ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИЭТИЛЕНА С ДОБАВЛЕНИЕМ ОКСИДА КРЕМНИЯ

АННОТАЦИЯ

В данной работе представлены результаты по улучшению физико-химических свойств полиэтилена при добавлении оксида кремния, методом ИК-спектроскопии, определены функциональные группы, исследованы физико-химические, физико-механические свойства и прочностная стабильность маточных полимерных композитов.

ABSTRACT

The authors present the results of improving physical and chemical properties of polyethylene with the addition of silicon oxide; functional groups have been determined by IR spectroscopy; physico-chemical, physico-mechanical properties and strength stability of masterbatch polymer composites have been studied.

Ключевые слова: оксид кремния SiO₂, полиэтилен, воск, микрокальций, стеарат кальция, дифференциально-термический и термогравиметрический анализы, ИК-спектроскопия.

Keywords: silicon oxide SiO2; polyethylene; wax; microcalcium; calcium stearate; differential thermal and thermogravimetric analyses; IR spectroscopy.

Введение. Оксид кремния SiO₂ широко применяется в полимерной, пластмассовой, лакокрасочной, резинотехнической промышленности с целью улучшения химических и физико-механических свойств изделий. Высокодисперсный оксид кремния активно используется в качестве наполнителя в полимерных изделиях, в качестве антикоррозионной, антифрикционной добавки в лакокрасочной продукции. Оксид кремния достаточно широко применяют в резиновой, полимерной, строительной промышленности, используя в качестве добавки к полимерным изделиям, пластмассам, термостойким и теплоизоляционным материалам. Высокодисперсный оксид кремния существенно улучшает физико-механические свойства полимеров [2].

В результате многочисленных опытов Е. Петровиковой были получены важные результаты в области применения высокодисперсного порошка SiO₂ для снижения трения и износа, которые рассматриваются как направление для практического применения. Найденные с его помощью решения по созданию антифрикционных покрытий успешно реализуются в результате исследований, применяемых в промышленности.

Результаты работ Е. Петровиковой показали, что износостойкость наполненных образцов увеличилась до 67 %, концентрация мелкоразмерного оксида кремния увеличилась до 15 % по объему, а стойкость к царапанью увеличилась до 35 %. Было обнаружено, что коэффициент трения нанокомпозита ниже, чем у исходного нейлона [3].

A.Г. Сирота и Р.Н. Ротхон изучили, что свойства поверхности наполнителя можно изменить, покрыв частицы поверхностно-активными веществами. Не следует забывать, что, помимо достижения хорошей адгезии между полимером и наполнителем, очень важно уменьшить взаимодействие между частицами наполнителя, а это может привести к их агломерации, что в свою очередь приводит к механическим и технологическим проблемам, оказывает негативное влияние на важные показатели [1; 4].

Целью данной работы является получение маточной смеси на основе полиэтилена, воска, микрокальцита, стеарата кальция и оксида кремния.

В Ташкентском научно-исследовательском институте химической технологии получена добавка, содержащая оксид кремния, для полиэтиленовых изделий. Таким образом, была получена маточная смесь на основе полиэтилена, воска, микрокальцита, стеарата кальция и оксида кремния.

Экспериментальная часть

Для эксперимента смесь из 200 г полиэтилена, 40 г воска, 4 г стеарата кальция, 4 г микрокальция и 100 г белой сажи помещали в специальный контейнер, с крышкой, термометром и мешалкой внутри. Смесь постоянно помешивали. Полученную смесь нагревали при температуре 80–90°C в течение 2,5–3,5 часов. Маточную смесь изготавливали в качестве добавки к полимерным изделиям в экструдере LSB.

ИК-спектроскопические анализы маточной смеси с белой сажей, полученной в результате эксперимента, проводили на ИК-спектрометре (в диапазоне 400–4000 см–1) производства японской компании Shimadzu. Метод ИК-спектроскопии позволяет определить изменения химической структуры реагентов в результате реакции и изучить образующиеся новые функциональные группы. Полиэтилен, содержащий оксид кремния, анализировали методом ИК-спектров. 

Рисунок 1. ИК-спектр полиэтилена, содержащего оксид кремния

На рисунке 1 ИК-спектр наполнителя, содержащего оксид кремния, по результатам анализа включает полосы поглощения в области 2914 см^-1, соответствующие колебаниям группы (-СН2-). Линии, принадлежащие группам (-CH-), варьируются в области от 2848 до 1463 см^-1. Установлено, что колебания в области поглощения 1078 см^-1 принадлежат группе Si-O. Линии в области при 956 см^-1 при анализе ИК-спектра обусловлены валентными колебаниями соответствующих групп (С-С).

Проводились и термические анализы в диапазоне температур от 20°С до-600°С, в атмосфере аргона со скоростью 10 градусов в минуту. Проверку термической стабильности маточной смеси, содержащей оксид кремния, полученной, в результате эксперимента, анализировали на дифференциально-термических и термогравиметрических приборах (ДТГ-60, SIMULTANEOUS DTA-TG APPARATUS SHIMADZU, Япония). Полученная производная диаграмма состоит из 2 кривых. Она имеет подробную информацию, например, о термических свойствах изучаемых полимеров, их температурной устойчивости, о том, как они претерпевают изменения под действием температуры, то есть при какой температуре и за какое время происходит потеря массы. 

Рисунок 2. Термограмма полиэтилена, содержащего оксид кремния

Эндотермическая кривая полученной дериватограммы реализовывалась преимущественно в диапазоне двух интенсивно разлагающихся температур.

Первый интервал разложения длился 33,82 минуты от 30,5°С до 354,74°С, потеря массы составила 0,319 мг, т.е. 9,864 %. Второй интервал распада, начиная с 354,74°С до 601,73°С, потерял массу за 59,37 минут и составил 2,992 мг, т. е. 92,517 %. По образцу, полученному в результате эксперимента, масса уменьшается на 2–3 % за счет потери влаги до 100°С. Дальнейшая потеря массы начинается при температуре 182°C, при которой ожидается разложение с возможным выделением кислоты, связанной с водой. Выше 350°С вещество разжижается, а выше 427,38°С происходит разложение основной структуры вещества.

Кривая термогравиметрического анализа показывает, что полученные полимерные изделия не содержат дополнительных соединений, потерянная масса испаряется при 479,34°С, а оставшимся веществом является оксид кремния.

Таким образом, с помощью современных физико-химических методов исследованы физико-механические свойства и прочностная стабильность маточных полимерных композитов, изготовленных на основе полиэтилена с использованием маточной смеси из микрокальцита, стеарата кальция и оксида кремния.

Из полиэтилена с SiO₂ были сформированы «лопаточки» для удобства изучения физико-механических свойств композита (рис.3).

Рисунок 3. Размерные характеристики полиэтилена с добавлением оксида кремния

Анализ результатов эксперимента. Удлинение полимерного композита на универсальном приборе ИР–5057 определяли следующим образом. Размеры подготовленной «лопаточки», как показано на рисунке 3, состоят из 2-х частей лопаты, т.е. центра и двух краев (5 мм от отметки). С помощью этой формы были изучены удлинение, прочность, эластичность и другие физико-механические свойства полимерной композиции. Размеры лопаты показаны на рисунке 3.

Результаты определения прочности полимерного композиционного материала при растяжении и деформации по требованиям ГОСТ приведены путем отбора 3 проб.

1. Модуль упругости образца PE-SiO₂ 1 составил 1353,89 МПа в диапазоне деформации образца от 0 % до 5 %. Усилие, использованное для разрушения образца полимерного композиционного материала (ПКМ), составляет 690,238 Н. Предел прочности образца составляет 690,238 Н. Величина деформации образца до разрушения составляет 545,324 %.

2. Модуль упругости образца PE-SiO₂ 2 составил 1241,89 МПа в диапазоне деформации образца от 0 % до 5 %.Усилие, использованное для разрушения образца полимерного композиционного материала (ПКМ), составляет 676,257 Н. Предел прочности образца составляет 676 257 Н. Величина деформации образца до разрушения составляет 518,465 %.

3. Модуль упругости образца PE-SiO₂ 3 составил 1350,90 МПа в диапазоне деформации от 0 % до 5 %. Усилие, использованное для разрушения образца полимерного композиционного материала (ПКМ), составляет 718 837 Н. Предел прочности образца составляет 718 837 Н. Величина деформации образца до разрушения составляет 567,425 %, то есть площадь образца, участвовавшего в испытании, была растянута на 567,425 %.

Модуль упругости среднего образца составил 1315,47 МПа в диапазоне деформации образца от 0 % до 5 %. Усилие, использованное для разрушения образца полимерного композиционного материала (ПКМ), составляет 695,111 Н. Предел средней прочности образца составляет 1315,47 Н. Средняя величина деформации образца до разрушения составляет 543,738 %, то есть площадь образца, участвовавшего в испытании, растянута на 543,738 %. 

Результаты прочности полимерных композиционных материалов на растяжение и деформацию приведены на рисунке 4.

Рисунок 4. Диаграмма растяжения и деформации композиционных материалов

Выводы. В статье рассматривается улучшение физико-химических свойств и термостойкость полиэтилена с дополнением оксида кремния при добавлении минеральной добавки из маточной смеси для производства композиционных материалов на 60 %-ной основе полимеров. Микрокальцит, стеарат кальция, воск, оксид кремния и другие добавки к полиэтилену рекомендуется использовать в качестве эффективных добавок при производстве термостойких полимерных композиций, т.е. маточных смесей.

Список литературы:

1. Сирота А.Г. Модификация структуры и свойств полиолефинов. – Л.: Химия, 1984. – 152 с.
2. Gaitero J.J. Reduction of the calcium leaching rate of cement paste by addition of silica nanoparticles // Cement and Concrete Research. 2008. Vol. 38. Iss. 9. Pp. 1112–1118.
3. Petrovicova E. Nylon 11/silica nanocomposite coatings applied by the HVOF process. II. Mechanical and barrier properties // Journal of Applied Polymer Science. 2000. Vol. 78. Iss. 13. Pp. 2272–2289.
4. Particulate-filled Polymer Composites / ed. by Rothon R.N. ‒ 2-nd еd. Shawbury: Rapra Technology Limited, 2003. 545 p.