Изучение влияния различных факторов на свойства нанокомпозитов на основе армированного полипропилена

Размещено на http://www.allbest.ru/

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Изучение влияния различных факторов на свойства нанокомпозитов на основе армированного полипропилена

М.М. Осипов

Д.Ю. Шитов

Целью работы было изучить изменение физико-механических свойств композиций полипропилена с нанодобавками, армированного базальтовым волокном, при воздействии низких температур и УФ облучения. В качестве наноструктурирующих систем применялись углеродные нанотрубки (УНТ), углеродные нановолокна (УНВ) и частицы графена (ЧГ).

УНТ- это нанотурбулены диаметром от пяти до нескольких десятков нм. Они состоят из 2-50 коаксиальных полых цилиндров, стенки которых образованы свернутыми графеновыми слоями. Углеродные нановолокна (УНВ) - представляют собой углеродные цилиндрические наноструктуры, являющиеся слоями графена, сложенными в стопку [1].

В последнее время в качестве нанодобавок стали использовать достаточно новый и уникальный материал графен - двумерный кристалл (в 200 раз прочнее стали) в виде волнообразных слоев с толщиной, равной диаметру атома углерода (0,14 нм). Графен получают расслаиванием химически чистого графита (авторы графена А. Гейм, К. Новожилов за его изобретение получили Нобелевскую премию по физике в 2010 г.) [2].

Для улучшения совместимости малого количества нанодобавок применяют различные технологические приёмы, в частности ультразвуковое воздействие при смешении компонентов. Также для улучшения распределения нанодобавок в неполярной матрице полиолефинов вводят жидкие модификаторы, в частности лапрол. Лапрол - торговое название простого полиэфира, выпускаемого на ОАО "Нижнекамскнефтехим".

Для оценки возможности применения изделий из полимеров необходимо изучить их устойчивость к механическим нагрузкам при пониженной температуре. В работе установлено, что результатом введения нанодобавок оптимальных концентраций (УНТ-0,1мас.%, УНВ-1 мас.% и ЧГ-0,01 мас.%) в модифицированный полипропилен (ПП),армированный базальтовым волокном, является некоторое снижение ударной вязкости по сравнению с исходным полимером после выдержки в течение 7 суток при температуре -30°С (табл.1),однако прочность при разрыве и изгибе, а также модуль при сдвиге увеличиваются.

Изучалась устойчивость композитов к действию УФ излучения при добавлении ЧГ, УНВ и УНТ в модифицированный армированный ПП . Было показано, что прочность при изгибе без введения углеродных наноструктур в армированный ПП быстро снижалась с течением времени под действием ультрафиолетового света.

Таблица 1. Физико-механические свойства нанокомпозитов на основе полипропилена, армированного базальтовыми волокнами, при нормальной и пониженной температуре

Рис. 1. Изменение прочности при изгибе армированных нанокомпозитов на основе полипропилена при УФ облучении

Введение углеродных нановолокон и частиц графенов приводит к увеличению стойкости действия ультрафиолетового излучения полипропилена, армированного базальтовым волокном. Увеличение стойкости к действию УФ излучения при введении углеродных наноструктур в композит, вероятно, связано с перехватом ими активных радикалов, образующихся при фотодеструкции полипропилена (рис.1)

В работе было показано, что при введении 20 мас.% базальтовых волокон в полипропиленовую матрицу несколько возрастает теплостойкость по Вика со 103 °С до 105 °С. Введение дополнительно 1мас.%углеродных нановолокон или 0,01 мас.% частиц графенов приводит к повышению теплостойкости до 107 °С.

В работе также изучалась горючесть композиций полипропилена. Большинство промышленных полимеров -- органические вещества, которые при температуре 500 °С воспламеняются и горят.

Для снижения горючести полимеров используют: 1) замедление реакций в зоне пиролиза снижением скорости газификации полимера и количества образующихся горючих продуктов; 2) снижение тепло - и массообмена между пламенем и конденсированной фазой; 3) ингибирование радикалоцепных процессов в конденсированной фазе при ее нагреве и в пламени [3]. углеродный нанодобавка ультрафиолетовый излучение

Полимерные материалы подразделяются (по одной из многих классификаций) на негорючие, трудносгораемые и горючие. Критерием отнесения полимерного материала к группе негорючих является его неспособность гореть на воздухе при температуре среды 900-1100 °С.

Показателями, характеризующими горючесть полимерных материалов, являются, в зависимости от метода определения горючести, температура воспламенения, скорость горения, теплота сгорания, температура поверхности горящего материала и другие. Благодаря высокой воспроизводимости результатов наибольшего внимания заслуживает метод калориметрии и метод кислородного индекса.

Согласно принятой в России классификации полимерные материалы делят на сгораемые, трудносгораемые и несгораемые. Из сгораемых материалов выделяют трудновоспламенямые, а из них и трудносгораемых -- самозатухающие. Используемая за рубежом классификация материалов по огнестойкости приблизительно соответствует отечественной.

Горючесть изучалась на исходном ПП и с нанодобавками без армирования базальтовыми волокнами.

Таблица 2. Время сгорания композиций на основе полипропилена с нанодобавками

Из таблицы 2 видно, что сгорание образцов (пластин) из КМ на основе ПП и нанодобавок происходит по-разному. Быстрее всего сгорает исходный ПП. Введение графена в ПП, особенно озвученного, повышает время сгорания в 2 раза, тоже можно сказать о нанотрубках, хотя их концентрацияв 10 раз выше по сравнению с графеном.

Наименьшая горючесть характерна для композитов ПП на основе углеродных нановолокон, очевидно, за счёт более плотной упаковки матрицы.

Как известно, введение наполнителей или модификаторов в полимерную матрицу влияет на теплопроводность, причем численное значение теплопроводности () композиционного материала будет определяться не только количеством введённой добавки, но и характером её взаимодействия с полимерной фазой [4].

В результате работы было выявлено, что нанодобавки повышают теплопроводность КМ на основе ПП. Наполнение ПП углеродными нанодобавками несколько повышает теплопроводность материала во всём исследуемом интервале значений температуры (55…110°C), фактически не меняя характера зависимости. несмотря на высокую теплопроводность отдельных углеродных нановолокон и нанотрубок, входящих в состав материала, теплопроводность композитов, полученных с их помощью, повышается по сравнению с исходным ПП не столь существенно как можно было ожидать, очевидно, из-за слишком малого содержания нанодобавок. Однако разные по структуре нанодобавки дают различные эффекты повышения теплопроводности.

При сравнении композитов на основе графена, УНТ и УНВ заметна более высокая теплопроводность с графеном (0,4, Вт/(м.К), она в два раза превышает показатель исходного полимера, очевидно за счет его лучшего распределения; с УНВ ( 0,32) , а с УНТ теплопроводность еще ниже и равна 0,29 во всем диапазоне изученных температур.

Таким образом, используя нанонаполнители в ПП, удается повысить теплопроводности композита, уменьшить температурные перепады и тем самым снизить температурные деформации, что может расширить области применения данных материалов.

Литература

1. Раков Э.Г. Нанотрубки и фуллерены: учебн. пособие / Э.Г. Раков. - М.: Логос, 2006. 376 с.

2. Губин С.П., Ткачев С.В. Графен и родственные наноформы углерода. Монография. - М.: Книжный дом "ЛИБРОКОМ", 2012. - 104 с.

3. Михайлин Ю.А.Тепло-, термо- и огнестойкость полимерных материалов. СПб.: НОТ.-2011.-416 с.

4. Резник С.В., Денисов О.В., Нелюб В.А. и др. Исследования теплопроводности углепластиков в широком диапазоне эксплуатационных температур с использованием элементов натурных конструкций // Все материалы. Энцикл. справ., 2012. - № 3 - С. 2-6.

Аннотация

В результате работы были подобраны углеродные нанодобавки и их оптимальные количества в армированном базальтовым волокном полипропилене. Изучена устойчивость разработанных нанокомпозитов к механическим нагрузкам при пониженной температуре и УФ воздействию. Изучена горючесть нанокомпозитов и показана, что она наименьшая при введении в полипропилен углеродных нановолокон.

Ключевые слова: полипропилен нанотрубки, нановолокна, графен, базальтовое волокно, физико-механические свойства.

As a result of the carbon nano-additive were picked up and the optimal amount of basalt fiber in reinforced polypropylene . The stability of the developed nanocomposites to mechanical loads at a low temperature and UV resistance. Combustibility nanocomposites studied and shown that it is the smallest , when introduced into the polypropylene carbon nanofibers.

Key words: polypropylene, nanotubes , nanowires , graphene , basalt fiber , physical and mechanical properties .

Размещено на Allbest.ru