Структура и свойства полиамида-6 наполненных вермикулитом

АННОТАЦИЯ

Показано, что введение в полиамид дисперсного вермикулита улучшает физико-механические свойства, так же повышаются показатели горючести разработанных полимерматричных композитов.

ABSTRACT

It is shown that the introduction of dispersed vermiculite into polyamide improves physical and mechanical properties, and also increases combustibility indicators of the developed polymer-matrix composites.

Ключевые слова: полимер, вермикулит, модуль упругости, ударная вязкость, показатель текучести

Keywords: polymer; vermiculite; elastic modulus; impact viscosity; liquidity index.

Введение

Современная нанотехнология потребует новейших композиционных материалов, владеющих своим превосходством: прочность, теплостойкость и другие. К данному числу причисляются полимерные материалы, и в первую очередь высоконаполненные. [1]

Возможности употребления полимерных композиционных материалов очень широко, благодаря многофункциональности полимеров и нанонаполнителей, неисчерпаемость вариабельности составов композитов на их основе и методов их модифицирования [2].

При получении новых композиционных материалов важнейшей задачей является усовершенствование комплекса реологических и физико-механических свойств материалов. При этом основной показатель свойств – сопротивление материала к разрушению. Большое значение прочности материалов специфично для систем с совершенной структурой, а реальное значение прочности намного меньше. Не имея возможности реализовать на практике прочность безупречных строений, научные ученые с прежних лет идут по пути усовершенствования свойств настоящих, доступных материалов. В большинстве случаях наряду с усилением прочности композитов назначают цель увеличения прочности, характеризующего твердость, увеличения теплостойкости, стойкости к удару, химической, бензостойкости, внешнего вида или размерной неизменности, а также, совершенствования изделий и т. д. [1;3]

В статье изучали физические и механические свойства высоконаполненных полиамидных композиций. Определены показатель текучести расплава с методами вискозиметрии, прочности при изгибе методами двухопорного изгиба и ударной вязкости по Шарпи [1;2;4].

А также определены физико-механические характеристики композиционных материалов на основе полиамида-6 (ПА-6) и дисперсного наполнителя вермикулита[3;4;5].

Оценка реологических свойств наполненных композитов показала, что оптимальными являются композиции, содержащие: 30 масс.ч. вермикулита.

Экспериментальная часть

В данной работе применили в качестве полимерной матрицы полиамид-6 (ПА-6).

ПТР (предел текучести расплава) определяли в соответствии с ГОСТ 11645-73 при нагрузке 2,16 кг и температурах 483 и 503 К для по­лиамида-6.

Для определение ПТР применили вискозиметр марки ИИРТ-М с длиной и диаметром капилляра 8 и 2,09 миллиметров соответственно.

Прочность композитов на изгиб определяли в соответствии с ГОСТ 6806-73 методом двухопорного изгиба, а ударная вязкость материала по Шарпи (УВШ) определяли в соответствии с ГОСТ 4647-80.

Напряжение и относительное удлинение образца, соответствующее его разрыву определяли по ГОСТ 14236-81. [1;4;5]

Результаты и их обсуждение

В данной статье изучали влияние на свойства ПА-6 дисперсного вермикулита. В качестве наполнителя использовали дисперсный вермикулит, который вводили в композиты в количествах от 10 до 30 мас. %.

Для повышения адгезии между полимером и наполнителем применили тетраэтиламмония стеарат (ТЭАС) и низкомолекулярный малеинизированный полиэтилен (ПЭМА) . [1;3;4]

 В таблице 1 представлено, изменение показателя текучести расплава (ПТР) композиций на основе ПА-6 в зависимости от концентрации модификатора тетраэтиламмония стеарата (ТЭАС).

Как видно из таблицы 1, введение ПЭМА и 1,0 мас. % ТЭАС в большей степени воздействует на понижение ПТР композиций.

Таблица 1.

Изменение показателя текучести расплава композиций на основе ПА-6 в зависимости от концентрации модификатора (ТЭАС)

Так же, изучено физико-механические свойства композита модифицированного ПА-6 при введении вермикулита.

В таблице 2 изображено: композиции с ПА-6/ПЭМА/ТЭАС/ВК имеют наилучшие физико-механические свойства в сравнение с композициями ПА-6/ВК и ПА-6/ТЭАС/ВК.

Таблица 2.

Физико-механические свойства композиций ПА-6 с наполнителями

Примечание: в композиции концентрация модификатора ТЭАС 1,0 мас.% на масс.ч. наполнителя

Введение модификатора, увеличивает ударную вязкость ПА-6 с вермикулитам в сравнении с композитами без модификатора. При этом ударная вязкость увеличивается от 5,0 - для исходного ПА-6, до 6,0 и 6,8 кДж/м² , для композиции ПА-6/ТЭАС/ВК и ПА-6/ПЭМА/ТЭАС/ВК.

С добавлением тетраэтиламмония стеарата, так же наблюдается эффект увеличения прочности при разрыве и прочности при изгибе композитов.

Обнаружено, что повышение механических свойств ПА-6 за счет улучшения распределения наночастиц в матрицах полимера, может быть достигнуто путём добавления модификатора в композиционные материалы.

Для выяснения за счет чего происходит улучшение свойств композита, были измерены ИК спектры образцов ПКМ. (рис.1). На ИК-спектре ПКМ в областях 2850-1470 см^-1 имеются полосы поглощения, соответствующую наличие -СН₂- групп. Так же, в областах 2987-2892 см^-1 имеются соответствующие полосы поглощения гуппами =СН– и =СН₂–.

Полосы поглощения соответствуют СН₂– группам в области 1457 см^-1, а в областях 2000 и 2800 см^-1, свидетельствуют о наличии –NH групп.

В областях 1000–1100 см^-1 интенсивная полоса поглощения свидетельствует о наличии групп Si-О-, –О-О- группы - в областях 880-870 см^-1.[1;4;5]

Так же, на ИК-спектроскопии в областях 400-700 см^-1 имеются узкие малоинтенсивные полосы, содержащие связи галогенодержащего соединения.

Рисунок 1. ИК спектр композициий ПА-6/ПЭМА/ТЭАС/ВК

В частности, полосу 35953 см^-1 можно отнести к валентным колебаниям гидроксильных групп на поверхности.

Таким образом, можно предположить, что образующиеся на поверхности наполнителей полярные кислородсодержащие фрагменты могут участвовать в адсорбционном взаимодействии с полиамидной матрицей, что и может приводить к улучшению некоторых свойств нанокомпозитов на основе ПА-6. Так как тетраэтиламмоний стеарат и полиамид не имеют поглощения в ИК области выше 3100 см^-1, то полосы в этой области, фиксируемые в ИК спектрах композитов, относятся к поглощению гидроксильных групп слоистых нанонаполнителей. При этом частота их поглощения увеличивается, что подтверждает разрушение водородных связей, возможных при взаимодействии групп на поверхности и является, по всей видимости, следствием равномерного распределения нанонаполнителя по объему образца без видимой агломерации.[1;3;4]

Так же , некоторые авторы предполагают возможность адсорбционного взаимодействия наночастиц с полимером, что объясняет эффект упрочнения и повышения жесткости нанокомпозитов по сопоставлению с исходным полимером. Слоистые силикаты могут служить зародышами кристаллизации в полиамиде и способствуют формированию мелкосферолитной структуры, которая главным образом сказывается на усовершенствовании прочностных характеристик. [3;4;5]

ВЫВОДЫ. Обоснована возможность применения дисперсного вермикулита в качестве наполнителей для полиамидной матрицы.

При этом выявлено, что степень эксфолиации слоистого алюмосиликата также зависит от продолжительности смешения компонентов и вязкости расплава смеси.

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. 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
3. Ней Зо Лин.Технологические и эксплуатационные свойства наномодифицированного полиэтилена // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2017г.
4. Н.С. Герасимова Полимерные и композиционные материалы Учебное пособие по дисциплине «материаловедение» Калуга 2019 г.
5. 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