Свойства полимерно-композиционных материалов, модифицированных с наночастицами оксалата меди (II)

АННОТАЦИЯ

В статье исследованы влияние концентраций наночастиц оксалата меди (II) (II) в качестве нанонапольнителя на физико-механических свойств полученного композита полиэтилена с низкой плотностью. Определены оптимальные размеры нанонапольнителя по дифракционном методом. Изучено показателя текучести расплава, прочности при растяжении нанокомпозита.

ABSTRACT

The article investigates the effect of the concentration of copper (II) oxalate nanoparticles as a nanofiller on the physicomechanical properties of the resulting low density polyethylene composite. The optimal size of the nanoposition is determined by the diffraction method. The melt flow rate and the tensile strength of the nanocomposite were studied.

Ключевые слова: наночастицы, медь (II) оксалат, нанонапольнитель, нанокомпозит, полиэтилен с низкой плотности, реологический свойств.

Keywords: nanoparticles, copper (II) oxalate, nanofiller, nanocomposite, low density polyethylene, rheological properties.

Введение. Неметаллические материалы отличаются от металлических с природных химических связей, у них нет свободных электронов обеспечивающее тепло- и электропроводящие свойства, а также очень низкую плотность, из-за чего они гораздо легче чем металлические материалы. Происхождение неметаллических материалов и связанные с ним условия их получения и переработки во многом определяют технико-экономические показатели и возможности их практического использования. По происхождению они подразделяются на природные, искусственные и синтетические [1, с. 18].

На основные свойства композитов оказывает существенное влияние природа и особенности полимера, форма и степень дисперсности наноразмерных частиц. Для частиц малых размеров существенным является взаимодействие элементов матрицы с их поверхностью на молекулярном уровне. Это приводит к новым эффектам, которые не следуют из макроскопических свойств матрицы полимера и параметров наполнителя [2, с.32].

Получение наночастиц в газовой фазе осуществляется - в процессе «испарение – конденсация», в газовой фазе, с помощью топохимических реакций, сверхзвуковое истечение газов из сопла, а также термолизом и восстановлением. А, в жидкой фазе наночастиц получают химической конденсацией, осаждением в растворах и расплавах, золь-гель методом, электрохимическим методом. Ещё, наночастиц можно получить с использованием плазмы- плазмохимическим синтезом, электроэрозионным методом и ударно-волновым или детонационным синтезом. Кроме того, есть ещё механохимический, криохимический синтез и биохимические методы получения наноматериалов [3, с.17].

Экспериментальная часть. В данной работе использовано метод получения наночастиц осаждением в жидкой фазе. При синтезе использовались водные растворы оксалата натрия ( 0,01 М) и сульфата меди (II) ( 0,005 М). В качестве стабилизатора применен полиэтиленгликоль.  Идентификацию образцов проводили на основе дифрактограмма, которых снимали на аппарате XRD-6100 (Shimadzu, Japan), управляемом компьютером. Применяли CuK_α-излучение (β-фильтр, Ni, 1.54178 режим тока и напряжения трубки 30 mA, 30 kV) и постоянную скорость вращения детектора 4 град/мин с шагом 0,02 град. (ω/2θ-сцепление), а угол сканирования изменялся от 4 до 80^о.

Размеры наночастиц определяли по формуле Шеррера. Размеры синтезированных частиц оксалата меди (II) оказался в интервале от 6,63 нм до 13,07 нм. Среднее значение равно к 10,31 нм.

Результаты и их обсуждение. Свойства и технологические характеристики нанонаполненных полимерных композиционных материалов зависеть не только от размеров наночастиц но и их однородностью. Полученные нами наночастицы являются более однородными (от 6,63- до 13,07 nm) среднем 10,31 nm. Такие наночастицы способны улучшить физико-химические параметры полимерных композиционных материалов 1,5-2 раза, чем обычные наполнители (табл. 1.).

 Таблица 1.

Определение размерность наночастиц с рентгенофазном методом

В качестве полимерной матрицы был выбран полиэтилен с низкой плотностью, как наиболее дешевый, доступный крупнотоннажный полимер. В качестве наполнителя были использованы наночастицы оксалата меди (II). Для нахождения концентрации оксалата меди (II) обеспечивающей наилучшее сочетание механических свойств получаемых нанокомпозитов и технологических параметров их переработки, был получен и исследован ряд нанонаполненных образцов ПЭНП, где, концентрация нанонаполнителя варьировались от 0,1 до 2 масс.ч.  Увеличение концентрации наполнителя, часто приводит к снижению показателя текучести расплава (ПТР) и затруднению переработки расплава термопластов в конечном изделии.

Оценка реологических свойств нанонаполненных композитов проводили по пределу текучести расплава (ПТР). С повышением содержания оксалата меди (II) в ПКМ, текучесть композиции уменьшается (табл.2), но вместе с тем композиции, напольненные с оксалатом меди (II), можно перерабатывать и экструзионным и литейным методом. ПТР измеряли для расплавов исходного ПЭНП и расплавов его композиций с различными массовыми частями оксалата меди (II) при температуре 190 ⁰С (табл.2). Как видно из таблицы с повышением концентрации оксалата меди (II) уменьшается текучесть полимерного композита. Когда концентрация оксалата меди (II) в полимере достигается до 1 %, текучесть расплава композиции плавно уменьшается, когда больше одного процента изменение ПТР постепенно уменьшается (табл. 2).

Таблица 2.

Зависимость показателя текучести расплава композиций при 190 ⁰С от ее состава (размер частиц ≤ 13,1 nm)

Вероятнее всего, причиной изменения структуры расплава, является больше степени увеличение расстояния между молекулами полимерной матрицы и формированием кристаллических зон. Такое объяснение находит подтверждение изменением прочности при растяжении композита зависимости от концентрации наполнителя (табл.3.). При добавлении различных концентраций оксалата меди (II) прочность композиции при растяжении существенно увеличивается до 1 %, далее на увеличение концентрации соли прочность композиции почти не реагирует. Это может быть объяснено с тем, что в меньших концентрациях нанонаполнитель проникая между молекулами полимерной матрице образует мостики, а с повышением концентрации размер мостиков увеличивается и растяжении непропорционально изменится относительно концентрации наполнителя. Как видно из таблицы, максимум прочности при растяжении достигается при 1-2 масс.ч. наполнителя.

Таблица 3.

Зависимость прочности при растяжении композиции от ее состава (размер частиц ≤13,1nm)

Данные, полученных зависимостей физико-механических свойств нанонаполненных полимерных композитов показывает оптимальной концентрацией наполнения ПЭНП с оксалатом меди (II) является 1 масс.ч.

Выводы. Получены наночастицы оксалата меди (II) и доказана и их использование в качестве нанонаполнителя для полиэтиленовой матрице. Показано, что введение наночастиц оксалата меди (II) в полиэтилен, позволяет улучшит физико-механических характеристик полимера.

Список литературы:
1. Лахтин, Ю.М. Материаловедение: учеб. для втузов. – изд-е 5-е. стереотип. / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.: Издательский дом Альянс, 2009. – 527 с.
2. Помогайло, А.Д. Наночастицы металлов в полимерах / А.Д.Помогайло, А.С. Розенберг, И.Е. Уфлянд. – М.: Химия, 2000 – 672 с.
3. Михайлов М. Д. Химические методы получения наночастиц и наноматериалов / М. Д. Михайлов. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. – 259 с.