Свойства полимерно-композиционных материалов, модифицированных оксалатом магния

Properties of polymer materials modified with magnesium oxalate
Цитировать:
Свойства полимерно-композиционных материалов, модифицированных оксалатом магния // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Кенжаев Д.Р. [и др.]. 2019. № 9 (66). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/7831 (дата обращения: 22.06.2021).
Прочитать статью:

АННОТАЦИЯ

В статье изучена модификация полимерно-композиционных материалов оксалатом магния. Установлено, что введение в полиэтилен частиц оксалата магния позволяет улучшить такие свойства, как показатель текучести расплава, относительное удлинение при разрыве, ударная вязкость и прочность при растяжении разработанных полимер- матричных композитов.

ABSTRACT

The article studies the modification of polymer-composite materials with magnesium oxalate. It has been established that the introduction of magnesium oxalate particles into polyethylene makes it possible to improve such properties as melt flow rate, elongation at break, impact strength and tensile strength of matrix composites developed by the polymer.

 

Ключевые слова: полимерно-композиционный материал, наполнитель, оксалат магния, полиэтилен высокого давления, реологические и прочностные характеристики.

Keywords: nanoparticles, magnesium oxalate, oxalic acid, magnesium sulfate, sodium oxalate, nanofiller, nanocomposite, low density polyethylene, rheological properties.

 

Введение. Неметаллические материалы являются диэлектриками, то есть у них отсутствуют электрические свойства, а также обладают очень низкими теплообменными свойствами. У них нет свободных электронов, обеспечивающих тепло- и электропроводящие свойства, а также они имеют очень низкую плотность, из-за чего они гораздо легче, чем металлические материалы. Природа неметаллических материалов и связанные с ними условия их получения и переработки во многом определяют технико-экономические показатели и возможности их практического использования. По происхождению они подразделяются на природные (целлюлоза, крахмал), искусственные - получаемые путём модификаций природных волокон (нитроцеллюлоза), и синтетические (полиэтилен, бутадиеновый каучук) [3, c. 18].

Современные композиционные материалы представляют собой полимеры, модифицированные физическими или химическими методами. При этом на их свойства существенное влияние оказывает как природа и особенности самого полимера, так и природа и размеры частиц наполнителя.

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 [6, с. 32].

Получение наночастиц в газофазным методом осуществляется в процессе «испарение-конденсация» - в газовой фазе, с помощью топохимических реакций, сверхзвуковое истечение газов из сопла, а также термолизом и восстановлением [4, с. 17]. А в жидкой фазе наночастицы получают химической конденсацией, осаждением в растворах и расплавах, золь-гель- методом, электрохимическим методом. Также наночастицы можно получать методами плазмохимического, электроэрозионного, ударно-волнового и детонационного синтеза [4, с. 74]. Кроме перечисленных, известны механо-, крио- и биохимические методы получения наноматериалов [2, с. 31].

Экспериментальная часть. В данной работе применен метод получения наночастиц осаждением из жидкой фазы. При синтезе использовались ацетат натрия, сульфат магния и щавелевая кислота (хч), соответствующие ГОСТ 5852-79 и ГОСТ 22180-76; кальций хлористый (техн. ГОСТ 450-77); лодочки фарфоровые (ГОСТ 9147-80); стеклянные стаканы мерные второго класса точности, емкостью 100, 200, 250 мл (ГОСТ 1770-74). В качестве стабилизатора применен полиэтиленгликоль марки Мr=6000-7500.

Синтез препарата оксалата магния проводили сливанием растворов 200 мл 0,2 М ацетата магния и 100 мл 0,5 М щавелевой кислоты при интен­сивном перемешивании. Осадок образовывался в течение 20-25 минут по­сле сливания растворов, его центрифугировали, промывали этиловым спиртом и высушивали до постоянной массы. При этой обменной реакции получается оксалат магния. Идентификацию образцов проводили на основе дифрактограмм, которые снимали на рентгеновском дифрактометре XRD-6100 (Shimadzu, Japan) с компьютерным управлением. Применяли CuKα-излучение (β-фильтр, Ni 1.54178; режим тока и напряжения трубки 30 mA и 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 80оС. Размеры наночастиц определяли по формуле Шеррера [5].

где, d – средний размер кристаллов;

K – безразмерный коэффициент формы частиц (постоянная Шеррера);

β – ширина рефлекса на полувысоте (в радианах и в единицах 2θ);

λ – длина волны рентгеновского излучения;

θ – угол дифракции (Брегговский угол).

Размеры синтезированных частиц оксалата магния оказались в интервале от 10,4 нм до 16,1 нм. Среднее значение равно 12,3 нм. Полученные наночастицы оксалата магния использовались как наполнитель для полиэтилена.

Результаты и их обсуждение. Свойства и технологические характеристики нанонаполненных полимерных композиционных материалов зависят не только от размеров наночастиц, но и от их однородности. Pазмеры синтезированных частиц оксалата магния оказались в интервале от 10,4 нм до 16,1 нм. Среднее значение равно 12,3. Оксалат магния получали по схеме, описываемой ниже. При взаимодействии оксалата натрия с сульфатом магния образуется монокристаллогидрат ацетата магния. Затем, добавляя щавелевую кислоту, получили дигидрат оксалата магния.

2СH3COONa + MgSO4∙7H2O → (CH3COO)2Mg∙2H2O + Na2SO4+ 5H2O

(CH3COO)2Mg∙2H2O + H2C2O4 → MgC2O4∙2H2O↓ + 2 CH3COOH

В качестве полимерной матрицы был выбран полиэтилен высокого давления (ПВД), обладающий низкой плотностью, как наиболее экономичный и недефицитный крупнотоннажный полимер, выпускаемый отечественной промышленностью. Для нахождения концентрации оксалата магния, обеспечивающей наилучшее сочетание механических свойств получаемых нанокомпозитов и технологических параметров их переработки, был получен и исследован ряд нанонаполненных образцов ПВД, где концентрация нанонаполнителя варьировалась 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.

Оценку реологических свойств нанонаполненных композитов проводили по пределу текучести расплава (ПТР). С повышением содержания оксалата магния в ПКМ текучесть композиции уменьшается (рис. 1), но вместе с тем композиции, наполненные оксалатом магния, можно перерабатывать и экструзионным, и литейным методом. ПТР измеряли для расплавов исходного ПВД и модифицированного различными массовыми частями оксалата магния при температуре 190 0С (рис. 1). Как видно из графика, с повышением концентрации оксалата магния уменьшается текучесть полимерного композита. Когда в полимерной матрице количество оксалата магния увеличивается с 0,1% до 1%, происходит монотонное изменение физических и механических свойств полимера, и такое изменение замедляется после введения в полимер более 1% наполнителя.

 

Рисунок 1. Зависимость прочности при растяжении и текучести ПВД от массовой доли оксалата магния

 

Вероятнее всего, причиной изменения структуры расплава является в большей степени увеличение расстояния между молекулами полимерной матрицы и формированием кристаллических зон. Такое объяснение находит подтверждение измерением прочности при растяжении композита в зависимости от концентрации наполнителя (рис. 1.). При добавлении различных концентраций оксалата магния прочность композиции при растяжении существенно увеличивается – до 1%, дальнейшее увеличение концентрации соли не оказывает какого-либо существенного воздействия на прочность композита. Это может быть объяснено тем, что в меньших концентрациях нанонаполнитель, проникая между молекулами полимерной матрицы, образует мостики, а с повышением концентрации длина мостиков увеличивается и растяжение непропорционально изменяется относительно концентрации наполнителя. Как видно из графика (рис. 1), максимум прочности при растяжении достигается при 1-2 масс.ч. наполнителя. А также определены зависимость ударной вязкости от концентрации наполнителя. И здесь оптимальным условием является, когда концентрация наполнителя будет 1 масс.ч. от массы композиционного материала (рис. 2). Здесь (рис. 2) приведена зависимость относительного удлинения при разрыве композита ПЭВДОНП от концентрации оксалата магния.

 

Рисунок 2. Зависимость ударной вязкости и относительного удлинения полиэтилена высокого давления, обладающего низкой плотностью, от массовой доли оксалата магния

 

Анализ полученных зависимостей физико-механических свойств нанонаполненных полимерных композитов показывает, что оптимальной концентрацией оксалата магния, используемого в качестве наполнителя ПВД, является 1 масс.ч.

Выводы. Получены наночастицы оксалата магния и доказана возможность их использования в качестве наполнителя ПВД, улучшающего физико-механические характеристики композиционного материала, такие как прочность и относительное удлинение при растяжении, ударная вязкость, а также реологические свойства как ПТР.

 

Список литературы:
1. Васильев Е.К. Качественный рентгенофазовый анализ / Е.К. Васильев, М.С. Нахмансон. – Новосибирск: Наука, 1986. – 200 с.
2. Генералов М.Б. Криохимическая нанотехнология: Учебное пособие для вузов. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. – 325 с.
3. Лахтин Ю.М. Материаловедение: Учебник для вузов. – Изд. 5-е., стереотип / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.: Изд. дом «Альянс», 2009. – 527 с.
4. Михайлов М.Д. Химические методы получения наночастиц и наноматериалов / М.Д. Михайлов. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. – 259.
5. Определение размеров наночастиц методами рентгеновской дифракции / Г.А. Дорофеев, А.Н. Стрелецкий, И.В. Повстугар  и др. // Коллоидный журнал. – 2012. – Т. 74. – № 6. – С. 710.
6. Помогайло А.Д. Наночастицы металлов в полимерах / А.Д. Помогайло, А.С. Розенберг, И.Е. Уфлянд. – М.: Химия, 2000. – 672 с.
7. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004.  237 с.
8. Сергеев Г.Б. Нанохимия. – М.: Изд-во Московского ун-та, 2003. 288с.
9. Цыбуля С.В. Рентгеноструктурный анализ ультрадисперсных систем: формула Дебая / С.В. Цыбуля, Д.А. Яценко // Журнал структурной химии. – 2012. – Т. 53. – С. 155-171.
10. McCusker, Lynne B. Solving the Structures of Polycrystalline Materials: from the Debye-Scherrer Camera to Swiss FEL. CHIMIA. International Journal for Chemistry. 2014. Vol. 68, № 1. Р. 19-25.

 

Информация об авторах

академик, АН РУз, директор ООО Ташкентского научно-исследовательского института химической технологии Республика Узбекистан, п/о Ибрат

Academician of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Director of LLC “Tashkent Research Institute of Chemical Technology”, the Republic of Uzbekistan, Ibrat

д-р техн. наук, ведущий науч. сотр., Ташкентский научно-исследовательский институт химической технологии, Республика Узбекистан, г. Ташкент

Dr. Tech. Sciences, Leading Researcher Tashkent Research Institute of Chemical Technology, Republic of Uzbekistan, Tashkent

д-р хим. наук, профессор, Термезский государственный университет, Республика Узбекистан, г. Термез

Doctor of Chemical Sciences, Professor, Termez State University, Republic of Uzbekistan, Termez

ст. преподаватель, Термезский государственный университет, Узбекистан, г. Термез

Senior Lecturer, Termez State University, Republic of Uzbekistan, Uzbekistan, Termez

ст. преподаватель, Термезский государственный университет, Республика Узбекистан, г. Термез

Senior Lecturer, Termez State University, Republic of Uzbekistan, Uzbekistan, Termez

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ахметов Сайранбек Махсутович.
Top