Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,909

ТЕПЛОСТОЙКОСТЬ НАНОКОМПОЗИТОВ ПОЛИМЕР/ОРГАНОГЛИНА

Джангуразов Б.Ж. Козлов Г.В. Микитаев А.К.
Показано, что теплостойкость нанокомпозитов полимер/органоглина, характеризуемая температурой размягчения по Вика, повышается по сравнению с матричным полимером. Это повышение определяется как характеристиками матричного полимера, так и структурой нанокомпозита.
нанокомпозит
полиэтилен
полипропилен
органоглина
теплостойкость

Нанокомпозиты полимер/органоглина в последние 15 лет стали предметом широкомасштабных исследований [1]. Введение небольших (до 5 масс. %) количеств органоглины в полимерную матрицу приводит к существенному улучшению эксплуатационных свойств полимеров. В частности, наблюдается повышение теплостойкости, характеризуемой температурой размягчения по Вика [2]. Цель настоящей работы - теоретический анализ физических основ повышения теплостойкости для нанокомпозитов полимер/органоглина.

В качестве матричного полимера использованы полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) марки B-Y456 со средневесовой молекулярной массой Mw=3´105, производство Узбекистана (аналог отечественного ПЭВП-276-73) и полипропилен (ПП) марки Каплен 01 030 с Mw=2,3´105, производство Российской Федерации.

В качестве нанонаполнителя применяли природную глину, модифицированную согласно патенту RU2007128379. Ее содержание во всех исследуемых нанокомпозитах составляло 5 масс. %.

Нанокомпозиты ПЭВП/органоглина и ПП/органоглина получены смешиванием компонентов в расплаве на двухшнековом экструдере Thermo Haake, модель PTW 25/42, производство ФРГ. Смешивание выполнено при температуре 453-468 К и скорости вращения шнека 45 об/мин в течение 3 мин.

Образцы для испытаний получены методом литья под давлением на машине Test Sample Injection Molding Apparate RR/TS MP фирмы Ray-Ran (Тайвань) при температуре материального цилиндра 473 К, температуре формы 333 К и давлении запирания 8 МПа.

Механические испытания на одноосное растяжение выполнены на образце в форме двухсторонней лопатки с размерами согласно ГОСТ 11262-80. Испытания проводили на универсальной испытательной машине Gotech Testing Machine CT-TCS 2000, производство ФРГ, при температуре 293 К и скорости деформации 2´10-3 с-1.

Для оценки теплостойкости нанокомпозитов использовали температуру размягчения по Вика, определяемую согласно ГОСТ 15088-83 на приборе CS-107, Costom Scientific Instrument, производство США. Использованы образцы размерами 80 мм´10 мм´4 мм.

Повышение температуры размягчения Тр обусловлено теми же структурными факторами, что и увеличение температуры стеклования нанокомпозитов, поэтому в настоящем сообщении использована модель аналогичная предложенной Дросте и ДиБенедетто [3] для описания указанного эффекта. Отметим, что температура размягчения нанокомпозита является структурой полимерной матрицы, поскольку сам нанонаполнитель при температурах порядка 390 К изменениям не подвергается. Следовательно, роль нанонаполнителя в этом случае сводится к видоизменению структуры полимерной матрицы и фиксации этих изменений.

Следует предположить, что увеличение содержания нанонаполнителя jн и относительной доли межфазных областей jмф будет повышать температуру размягчения нанокомпозита Тр, поскольку для указанных компонент нанокомпозита молекулярная подвижность полностью подавлена. Поэтому для теоретической оценки величины Тр может быть использована формула, аналогичная применявшейся ранее для расчета температуры стеклования композитов [3]: 

,                                               (1)

где Tpн и Tpм - температуры размягчения нанокомпозитов и матричного полимера, соответственно, DТр - максимальный сдвиг Тр для нанокомпозита, В - эмпирическая константа, jпл - относительная доля плотноупакованных областей структуры, не подвергающихся размягчению при Тр нанокомпозита, равная сумме (jн+jмф).

Величину (jн+jмф)=jпл можно рассчитать с помощью уравнения [1]: 

,                                           (2)

где Ен и Ем - модули упругости нанокомпозита и матричного полимера, соответственно.

Для описания зависимости Тр(jпл) согласно уравнению (1) эмпирические подобранные константы оказались равными DТр=85 К для нанокомпозитов ПЭВП/ор-ганоглина и DТр=80 К для ПП/органоглина, В=1,39 для обоих нанокомпозитов. Сравнение экспериментальных Тр и рассчитанных теоретически согласно уравнению (1) Tтр величин температуры размягчения по Вика для всех исследуемых нанокомпозитов приведено в табл. 1.

Таблица 1

Состав и характеристики нанокомпозитов ПЭВП/ММТ и ПП/ММТ

Матричный полимер

Модификатор

Содержание модификатора, масс. %

Ен, ГПа

Тр, К

TpT, К,

ур-е (1)

Δ, %

TpT, К,

ур-е (5)

Δ, %

ПЭВП

Мочевина

5

1,38

369

368

0,30

365

1,10

ПЭВП

Меламин

10

1,40

368

368

-

366

0,60

ПЭВП

Метакрилатгуанидин

5

1,35

365

367

0,55

365

-

ПЭВП

Метакрилатгуанидин

10

1,36

366

367

0,27

365

0,30

ПЭВП

Метакрилатгуанидин

20

1,20

367

364

0,82

362

1,40

ПЭВП

Акрилатгуанидин

5

1,20

368

364

1,10

362

1,60

ПЭВП

Акрилатгуанидин

10

1,58

367

366

0,27

369

0,50

ПЭВП

Акрилатгуанидин

20

1,49

370

370

-

367

0,80

ПП

Мочевина

5

1,43

382

397

3,90

389

0,50

ПП

Мочевина

10

1,40

391

397

1,50

390

1,0

ПП

Акрилатгуанидин

5

1,47

388

398

2,60

390

0,50

ПП

Метакрилатгуанидин

5

1,45

394

398

1,0

389

1,30

Примечание: для матричного ПЭВП Ем=1,0 ГПа, TpM=353 К, для ПП - Ем=0,97 ГПа, TpM=370 К.

Как можно видеть, получено хорошее соответствие теории и эксперимента (среднее расхождение Тр и TpT составляет всего 1 %).

Как показано в работе [2] для композитов, наполненных короткими волокнами, нанокомпозитов и гибридных нанокомпозитов на основе полиамида-6 (ПА-6) получены следующие значения констант: DТр=150 К, В=1,39. Это дает основания считать В универсальной константой, одинаковой для всех композитов (нанокомпозитов). Что касается константы DТр, то она различается для указанных материалов и является функцией свойств матричного полимера. На рис. 1 приведена зависимость DТр(Тпл) (где Тпл - температура плавления матричного полимера). Эта зависимость линейна и описывается следующим эмпирическим уравнением: 

,  К.                                           (3)

Подставив уравнение (3) в формулу (1), получим обобщенное соотношение для оценки TpT:

, К.                (4)


 

Рис. 1. Зависимость максимального сдвига температуры размягчения DТр от температуры

плавления матричного полимера Тпл для нанокомпозитов на основе ПЭВП (1), ПП (2) и ПА-6 (3)

В табл. 1 приведено сравнение экспериментальных Тр и рассчитанных согласно уравнению (4) TpT величин температуры размягчения для исследуемых нанокомпозитов. Как можно видеть, вновь получено хорошее соответствие (среднее расхождение Тр и TpT менее 1 %).

Таким образом, температура размягчения по Вика нанокомпозитов определяется двумя характеристиками исходного матричного полимера (TpM и Тпл) и структурой нанокомпозита (jпл).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Mikitaev A.K., Kozlov G.V., Zaikov G.E. Polymer Nanocomposites: Variety of Structural Forms and Applications. New York, Nova Science Publishers, Inc. 2008. 319 p.

2. Шустов Г.Б., Козлов Г.В., Липа-
тов Ю.С. // Матер. VII Междунар. научн. конф. «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии». Кисловодск, 17-22 сентября 2007. С. 239-241.

3. Droste D.H., DiBenedetto A.T. // J. Appl. Polymer Sci. - 1969. - V. 13. - № 10. - P. 2149-2168.


Библиографическая ссылка

Джангуразов Б.Ж., Козлов Г.В., Микитаев А.К. ТЕПЛОСТОЙКОСТЬ НАНОКОМПОЗИТОВ ПОЛИМЕР/ОРГАНОГЛИНА // Современные наукоемкие технологии. – 2009. – № 11. – С. 31-34;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=25939 (дата обращения: 14.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074