Изучение структуру и свойства полиэтилена, наполненного дисперсными наполнителями

АННОТАЦИЯ

В статье показано, что после проведенного сравнительного анализа дифракционных спектров полученных композитов, отличающихся типом наполнителей, следует, что чем больше межслоевое расстояние в модифицированном наполнителе и выше концентрация малеинизированного полиэтилена, введенного извне в состав композита на основе полиэтилена, тем выше степень эксфолиации слоистого алюмосиликата.

ABSTRACT

The article shows a comparative analysis of the diffraction spectra of the obtained composites, which differ in the type of fillers, it follows that the greater the interlayer distance in the modified fillers and the higher the concentration of maleized polyethylene introduced externally into the composite based on polyethylene, the higher the degree of exfoliation of the layered aluminosilicate.

Ключевые слова: полиэтилен, дисперсный вермикулит, базальт, рентгеноструктурный анализ, эксфолиация, интерколиация.

Keywords: polyethylene, dispersed vermiculite, basalt, X-ray diffraction analysis, exfoliation, intercolation.

Введение. Полиолефины являются наиболее крупнотоннажными, доступными и востребованными из всего ассортимента выпускаемых промышленностью полимеров. Поэтому поиск технических решений, направленных на упрощение переработки полиолефинов и создание новых типов композиционных материалов на их основе, является актуальной задачей.

Природные слоистые силикаты, обычно используемые в нанокомпози-тах в качестве наномерных частиц, принадлежат к структурному семейству типа 2:1.  Пространственное изображение структуры слоистых силикатов представлено на рисунке 1 [2, с. 140-142].

Рисунок 1. Пространственное изображение структуры 2:1 глинистых минералов

В слоистых силикатах типа 2:1 октаэдрическая сетка заключена между двумя сетками кремнекислородных тетраэдров. Главные элементы структуры – кремнекислородный ион SiO₄ и алюмокислородный ион Al(O,OH)₆
[3, с. 102]. Особый интерес для получения нанокомпозитов представляют минералы, способные к разбуханию [1, с. 104]. Одними из представителей смектитов являются базальт (БТ) и вермикулит (ВК), главная особенность которых заключается в способности к адсорбции различных ионов (в основном катионов), а также к ионному обмену. Межслоевое пространство образуется однотипными поверхностями сеток кремнекислородных тетраэдров, которые удерживаются дисперсионными и электростатическими силами, возникающими между отрицательными зарядами противолежащих слоев и межслоевыми катионами.

В межслоевом пространстве слоистых силикатов (СС) сосредоточено до 80% гидратированных межслоевых катионов (Na⁺, K⁺, Ca²⁺ и др.), обуславливающих компенсацию отрицательного заряда слоя, молекул воды, препятствующих коллапсу слоев. Остальные межслоевые катионы (до 20%) сосредоточены на участках нескомпенсированных зарядов, образующихся за счет обрыва кремне- и алюмокислородных сеток.

Обсуждение полученных результатов. На основании результатов проведенного сравнительного анализа дифракционных спектров полученных композитов, отличающихся типом наполнителей, следует, что чем больше межслоевое расстояние в модифицированном наполнителе и выше концентрация малеинизированного полиэтилена (ПЭМА), введенного извне в состав композита на основе полиэтилена (ПЭВП), тем выше степень эксфолиации слоистого алюмосиликата. При этом выявлено, что степень эксфолиации слоистого алюмосиликата также зависит от продолжительности смешения компонентов и вязкости расплава смеси. В целом из серии полученных полимерных композитов к нанокомпозитам, в составе которых доля интеркалированных или эксфолиированных частиц слоистого алюмосиликата превалирует, относятся: ПЭВП/ПЭМА/ТЭАС/ВК и ПЭВП/ПЭМА/ТЭАС/БТ

а)

б)

Рисунок 2. Дифрактограммы композитов ПЭВП/ПЭМА/ТЭАС/ВК (а),

ПЭВП/ПЭМА/ТЭАС/БТ (б)

Таблица 1.

Данные дифрактограммы композитов ПЭВП/ПЭМА/ТЭАС/ВК

Таблица 2.

Данные дифрактограммы композитов ПЭВП/ПЭМА/ТЭАС/БТ

Для экспериментального исследования размеров, формы, фрактальности частиц, их закона распределения часто применяют метод рентгенофазового анализа (метод Дебая-Шеррера) ввиду его высокой информативности. Размеры областей когерентного рассеяния (ОКР) (размеры нанокристаллитов) определяют, используя классическую формулу Дебая-Шеррера:

Dp = Kλ/(Bcosθ)

Dp – средний размер кристаллитов (nm), K – константа Шеррера. K меняется от 0,68 до 2,08. K = 0,94 для сферических кристаллитов с кубической симметрией, λ – длина волн рентгеновских лучей. Cu Kα = 1.54178 Å,
B – FWHM (Full Width at Half Maximum) интегральная ширина рефлексов на дифрактограмме, cosθ – косинус угла дифракции рентгеновских лучей.

Таблица 3.

Данные результаты композитов ПЭВП/ПЭМА/ТЭАС/ВК расчетов размера наночастиц по уравнению Дебая-Шеррера

Таблица 4.

Данные результаты композитов ПЭВП/ПЭМА/ТЭАС/БТ расчетов размера наночастиц по уравнению Дебая-Шеррера

Согласно результатам рентгеноструктурного анализа, размер частиц во всех композиционных материалах был найден в наномасштабе (табл. 3-4).

ВЫВОДЫ. Доказана возможность использования дисперсного вермикулита и базальта в качестве наполнителей для полиэтиленовой матрицы. При этом выявлено, что степень эксфолиации слоистого алюмосиликата также зависит от продолжительности смешения компонентов и вязкости расплава смеси.

Список литературы:
1. Трофимов С.Я., Соколова Т.А. Минеральные компоненты почв // Тула: Гриф и К, 2007. – С. 104.
2. Henini M., Quantum Dot Nanostructures. Materials Today. 2002. V. 48. P. 140-142.
3. Kiviranta L., Kumpulainen S., Quality Control and Characterriation of Bentonite Materials. Posiva OY. 2011. P.102.