Термическая устойчивость полимерных нанокомпозитов на основе свехвысокомолекулярного полиэтилена и полисульфона
Определение допустимости применения материала на основе полимерной матрицы сверхвысокомолекулярного полиэтилена и полисульфона в качестве радиационно-защитного материала. Оценка его способности работать в условиях жесткого радиационного облучения.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 24.05.2018 |
| Размер файла | 581,0 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Институт Государственного управления, Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов права и инновационных технологий (ИГУПИТ) тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800)
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №4 2013 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
Размещено на http://www.allbest.ru/
1
http://naukovedenie.ru 12ТВН413
Размещено на http://www.allbest.ru/
Термическая устойчивость полимерных нанокомпозитов на основе свехвысокомолекулярного полиэтилена и полисульфона
Для практического применения полимерных нанокомпозитов в условиях повышенных температур большое значение имеет их термическая стойкость [1], которая обеспечивает бесперебойную работу изделий, что, применительно к радиационнозащитным материалам, означает сохранение защитной функции изделий на необходимом уровне. Термическая стойкость полимерных композитов определяется характеристиками материала полимерной матрицы, так как стойкость используемых неорганических наполнителей на порядок выше, чем для полимеров. Для определения термической стойкости полимерных нанокомпозитов на основе СВМПЭ и ПСФ были проведены испытания с использованием метода дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК).
Для изучения структурных изменений материалов, в том числе и композитов на полимерной основе, широко применяется метод дифференциальной сканирующей калориметрии). Данный метод основан на регистрации тепловых потоков, сопровождающих структурные изменения в материале (фазовые переходы I и II рода) при изменении его температуры, и, в случае полимерных материалов, используется для определения таких важных характеристик, как степень кристалличности, температуры стеклования, плавления и кристаллизации, тепловые эффекты протекающих процессов.
В данной работе использовался дифференциальный сканирующий калориметр DSC
204 F1 со следующими техническими характеристиками: интервал рабочих температур от 180 до 600 С, скорость сканирования при нагревании или охлаждении 0.001-100 К/мин, предел чувствительности 1.0 мW; внешний вид калориметра представлен на рисунке 1.
Исследование композиционных материалов на основе СВМПЭ проводили следующим образом: фрагмент экспериментального образа полимерного нанокомпозита загружали в алюминиевый тигель, второй аналогичный тигель оставляли пустым, он служил в качестве эталонного образца, после взвешивания оба тигля устанавливали в камеру калориметра.
Рис. 1. Внешний вид дифференциального сканирующего калориметра DSC 204 F1
полиэтилен полисульфон защитный полимерный
Для предотвращения окисления датчиков и отвода возможных продуктов горения производилась непрерывная продувка камеры аргоном. Температурная программа проведения исследований была следующей: сначала образец нагревали до 180 0С со скоростью 10 К/мин, затем охлаждали до 35 0С и повторно нагревали с той же скоростью. Все процессы, протекающие в ходе нагрева и охлаждения, автоматически регистрировались с помощью компьютерного программного обеспечения.
Первый нагрев производился для получения информации о том, в каком состоянии находится материал после того или иного вида обработки (механоактивация, термопрессование и т.д.), при этом после нагрева выше температуры плавления происходит стирание предыстории, связанной с изменениями размеров ламеллярных кристаллов и их дефектностью, и при повтором нагреве можно определить обратимость процессов, происходящих в материале.
На рисунке 2 представлена кривая ДСК исходного СВМПЭ. Пик, направленный вершиной вниз (эндотермический процесс) отвечает за плавление полимера, а пик, направленный вершиной вверх (экзотермический процесс), соответствует процессу кристаллизации при охлаждении. За температуру плавления (кристаллизации) в большинстве случаев принимают температуру, соответствующую вершине пика на ДСК кривой. Тепловой эффект протекающего процесса пропорционален площади, ограничиваемой линией ДСК кривой.
Институт Государственного управления, Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов права и инновационных технологий (ИГУПИТ) тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800)
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №4 2013 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
Размещено на http://www.allbest.ru/
1
http://naukovedenie.ru 12ТВН413
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 2. ДСК кривая чистого СВМПЭ после термопрессования при 160 єС
Таким образом, определив теплоту плавления, можно провести расчет степени кристалличности исследуемого полимера по следующему соотношению:
Ноб
Iст.кр.= Институт Государственного управления, Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов права и инновационных технологий (ИГУПИТ) тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800)
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №4 2013 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
Размещено на http://www.allbest.ru/
1
http://naukovedenie.ru 12ТВН413
Размещено на http://www.allbest.ru/
*100%, (1)
Н
где Iст.кр. - определяемая степень кристалличности, Hоб. - теплота выделившееся при плавлении, определяется площадью пика отвечающего за плавление полимера, H100 - теплота выделившееся при плавлении 100% кристаллического полимера, для СВМПЭ H 100=288 Дж/г. Строго говоря, данный метод может быть применен только при условии сохранения молекулярной длины полимерных цепочек после обработки, однако, даже при изменении длин цепи отклонение степени кристалличности от расчетной невелико и лежит в пределах ошибки измерения.
Из рисунка 3 видно, что исходный порошок плавится при температуре 141,9 єС, и, в соответствии с формулой (1), расчетная степень кристалличности СВМПЭ равна 72 об.%. При повторном нагреве происходит снижение температуры плавления до 133,4 єС, а степени кристалличности до 57 об.%. Это связано с тем, что условия кристаллизации СВМПЭ при его получении отличаются от условий кристаллизации в ходе проведения измерений. Так как процесс охлаждения в калориметре идет достаточно медленно, то количество кристаллической фазы, образовавшееся при этом, значительно меньше, чем в процессе получения исходного материала.
ДСК анализ чистого СВМПЭ после термопрессования не выявил существенных различий в поведении полимера при первом и повторном нагреве (рисунок 3). Рассчитанная по тепловому потоку при первом нагреве степень кристалличности равна 58,4 об.%, отличие между Iст.кр монолитного образца и Iст.кр при повторном нагреве исходного порошка связано с тем, что компактирование осуществляется под давлением, а давление термопрессования может сказываться на степени кристалличности СВМПЭ. Следует отметить некоторое снижение температуры плавления полимера, которое может быть объяснено частичным уменьшением длины цепи и, соответственно, большей подвижностью молекул полимера. При увеличении подвижности полимерных цепочек температура плавления будет снижаться, что и наблюдается в эксперименте. Наблюдаемое снижение является незначительным и не должно вести к значительным изменениям в физико-механических свойствах полимера.
Институт Государственного управления, Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов права и инновационных технологий (ИГУПИТ) тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800)
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №4 2013 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
Размещено на http://www.allbest.ru/
1
http://naukovedenie.ru 12ТВН413
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 3. ДСК кривая исходного порошка СВМПЭ в состоянии поставки
Вид ДСК кривых композиционных материалов на основе СВМПЭ при использовании различных наполнителей не претерпевает заметных изменений и не отличается от приведенных на рисунках 2 и 3. В таблице 1 приведены результаты ДСК анализа экспериментальных образцов. Изменения в температуре плавления для всех образцов минимальные, в пределах погрешности измерения, отсюда следует, что введение наполнителей не приводит к заметному изменению структурного состояния композитов на основе СВМПЭ, а так же к изменению степени кристалличности. Анализ результатов теплового потока при плавлении ДН показал его систематическое уменьшение при увеличении содержания наполнителей в полимерной матрице.
полиэтилен полисульфон защитный полимерный
Результаты ДСК анализа экспериментальных образцов
|
№ |
Композиция |
Содержание наполнителей, %масс. |
Степень кристалличности полимерной матрицы Iст.кр, % |
Tпл. ПоДСК |
|
|
- |
СВМПЭ |
0 |
58,5 |
136,2 |
|
|
1 |
СВМПЭ/W/B4C |
10/8 |
53,1 |
136,3 |
|
|
2 |
СВМПЭ/W/B4C |
10/12 |
53,0 |
136,1 |
|
|
3 |
СВМПЭ/W/B4C |
18/12 |
54,1 |
135,3 |
|
|
4 |
СВМПЭ/W/B4C |
30/20 |
53,4 |
133,0 |
|
|
5 |
СВМПЭ/W/B4C |
60/8 |
56,2 |
135,7 |
|
|
- |
ПСФ |
0 |
- |
287,0 |
|
|
1 |
ПСФ /W/B4C |
10/8 |
- |
276,4 |
|
|
2 |
ПСФ /W/B4C |
10/12 |
- |
278,5 |
|
|
3 |
ПСФ /W/B4C |
18/12 |
- |
274,4 |
|
|
4 |
ПСФ /W/B4C |
30/20 |
- |
269,4 |
|
|
5 |
ПСФ /W/B4C |
60/8 |
- |
267,0 |
Полученные данные могут быть объяснены тем, что частицы твердого наполнителя не распределяются по матрице, а находятся только в верхнем слое полимерного материала, и не могут являться гетерогенными центрами кристаллизации. Поэтому при введении наноразмерного порошка в полимерную матрицу не происходит никакого заметного увеличения степени кристалличности полимера.
Так как в исследуемом интервале температур не происходит никаких изменений в структуре используемых наполнителей, они не вносят вклад в наблюдаемые тепловые эффекты. Но в то же время, для расчета ДН используется масса загружаемого в тигель образца, которую можно разбить на два слагаемых: масса полимерной матрицы и масса наполнителей; и чем больше содержание наполнителей, тем в образце меньше полимерной матрицы, дающей тепловой эффект. Исходя из того, что ДН в исследуемых композитах подчиняется правилу аддитивности, для расчета степени кристалличности СВМПЭ был проведен перерасчет наблюдаемого теплового эффекта по формуле:
? H = ? H н + ? H н * М н (2)
где ДНн - наблюдаемый тепловой эффект, Мн - степень наполнения.
Результаты расчета степени кристалличности порошковых и компактированных образцов представлены на рисунках 4 и 5. Исходный порошок СВМПЭ имеет степень кристалличности 72 об.%, проведенные испытания показали, что совместная деформационная обработка в течение 90 минут порошков СВМПЭ, вольфрама и карбида бора приводит к снижению Iст.кр на 10 - 15 об.%, что объясняется частичной деструкцией СВМПЭ в процессе механообработки, в ходе которой под воздействием ударно-сдвиговых нагрузок соударяющихся шаров происходит разрыв молекулярных цепей. Еще одной причиной изменения кристалличности полимерной матрицы может быть увеличение температуры внутри барабана, что приводит к нагреву полимера и соответственно при достаточно сильном увеличении этой температуры к частичному плавлению. Частичное плавление полимерной частицы может также происходить в месте локального соударения шаров, так как энергия шаров превращается в деформационную энергию материала и частично высвобождается в виде тепла.
Институт Государственного управления, Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов права и инновационных технологий (ИГУПИТ) тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800)
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №4 2013 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
Размещено на http://www.allbest.ru/
1
http://naukovedenie.ru 12ТВН413
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 4. Степень кристалличности порошковых композитов на основе СВМПЭ наполненных W и B4C
Существующие оценки показывают, что фоновая температура внутри барабана может достигать сотни градусов по Цельсию, а локальная температура может намного превышать фоновую. Частичной деструкцией полимерных цепей можно объяснить и небольшое изменение температуры плавления полимерной матрицы.
В процессе компактирования происходит нагрев полимерной матрицы выше температуры плавления, что ведет к перекристаллизация СВМПЭ, при этом, как видно из рисунка 5, степень кристалличности монолитных образов практически не отличается от степени кристалличности исходных механообработанных порошков. Обнаруженные изменения степени кристалличности при использовании различных наполнителей незначительны, и находятся в пределах ошибки измерений. При этом для композитов можно отметить, незначительный рост степени кристалличности с возрастанием содержания наполнителей - вольфрама и карбида бора. Возможно, на поверхности частицы вольфрама все-таки играют роль гетерогенного зародышеобразователя и способствуют увеличению степени кристалличности. Однако так как все частицы сосредоточены на поверхности полимеров, то это увеличение не может являться значительным.
Институт Государственного управления, Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов права и инновационных технологий (ИГУПИТ) тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800)
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №4 2013 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
Размещено на http://www.allbest.ru/
1
http://naukovedenie.ru 12ТВН413
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 5. Степень кристалличности композитов на основе СВМПЭ после компактирования
ПСФ, как было показано ранее, имея полностью аморфную структуру, не претерпевает фазовых превращений в процессе механоактивационной обработки, в том числе и совместно с твердыми частицами неорганического наполнителя, и последующего высокотемпературного компактирования. Типичные кривые ДСК для экспериментальных образцов на основе ПСФ приведены на рисунке 6. Видно, что эндотермический максимум, отвечающий температуре плавления ПСФ, в результате введения в полимер неорганических наполнителей незначительно смещается в сторону низких температур. Результаты представлены в таблице 1.
Рис. 6. ДСК кривые чистого ПС и нанокомпозита, содержащего 18 масс.% W и 12 масс.% В4С (нормированные на единицу массы ПС)
Таким образом, испытания термической стойкости с применением метода ДСК показали, что экспериментальные образцы полимерных нанокомпозитов характеризуются очень близкими к матричным полимерам степенью кристалличности (для СВМПЭ) и температурой плавления, что говорит об отсутствии или незначительности процессов деструкции полимера при используемом методе получения композитов. Полученные значения температур плавления полимерных нанокомпозитов указывают на то, что для всех экспериментальных образцов лежат в допустимых пределах.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Влияние графитовых наполнителей на радиофизические характеристики композиционных материалов на основе полиэтилена. Разработка на базе системы полиэтилен-графит композиционного материала с наилучшими радиопоглощающими и механическими показателями.
диссертация [795,6 K], добавлен 28.05.2019Нанокомпозиты на основе природных слоистых силикатов и на основе монтмориллонита. Анализ методов синтеза полимерных нанокомпозитов. Перспективы производства полимерных нанокомпозитов. Свойства нанокомпозитов кремния. Структура слоистого силиката.
курсовая работа [847,7 K], добавлен 12.12.2013Основные способы производства полиэтилена. Получение полиэтилена при высоком давлении. Способ полимеризации в массе. Характеристические свойства полиэтилена. Технологический процесс разложения и отмывки катализатора. Оценка показателя текучести.
реферат [630,7 K], добавлен 02.06.2012Общие закономерности строения композитных наноматериалов, их виды: на основе керамической, слоистой, металлической и полимерной матрицы. Механические, электрические, термические, оптические, электрохимические, каталитические свойства нанокомпозитов.
реферат [377,0 K], добавлен 19.05.2015Конструктивные схемы шнеков экструзионных машин и оформляющих головок экструдера. Расчетная схема сил вращающегося червяка. Технические особенности геометрической формы канала оформляющей головки. Расчет коэффициентов геометрической формы канала головки.
курсовая работа [3,1 M], добавлен 07.07.2011Историческая справка о методах получения и использования полиэтилена. Процесс полимеризации этилена. Техническая характеристика сырья полуфабрикатов и продукта. Расчет материального баланса производства полиэтилена низкого давления газофазным методом.
дипломная работа [530,5 K], добавлен 26.01.2014Свойства и получение резинопластов. Механические свойства резинопластов. Свойства и структура термопластов, наполненных жесткими дисперсными наполнителями. Применение в качестве гидроизоляционных, кровельных материалов. Введение в полимер наполнителя.
реферат [31,1 K], добавлен 15.05.2015Технология производства промышленных полиэтиленов, исходное сырье. Полиэтиленовая продукция и способы влияния на ее свойства. Методика производства труб из полиэтилена низкого давления путем применения суперконцентратов для окрашивания в различные цвета.
дипломная работа [519,2 K], добавлен 20.08.2009Методы производства полиэтилена низкого давления; выбор и обоснование технологии проектируемого производства. Характеристика продукции, ее применение; расчет и подбор оборудования; автоматизация процессов. Экологическая и экономическая оценка проекта.
дипломная работа [209,2 K], добавлен 12.03.2011Технологические операции, используемые в процессе производства полимерных труб. Базовые марки полиэтилена и полипропилена, рецептуры добавок, печатных красок, лаков для производства полимерных труб. Типы труб и их размеры. Основные формы горлышка трубы.
контрольная работа [71,3 K], добавлен 09.10.2010Синтетические композиционные биоразлагаемые пластики. Биоразлагаемые пластические массы на основе крахмала. Органолептические и физико-химические показатели модифицированного крахмала. Методика рентгеноструктурного анализа, биоразложение в почве.
дипломная работа [6,1 M], добавлен 18.02.2011Изучение энтропии полимерной цепи как меры беспорядка системы, состоящей из многих элементов. Процесс моделирования высокомолекулярного вещества или материала в модели полимерной цепи бусинок. Параметры внутренней и внешней энергии полимерной сетки.
реферат [527,6 K], добавлен 05.12.2010Средняя радиационная стойкость для полиэтилена и эпоксидной смолы. Исследования прочностных характеристик материала, предложенного в качестве защиты от смешанного ионизирующего излучения. Конструкция панелей биологической защиты в виде контейнера.
дипломная работа [2,1 M], добавлен 18.05.2012Термопласты, применяемыми в производстве труб. Прочностные характеристики труб из полиэтилена. Формование и калибрование заготовки трубы. Технические требования, предъявляемые к трубным маркам полиэтилена и напорным трубам, методы контроля качества.
курсовая работа [923,0 K], добавлен 20.10.2011Методы изготовления пакетов типа "Майка". Достоинства полиэтилена низкого давления как исходного материала, усовершенствование технологии производства. Способы утилизации полиэтиленовой тары при помощи экструдера, особенности вторичного использования.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 08.01.2014Химическая формула и вид молекулы полиэтилена. Характеристика материала и изделия по назначению. Толщина пленки различных марок. Усадка и предельные отклонения. Технологическая схема установки для производства пленки рукавным методом с приемкой вверх.
реферат [847,2 K], добавлен 10.02.2014Характеристика полиэтилена высокого давления. Физико-химические свойства. Нормативно-техническая документация. История возникновения и развития ОАО "Казаньоргсинтез". Назначение и особенности IDEF0-моделирования. Модель производства процессов "Как есть".
курсовая работа [42,5 K], добавлен 03.05.2015Методы защиты металлических труб трубопровода от коррозии. Изоляционные покрытия, битумные мастики. Покрытия на основе эпоксидной порошковой краски и напыленного полиэтилена. Виды электрохимической защиты. Конструкция и действие машины для покрытий.
курсовая работа [770,8 K], добавлен 03.04.2014Линия по переработке бытовых полиэтиленовых и полипропиленовых отходов. Переработка использованных одноразовых шприцов с целью получения вторичного сырья из композиции на основе полиэтилена и полипропилена. Обеспечение безопасности и экологичности.
дипломная работа [11,7 M], добавлен 25.02.2010Строение полупроводникового материала группы АIIIВV – GaAs, сравнение свойств арсенида галлия со свойствами кремния, способы получения, использование в качестве деталей транзисторов. Перспективы развития технологии изготовления приборов на его основе.
курсовая работа [2,6 M], добавлен 04.12.2012
