Анализ физико-механических и электрических свойств полимерных и углеродных наполнителей с использованием технологии сжижения

АННОТАЦИЯ

Изучены технологические, механические, электрофизические свойства и структура углеродных нанотрубок, полученных из местного сырья. Комбинация полимерных и углеродных наполнителей была проведена в лабораторном двухшнековом экструдере с использованием растворной технологии, в результате чего была получена композиция, которая улучшила баланс физических, механических и электрофизических свойств.

ABSTRACT

The technological, mechanical, electrophysical properties and structure of carbon nanotubes obtained from local raw materials have been studied. The combination of polymer and carbon fillers was carried out in a laboratory twin-screw extruder using solution technology, resulting in a composition that improved the balance of physical, mechanical and electrophysical properties.

Ключевые слова: нанокомпозит, электрофизические свойства, углеродные нанотрубки, технический углерод, механические свойства.

Keywords: nanocomposite, electrophysical properties, carbon nanotubes, carbon black, mechanical properties.

Введение. В последнее время в народном хозяйстве все чаще используются термопластические материалы и углеродные наноматериалы[1;2]. Такие материалы - высокопроизводительный, технологичный и экологически чистый, качественный продукт. Однако есть риск из-за низкой электропроводности электропроводность может возникать при эксплуатации изделий из них. Статическое электричество увеличивает риск возгорания и может вызвать неисправность электронного оборудования. Создание полимеров и композитов с улучшенными функциональными свойствами - одна из актуальных и важных задач, входящих в приоритетные стратегические направления развития материалов и технологий их переработки, разрабатываемых в ВИАМ [3]. Его решение открывает новые направления использования полимерных и композиционных материалов в современных технологиях - создание функциональных материалов (потеря электростатического заряда, электростатическое покрытие, гибкие контакты), интеллектуальных структур, современных датчиков и актуаторов. В институте активно ведутся работы по созданию полимерных материалов с необходимыми свойствами, модификации углеродных наноматериалов: - химической - путем введения определенных групп в процессе синтеза; физические - введение огнетушителей, наполнителей, специальных добавок[4]. Большое внимание уделяется созданию нанокомпозитов на основе термопластических материалов и изучению наночастиц, их структуры и свойств, включая их электрофизические эффекты. Проблема электропроводности композитов углеродных наноматериалов на основе электропроводящих и непроводящих материалов широко изучается за рубежом - проведено много исследований и опубликовано много работ в этой области. Известно, что электрическая проводимость полимерных термопластов решается добавлением проводящих наполнителей, таких как углеродное волокно, металлическое волокно (нержавеющая сталь) и углеродные нанотрубки. Углеродные наноматериалы Для обеспечения оптимального уровня проницаемости в композите содержание этих наполнителей должно составлять от 20 до 50% (по массе)[6]. Однако такое количество наполнителя имеет низкие механические свойства и высокую плотность. Добавление Углеродные нанотрубки в полимер позволяет свести к минимуму указанные выше проблемы благодаря уникальным свойствам нанотрубок - большой доле линейных размеров и отличным свойствам электропроводности. Коммуникационные события на границе «наполнитель-полимер» имеют большое влияние на электропроводность и другие электрофизические свойства полимерных КМ. Возникновение проводящих путей в двухфазной системе зависит от способности электрически проводящих фазовых частиц образовывать хороший электрический контакт при контакте или приближении. Учитывая большое количество связей между частицами, любое изменение свойств связи оказывает сильное влияние на электропроводность материала. В статье предлагается рассчитать сопротивление сжатых частиц. Используя простую модель углерода, где основное влияние на контактные свойства между частицами достигается сжатием в точках контакта[7].

Экспериментальная часть.  Для изучения влияния углеродных нанотрубок на структуру и свойства термопластичных полимеров были приготовлены углеродные нанокомпозиты. Углеродные нанотрубки отечественного производства характеризуются наружным диаметром 7,5–14 нм и длиной >2 мкм. Число слоев одной трубки соствляет 7–10. Удельная геометрическая поверхность: 300–325 м²/г. смешение гранул полиэтилена с углеродными нанотрубками или сажей проводили в двухшнековом лабораторном экструдере.

Результаты и их обсуждение Известно, что полиэтилен обладает определенной степенью разветвленности, имея третичные атомы углерода, которые поглощают свет с высокой длиной волн, что приводит к образованию свободных радикалов. При воздействии кислорода, УФ и высоких температур физико-механические свойства полиэтилена ухудшаются. Сажа в этом случае, выступает в роли абсорбента ультрафиолета, замедляя скорость поглощения кислорода.

Для оценки влияния наночастиц на изменение свойств композиционных материалов образцы ПЭВП с нанодобавками в виде брусков подвергались воздействию УФ излучения при длине волн 290-320 нм и температуре 25°С в течение 120 часов [8].

Полосы спектра материала ГО-100 в диапазоне длин волн 2800-3000 и 1300-1500 см-1 обусловлены валентными и деформационными колебаниями метильных, метиленовых групп. полоса, принадлежащая валентным колебаниям группы С-С, присоединенной к атому углерода в карбонильной и кетонной группе, появляется около частоты 1148 см-¹. Как правило, описание ИК-спектра вновь синтезированных или выделенных веществ в научных статьях ограничивается указанием частот основных полей поглощения. Например, ИК-спектр: см-¹ 3200 (OН), 2880 - 2950 (СН₃, СН₂) Если ИК-метод играет ведущую роль в определении структуры соединения, целесообразно представлять спектры в графической форме Рисунок 1.

Рисунок 1. ИК-спектр нового соединения ГО-100, полученного в присутствии ПВХ, ДОТФ

Установлены термогравиметрическая дериватограмма (ТГА) и дифференциальный термогравиметрический анализ (ДТА) полученных веществ. Термогравиметрическая дериватограмма (ТГА) (а) и дифференциальный термогравиметрический анализ (ДТА) синтезированного ГО-100 показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Термогравиметрическая дериватограмма (ТГА) ГО-100 Дифференциальный термогравиметрический анализ ГО-100 (ДТА)

Анализ термогравиметрической кривой ГO-100 показывает, что кривая ТГА возникает в основном в температурном диапазоне, в котором происходят 3 интенсивные потери массы.  Потеря массы начинается с 30,77 градуса, что является первой потерей массы, и процесс продолжается до 199,85 градуса. потеря массы составила 0,188 мг, т.е. 1,618%.

2-Вторая точка разложения длилась от 18,4 минут до 33,84 минут, от 199,85 градусов до 356,57 градусов, при этом произошла основная потеря массы и составила 10,218 мг, то есть 87,965%. За этот период процесс потери основной массы длился с 227,89 градуса до 306,57 градуса. Третья третья потеря массы произошла при помещении при температуре от 356,35 до 600,48 градусов на время от 33,64 до 58,7 минут. Потеря массы составила 1,033 мг или 8,893%. Диапазон потери массы соответствует температуре 339,96 - 600°C [9].

Анализы показывают, что, хотя потеря массы в 1-м интервале потери массы наблюдалась на уровне 0,188 мг, то есть 1.618%, интенсивный процесс разложения происходит во 2-м интервале потери массы. Основная величина потери массы в этом диапазоне составляет 10.218 мг, или 87.965%. 3-Потеря массы в диапазоне потери массы составляет 1.033 мг или 8.893% Таблица 1.

Таблица 1.

Анализ результатов кривой ТГА ГО-100

Установлено, что субстанция ГО-100, полученная на основе ПВХ, ДОТФ, экологически безопасна, а использование ее производных в качестве стабилизаторов в полимерных материалах более экологически безопасно, чем второй способ. Результаты термогравиметрического анализа ГО-100, композитного соединения нового оксида графита, синтезированного в присутствии ПВХ, ДOTФ и катализатора, показали потерю массы 1,625% при 200^оС. Эта особенность позволяет использовать его в качестве фотостабилизатора и пигмента для окрашивания полиэтиленовых изделий. Относительно хорошая растворимость в различных растворителях также расширяет область его применения.

Заключение. Использование ПВХ, ДOTФ, который считается бытовыми отходами в качестве сырья, позволяет использовать отходы для вторичной переработки, а также приводит к снижению стоимости сырья. Термогравиметрический анализ показал, что его можно использовать вместо стабилизаторов полимерных материалов, так как основное разложение происходит при температурах выше 200^оС.

Список литературы:

1. Петрова Г.Н., Бейдер Э.Я. Литьевые термопластичные материалы /В сб.: 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932−2007: Юбилейный науч.-технич. сб. М.: ВИАМ. 2007. С. 281–284.
2. Petrova G.N., Beider E.Yа. Construction materials based on reinforced thermoplastics – Chemistry and Materials Science //Russian Journal of General Chemistry. 2011. №5. Р. 1001–1007.
3. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
4. Петрова Г.Н., Бейдер Э.Я., Чеботарев В.П. и др. Регулирование свойств полисульфонов за счет модификации Пластические массы. 2010. №12.  С. 23–27.
5. Петрова Г.Н., Румянцева Т.В. и др. Термоэластопласты – новый класс полимерных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2010. №4. С. 20–25.
6. Петрова Г.Н., Перфилова Д.Н. и др. Термопластичные эластомеры для замены резин //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 302–308.
7. Акатенков Р.В., Аношкин И.В., Беляев А.А., Битт В.В. и др. Влияние структурной организации углеродных нанотрубок на радиоэкранирующие и электропроводящие свойства нанокомпозитов //Авиационные материалы и технологии. 2011. №1. С. 35–42.
8. Битт В.В., Бейдер Э.Я., Петрова Г.Н. Полимерные нанокомпозиты со слоистыми силикатами: синтез, структура, свойства //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №8. С. 49–55.
9. Нарзуллаев, А. Х. Бекназаров, Х. С. Джалилов, А. Т. Нуркулов, Э. Н. Применение новых азот и фосфорсодержащих ингибиторов коррозии на основе вторичного сырья / А. Х. Нарзуллаев [и др.] // Инновационные материалы и технологии : материалы докладов Международной научно-технической конференции молодых ученых, Минск, 9-11 января 2019 г. – Минск : БГТУ, 2019. - С. 364-366. https://elib.belstu.by/handle/123456789/28560