасами этого минерала, и они расположены в Тебинбулаке, около Нукуса в 16 км к северу – западу населенного поселка Каратау. Общее количество запасов вермикулитов Тебинбулакского месторождения составляет 1332620 тонн.

Таблица 2.

Химический состав вермикулита

Освоение первого в Узбекистане месторождения вермикулита открывает новые перспективы развития отрасли и возможности их использования в различных отраслях промышленности [4].

В качестве нанонаполнителя в работе использовались так же волластони́т-минерал из класса силикатов, природный силикат кальция с химической формулой Ca₃(Si₃O₉). Цвет волластонита белый с сероватым или буроватым оттенком. Минерал отличается химической чистотой, содержит незначительное количество примесей в виде оксидов марганца, железа и титана. В состав волластонита входят оксид кальция (СаО) — 48,3%, диоксид кремния (SiO₂) — 51,7 %.[5]

Для увеличения адгезии между наполнителем и полимерной матрицей в ряде случаев использовался тетраэтиламмоний стеарат(ТЭАС). Модификатор получали встряхиванием водного раствора, содержащего бромид тетраэтиламмония и стеарат натрия с мольным соотношениям 1:1. Образующийся дисперсный раствор отфильтровали с помощью водяного насоса, промыли дистиллированной водой и сушили при температуре 40 ºС в течение 2 часов в сушильном шкафу.[6]

В работе использовался в качестве компотибилизатора низкомолекулярный малеинизированный полиэтилен(ПЭМА)

1.Схема . Формула звена малеинизированного полиэтилена

Низкомолекулярный малеинизированный полиэтилен представляет собой вязкую жидкость (1,9 Па^.с при температуре 323К) с кислотным числом 65 мг (гидроксида калия)/ г.

Остаточное содержание малеинового ангидрида в низкомолекулярном малеинизированном полиэтилене составляет около 0,3 мас.%. [7;8]

Результаты и их обсуждение

В статье приводятся результаты анализа структуры и некоторых свойств модификатора, а также обсуждаются структурные и реологические характеристики полиамида-6, модифицированного низкомолекулярным малеинизированным полиэтиленом (ПЭМА), которые сопоставляются с характеристиками модифицированного тетраэтиламмония стеарата(ТЭАС).

Таблица 3.

Изменение показателя текучести расплава (ПТР) композиций на основе ПА-6 наполнителей при температуре 220⁰С в зависимости от ее состава

Показатель текучести расплава определяет условия переработки композитных материалов, в частности температуру расплава и давление формирования. Их изучение позволяет выбрать соответствующий метод и режим переработки. Как показывают результаты исследований, значения показателя текучести расплава с увеличением содержания наполнителей до 30масс. % изменяется незначительно, а при концентрации 40 масс. % показатель текучести расплава композитов повышается. При этом ПТР компаундов не зависит от вида наполнителя. Поэтому оптимальной степенью наполнения ПА-6 наполнителями следует считать 30 мас. %.( таб.3.)

Как видно из полученных данных в таблице 4, введение малеинизированного полиамида-6 и ТЭАС в большей степени влияет на снижение ПТР композиций. При этом выявлено, что повышение степени эксфолиации слоистого алюмосиликата влияет на снижение ПТР композиций.

Таблица 4.

Изменение показателя текучести расплава композиций на основе ПА-6 при  температуре 220⁰С в зависимости от концентрации модификатора

В таблице 5 показаны сравнительные физико-механические свойства композитов, полученные из полиамида-6 модифицированного малеинизированного полиэтилена и тетраэтиламмонийстерата. Представлены сравнительные данные всех изученных композиций модифицированного ПА-6 при введении наполнителей. Как видно из таблицы, композиции с ПА-6/ПЭМА/ТЭАС/Базальт имеют большую ударную вязкость и прочность при разрыве по сравнению с композициями, содержащими ПА-6/ПЭМА/ТЭАС/Вермикулит и ПА-6/ПЭМА/ТЭАС/Волластонит.

Таблица 5.

Сравнительные данные композиций ПА-6  с наполнителями

При добавлении модификатора ТЭАС обнаружено, что небольшая его концентрация 1,0 мас. % повышает ударную вязкость ПА-6 с наполнителями по сравнению с композитами без модификатора. При добавлении в ПА-6 малеинизированный полиэтилен с модификатором ТЭАС ударная вязкость возрастает, что особенно заметно при содержании модификатора ТЭАС 1,0 мас. % и 30 мас. % вермикулитом и базальтом. При этом ударная вязкость имеет максимальное значение и повышается от 100 – для исходного ПА-6, до 120 кДж/м² и 128 кДж/м² для композиции ПА-6/ТЭАС/Вермикулит и ПА-6/ПЭМА/ТЭАС/Вермикулит, а так же, до 122 кДж/м² и 131 кДж/м² для композиции ПА-6/ТЭАС/Базальт и ПА-6/ПЭМА/ТЭАС/Базальт.

Модификаторы играют значительную роль в повышении физико-механических свойств композитов на их основе. Возможно, это происходит благодаря их межфазному взаимодействию с матрицей полимера.

На рис. 1 представлен снимок нанокомпозита, на котором видно достаточно равномерное распределение наполнителей в матрице полиэтилена.

Рисунок 1. СЭМ снимок  дисперсного вермикулита (а), снимок композита ПА-6/ПЭМА/ТЭАС/Вермикулит (б) , дисперсный базальт (в), снимок композита ПА-6/ПЭМА/ТЭАС/Базальт (г), дисперсный волластонит (д), снимок композита ПА-6/ПЭМА /ТЭАС/Волластонит (е)

ВЫВОДЫ

1. Показана возможность создания композиционые материалы с комплексом улучшенных технологических и эксплуатационных характеристик на основе ПА-6 с введением нанодобавок различной формы и концентраций.
2. Доказана, что использование низкомолекулярного малеинизированного полиэтилена, способствует улучшению совместимости и распределению нанодобавок в ПА-6, что приводит к повышению эксплуатационных характеристик композитов.
3. Установлено, что введение вермикулита, базальта, волластонита в количестве 30 масс.% в ПА-6 приводит к увеличению  физико-механических свойств композиции.

Список литературы:

1. Полимерные композиционные материалы (часть 1): учебное пособие / Л.И. Бондалетова, В.Г. Бондалетов. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. – 118 с.
2. Ней Зо Лин.Технологические и эксплуатационные свойства наномодифицированного полиэтилена // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2017г.
3. Курбанов А.А. Разработка рациональной технологии переработки разнотипных базальтов Узбекистана // автореферат докторской диссертации по спец. 04.00.14–Обогащение полезных ископаемых (технические науки), Навои, -2016. С.29.
4. Тожиев П.Ж.,Нормуродов Б.А.,Тураев Х.Х.,Нуркулов Ф.Н., Джалилов А.Т. Мингкулова З.А.Свойства полимерно-композиционных материалов наполненных вермикулитом // Научный вестник СамГУ ,№1 2018 г. С. 63-65
5. Тожиев П.Ж., Нормуродов Б.А., Джалилов А.Т., Тураев Х.Х., Нуркулов Ф. Н. Изучение физико-механическиx свойств высоконаполненных полиэтиленовых композиций / Universum: химическая технология: электрон. науч. журнал. -2018. -№2 (47).-C.62-65
6. Ф.Б.Эшкурбанов, Ш.А. Касимов Бинарная экстракция некоторых металлов /  журнал: “SCI-ARTICLE.RU” №15 2018г.
7. Н.С. Герасимова Полимерные и композиционные материалы Учебное пособие по дисциплине «материаловедение» Калуга 2019 г.
8. Колосова А.С. и.др. Современные полимерные композиционные материалы и их применение // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2018. – № 5 (часть 1) – С. 245-256