ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ НА ОСНОВЕ БИНАРНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ

АННОТАЦИЯ

В данной статье были изучены реологические свойства полимерного композиционного материала (ПКМ) в зависимости от введения в полимер бинарных наполнителей. Процесс формирования ПКМ осуществлялся на основе введения бинарных наполнителей в количестве 10-30% по массе в интервале температур 170-220°С. Изучены текучесть, физико-механические свойства и кислородный индекс ПКМ, полученных на основе проведенных экспериментов.

ABSTRACT

In this article, the rheological properties of a polymer composite material (PCM) were studied depending on the introduction of binary fillers into the polymer. The process of PCM formation was carried out based on the introduction of binary fillers in an amount of 10-30% by weight in the temperature range of 170-220°C. The fluidity, physical and mechanical properties and oxygen index of PCM obtained on the basis of the experiments were studied.

Ключевые слова: полимерный материал, бинарный наполнитель, физико-химические свойства, экструдер, полимерное покрытие, модификация, текучесть.

Keywords: polymer material, binary filler, physicochemical properties, extruder, polymer coating, modification, fluidity.

Введение

Тепловые явления в полимерах и их тепловые свойства лежат в основе развития физики полимеров. Полимерные материалы отличаются от других твердых тел своей анизотропией по отношению ко многим физическим свойствам, основанным на их структуре. Отличие теплоемкости, теплопроводности и специфических законов теплового расширения полимерных материалов от законов теплового расширения других твердых тел обусловлено их анизотропной природой. Необходимо будет подойти к этому по-другому, принимая во внимание их анизотропные свойства, главным образом при изучении тепловых явлений в полимерах.

Одной из важнейших задач науки о полимерах является создание и применение в производстве новых полимерных композиционных материалов с многофункциональными физико-механическими свойствами и подходящими термостабильными покрытиями [1]. Среди композиционных материалов (КМ) композиты с полимерными компонентами существенно отличаются от традиционных материалов благодаря своим антикоррозионным свойствам, длительному сроку службы и массовой легкости. При создании композитов с полимерным компонентом используют наполнители, обладающие высокой гибкостью и хорошей адгезией к полимеру [2]. С этой целью возникла необходимость в модификации полимерных материалов, производимых предприятиями химической промышленности, по их прямому назначению [3].

В технологии модификации полимеров наибольшее распространение получили физические методы, их общие принципы полностью освещено в исследованиях [4]. В частности, благодаря относительной технологической простоте и эффективности физического метода он применяется в очень широком спектре для создания новых полимерных композитов путем добавления в полимер различных наполнителей.

Этот метод модификации может быть использован для полимеров любого строения, особенно он эффективен при создании полимерных связующих композитов на основе кристаллических полимеров (КП) [5]. В качестве наполнителей используют дисперсные (порошкообразные) частицы или волокна различного размера твердого органического и неорганического происхождения.

В связи с недостаточным уровнем научных работ по комплексному изучению влияния наполнителей на структуру полимеров и отсутствием точных математических моделей для объяснения теплофизических явлений в полимерах необходимо дальнейшее расширение спектра экспериментов по решению проблемы теплофизики полимеров на практике [6]. Поэтому одной из актуальных задач современности стало дальнейшее усиление научных исследований по разработке термостабильных покрытий с полимерными компонентами с целью изучения теплофизики полиолефинов путем проведения большого количества экспериментов.

Объект и методы исследования. В качестве объекта исследования были выбраны полимеры полиэтилена (ПЭ) марки F-0220 и полипропилена (ПП) марки P-Y342, к которым были добавлены каолин, вермикулит и углеродные нанотрубки в количествах 10, 20 и 30. % по массе соответственно, образовывались термостойкие ПКМ. Также на основании проведенных экспериментов были проанализированы показатели текучести данных ПКМ в интервале температур 170-220°С. Х [7].

В модификации полимерной гранулы и бинарных наполнителей измерения проводились на электронных весах с точностью до 0,1 г. Все реагенты помещали в специальный смеситель и перемешивали при 620 об/мин в течение 10 минут при комнатной температуре. После этого полимерные композиты смешивались в грануляторе на пределе температуры жидкости, полимерные композиты гранулировались и эти образцы помещались в экструдер с техническими характеристиками диаметр шнека -30мм, соотношение длины шнека к диаметру. -14,7, скорость вращения шнека -150 об/мин.

Обсуждение полученных результатов. В работе изучены реологические свойства композиционного покрытия, полученного в результате модификации выбранных полимеров введением различных смесей наполнителей.

Основываясь на методе физической модификации, в полимер (ПЭ марки F-0220) вводили 10, 20 и 30% массовых количеств каолина, вермикулита и УНТ соответственно, и были обнаружены различия в показателях текучести полученного антипирена PKM. Также были научно проанализированы причины изменения этих характеристик в диапазоне температур 200-220°С (таблица 1).

Таблица 1.

Индекс текучести полимерных материалов, совместимых с полиэтиленом (ПЭ) F-0220, модифицированным частицами каолина, вермикулита и УНТ

Следует отметить, что при введении в полимерную композицию наполнителей сыпучесть полимеров существенно не меняется при начальных температурах в диапазоне температур 170-220°С. В процессе повышения температуры, когда количество наполнителя (Каолин+ПЭ) составляет 5-10% по массе, скорость потока полимеров составляет 2,2-2,5 г/мин, а при изменении количества наполнителя до 15- 20% по массе было установлено, что она составляет 3,0-3,7 г/минуту, а количество наполнителя с размерами (10-15 мкм) при 20-30 масс.%, установлено, что сыпучесть полимеров существенно увеличивается под воздействием температуры.

По результатам исследований, даже когда количество наполнителя достигает 30 массовых % и размера 10-15 мкм, показатель текучести жидкости меняется мало, и можно сделать вывод, что текучесть полимеров под влиянием температура соединений зависит от природы наполнителя. Даже в огнеупорных композитах с соотношением ПЭ+УНТ 10-20 мас.% установлено, что показатель текучести под воздействием температуры существенно не изменился по сравнению с исходным образцом.

На основе бинарных наполнителей в различных соотношениях (Каолин+Вермикулит (1:2), Каолин+УНТ (1:0,5), Вермикулит+УНТ (1:0,5) при процентном содержании наполнителя 5-10 мас.%, сыпучесть полимеров под действием температуры составляла 2,0-2,4 г/мин, а при 15-20 мас.% снижалась до 2,8-3,3 г/мин.

В результате модификации полипропилена каолином, вермикулитом и УНТ при создании огнестойкого состава можно наблюдать относительное ухудшение текучести композита. В частности, было замечено, что вязкость композита увеличивается с уменьшением значений индекса ПТР_2,16, что свидетельствует об увеличении физико-механических свойств композита в результате высокой концентрации твердофазных наполнителей. Как показано в таблице 2, реологические, физико-механические свойства композитов оценивали по значениям ПТР, и можно отметить, что реологические свойства композита вермикулит+ПП лучше, чем у каолина и огнеупорных наполнителей УНТ.

Металлические группы в этих наполнителях при горении образуют на поверхности полимера слой кокса, что влияет на теплообмен и распространение пламени.        

Таблица 2.

Текучесть огнезащитных полимерных материалов на основе полипропилена марки ПП-Y342, модифицированного каолином, вермикулитом и добавками УНТ

Известно, что для получения полимерных композиционных материалов со совокупными технологическими и эксплуатационными характеристиками широко применяется их модификация тугоплавкими наполнителями.

Таким образом, в данной исследовательской работе изучены физико-механические свойства ПКМ на основе полиолефинов, модифицированных каолином, вермикулитом и наполнителями УНТ, и даны соответствующие интерпретации. Ниже в таблице 3 представлен сравнительный анализ физико-механических свойств полимерных материалов, модифицированных на основе огнестойких наполнителей.

Таблица 3.

Сравнительный анализ физико-механических свойств полимерных материалов на основе наполнителей и полиэтилена

Если мы посмотрим на результаты наших экспериментов на примере полиэтилена, то было обнаружено, что при введении в состав композита огнезащитного модификатора марки "Каолин" ударопрочность была частично увеличена с 48 до 50 кДж/м² по сравнению с исходным полиэтиленом, устойчивость к изгибу была снижена с 25 до 22 МПа, также было проанализировано, что допуск на разрыв был снижен на 20-19 МПа, что выше, чем у аналогов.

Полученные таким образом результаты показывают, что стойкость к разрушению и удару композитов на основе ПЭ обратно пропорциональна массовой доле модификаторов в композите, установлено, что такие механические характеристики, как ударопрочность, прочность на изгиб и разрыв, снижаются при большие концентрации возрастного наполнителя.

Тот факт, что полиэтилен имеет высокую степень кристалличности, делает его прочнее других полимеров по ряду механических свойств, а также он устойчив к влаге, коррозии и износу, инертен к воздействию многих химических веществ.

Список литературы:

1. Trinath Biswal, Sushant Kumar BadJena, Debabrata Pradhan, Synthesis of polymer composite materials and their biomedical applications, Materials Today: Proceedings, Volume 30, Part 2, 2020, Pages 305-315, https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.01.567
2. Рахманкулов А.А. Влияние дисперсных наполнителей на структуру и теплопроводнсть немодифицированного и модифицированного поливинилиденфторида: Дис.канд.физ.-мат.наук.-ОГУ, Одесса: 1987. - 205 с.
3. G. Bhat, V. Kandagor, 1 - Synthetic polymer fibers and their processing requirements, Editor(s): Dong Zhang, Advances in Filament Yarn Spinning of Textiles and Polymers, Woodhead Publishing, 2014, Pages 3-30, https://doi.org/10.1533/9780857099174.1.3
4. Aleksandr E. Kolosov, Volodymyr I. Sivetskii, Elena P. Kolosova, Volodymyr V. Vanin, Aleksandr V. Gondlyakh, Dmytro E. Sidorov, Igor I. Ivitskiy, Volodymyr P. Symoniuk, "Use of Physicochemical Modification Methods for Producing Traditional and Nanomodified Polymeric Composites with Improved Operational Properties", International Journal of Polymer Science, vol. 2019, Article ID 1258727, 18 pages, 2019. https://doi.org/10.1155/2019/1258727
5. Joseph P. Greene, 12 - Polymer Composites, Editor(s): Joseph P. Greene, In Plastics Design Library, Automotive Plastics and Composites, William Andrew Publishing, 2021, Pages 191-222, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-818008-2.00007-6
6. Очистка и выделение углеродных нанотрубок // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. Хайдаров Т.З. 2023. 9(114). URL:https://7universum.com/ru/tech/archive/item/15968  (дата обращения: 10.10.2023).
7. Growth of carbon nanotubes on catalyst // Universum: химия и биология: электрон. научн. журн. Khaidarov T.Z. 2023. 6(108). URL:https://7universum.com/ru/nature/archive/item/15619  (дата обращения: 10.10.2023).