В статье рассматривается влияние наполнителей на свойства композиционных материалов. Показано, что свойства наполненных полимерных композитов определяются характеристиками полимерной матрицы, дисперсного наполнителя и их взаимодействием на границе раздела. Отмечено, что содержание наполнителей в полимерном композите должно быть оптимальным как с точки зрения возможности его переработки, так и с точки зрения его влияния на эксплуатационные характеристики. При содержании наполнителя выше оптимального многие свойства композита ухудшаются.
Ключевые слова:полимеры, полимерные отходы, композиционные материалы, полимерная матрица, наполнители.
Сегодня производится примерно 150 видов пластиков. 30 % от этого числа представляют смеси разных полимеров. Практика последних десятилетий показала, что сформировался рынок полимеров крупнотоннажного производства. В связи с этим возникает проблема переработки отходов полимерных материалов, и она обретает актуальное значение не только с позиций охраны окружающей среды, но и с экономических позиций [1–5].
В общей массе полимерных отходов основной удельный вес занимает полиэтилентерефталат — 25 %, затем полиэтилен высокой плотности и низкой плотности (ПЭВП, ПЭНП) — по 15 %, полипропилен (ПП) — 13 %, полистирол (ПС) — 6 %, поливинилхлорид (ПВХ) –5 % и прочие полимеры, использование которых пока ограничено — 21 %.
Одним из направлений использования полимерных отходов является создание композиционных материалов с использованием различных наполнителей, в том числе и техногенных отходов (зола уноса ТЭС и шлак металлургических предприятий) [6–8]. Из всех пластиков общего назначения на первое место сегодня выходят полипропилен, полиэтилентерефталат и полиэтилен. Причем полипропилен потеснил все другие полиолефины благодаря разнообразию смесей, сплавов и композитов на его основе [9].
На кафедре химии на протяжении нескольких лет проводится экспериментальная работа по созданию различных полимерных композитов и исследованию их свойств. В качестве наполнителей были использованы мел, тальк, древесная мука и техногенные отходы [10–14]. Результаты экспериментальной работы позволяют утверждать, что природа наполнителя влияет на свойства композита и определяет области его применения.
Изделия из минералонаполненных пластмасс находят широчайшее применение в промышленном производстве, в авиа-, автомобилестроении, производстве электронной техники, строительстве, включая реконструкцию зданий и сооружений, производстве емкостей нефтехранилищ, труб, при изготовлении электротехнических изделий, при производстве медицинской техники, спортивного инвентаря и товаров народного потребления (ведра, тазы и другие) [7, 15, 16].
Выбор тех или иных добавок для создания композиции, отвечающей требованиям, связан с их влиянием на ее свойства [17].
Направленное изменение свойств базового полимера достигается путем введения следующих добавок [7]:
- наполнителей для упрочнения и (или) удешевления материала;
- пластификаторов для улучшения технологических и эксплуатационных свойств;
- стабилизаторов для повышения технологической и эксплуатационной стабильности;
- фрикционных и антифрикционных добавок;
- добавок, регулирующих теплопроводность и электропроводность;
- антипиренов, снижающих горючесть;
- фунгицидов, повышающих устойчивость к воздействию микроорганизмов;
- добавок, регулирующих оптические свойства;
- антистатиков;
- добавок, создающих ячеистую структуру, и другие.
Наполнители необязательно должны быть твердыми [15]. Можно наполнить полимеры газом, тогда мы получим газонаполненные полимеры — пенопласты. Так решается задача резкого снижения плотности полимерных материалов. Очень сложно наполнить полимеры жидкостью, чтобы она была равномерно распределена в виде дисперсных капель, но в литературе можно найти описание методов получения и таких материалов [18].
Свойства наполненных полимерных композитов определяются характеристиками полимерной матрицы, дисперсного наполнителя и их взаимодействием на границе раздела. В результате этого взаимодействия уменьшается подвижность макромолекул и их сегментов в граничном слое, что приводит к повышению температур стеклования и текучести [15].
При переходе к дисперсному порошкообразному наполнителю возможность передачи напряжения от матрицы к наполнителю настолько снижается, что его вклад в увеличении прочности композита начинает конкурировать со снижением прочности матрицы из-за возникающей неравномерности напряжений и развития дефектов. Из-за этого прочность такого композита обычно не увеличивается по сравнению с прочностью матрицы (иногда даже несколько снижается).
При наполнении вязких термопластов жесткими наполнителями в количестве более 20 % наблюдается переход от пластического течения к хрупкому разрушению. При этом имеет место существенное снижение ударной вязкости, работы разрушения. Модуль упругости растет с увеличением количества наполнителя, но при этом увеличиваются размер и количество трещин, «псевдопор», возникающих в процессе нагружения при отслаивании матрицы от дисперсных частичек в момент достижения напряжений, соответствующих адгезионной прочности системы. Теоретические данные показывают, что путем уменьшения размеров частиц наполнителя и разброса их диаметров можно существенно снизить вероятность появления крупных дефектов.
Другим направлением в создании дисперсно-наполненных полимеров является их модификация частицами каучука для снижения хрупкости и повышения ударостойкости. По литературным данным известно, что результаты были получены для ударопрочного полистирола, эпоксидных и других матриц. Механизм упрочнения материалов весьма сложен, но главная роль отводится торможению развития трещины каучуковыми частицами. Многие авторы указывают на целесообразность создания в целях повышения прочности переходного слоя, обладающего высокой адгезией к матричному полимеру и каучуковой фазе [7].
Дисперсные наполнители повышают вязкость и температуру переработки полимеров, снижают технологическую усадку, повышают размерную стабильность готовых изделий, увеличивают модуль упругости материала. Введением в композиты наполнителей можно повысить теплостойкость, снизить горючесть, изменить твердость и прочность, повлиять на другие свойства материала [17, 19].
Содержание наполнителей в полимерном композите должно быть оптимальным как с точки зрения возможности его переработки, поскольку с его увеличением растет вязкость материала, так и с точки зрения его влияния на эксплуатационные характеристики. При содержании наполнителя выше оптимального многие свойства композита ухудшаются.
Изделия из наполненных полимеров сочетают в себе лучшие качества известных материалов: экологическую чистоту, высокие прочностные характеристики, обладают повышенными значениями износо- и химической стойкости, заданными электрическими, магнитными, бактериостатическими и антиобрастающими (грибками, моллюсками) характеристиками, хорошо поддаются механической обработке. Материал практически не имеет усадки, сохраняет устойчивость формы при высоких температурах [17].
Таким образом, при создании композиционных материалов, необходимо учитывать свойства наполнителей, а также предъявляемые к ним требования и влияние дисперсных неорганических наполнителей на свойства полимерной матрицы.
Литература:
1. Вторичная переработка полимеров и создание экологически чистых полимерных материалов [текст]: учеб. пособие — Екатеринбург: ФГБОУ ВПО «Уральский государственный университет им. А. М. Горького», 2008.
2. Осипов П. О. Проблемы утилизации и переработки полимеров [Электронный ресурс]: Pakkermash, 2008. — Режим доступа: http://www.pakkermash.ru/
3. Смиренный И. Н. Другая жизнь упаковки: монография /И. Н. Смиренный, П. С. Беляев, А. С. Клинков, О. В. Ефремов. — Томбов: Першина, 2005. -178 с.
4. Чупрова Л. В., Муллина Э. Р. Технологические особенности производства упаковки из вторичного полиэтилентерефталата (ПЭТ) // Молодой учёный. — 2013. — № 5. — С. 123–125.
5. Ивановский С. К., Бахаева А. Н., Ершова О. В., Чупрова Л. В. Экологические аспекты проблемы утилизации отходов полимерной упаковки и техногенных минеральных ресурсов // Успехи современного естествознания. — 2015. — № 1–5. — С. 813–815.
6. Барашков Н. Н. Полимерные композиты: получение, свойства, применение — М.: Наука, 1984. — 128 с.
7. Кербер М. Л., Виноградов В. М., Головкин Г. С. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология [Текст]: учеб. Пособие / Под ред. А.А Берлина — СПб.: Профессия, 2008.- 560 с.
8. Ершова О. В., Ивановский С..К., Чупрова Л. В., Бахаева А. Н. Современные композиционные материалы на основе полимерной матрицы//Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. — 2015. — № 4–1. — С. 14–18.
9. Шайерс Дж. Рециклинг пластмасс: наука, технологии, практика./ Пер с англ.- СПб.: Научные основы и технологии, 2012.-640с.
10. Ершова О. В., Чупрова Л. В. Получение композиционного материала на основе вторичного поливинилхлорида и техногенных минеральных отходов// Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. — 2015. — № 5–1. — С. 9–12.
11. Ершова О. В., Муллина Э. Р., Чупрова Л. В., Мишурина О. А., Бодьян Л. А. Изучение влияния состава неорганического наполнителя на физико-химические свойства полимерного композиционного материала // Фундаментальные исследования. — 2014. № 12–3. — С. 487–491.
12. Ершова О. В., Коляда Л. Г., Чупрова Л. В. Исследование возможности совместной утилизации техногенных минеральных и полимерных отходов// Современные проблемы науки и образования. — 2014. — № 1. — С. 206; URL: www.science-education.ru/115–11886 (дата обращения: 25.02.2015).
13. Ивановский С. К., Гукова В. А., Ершова О. В. Исследование свойств вспененных композитов на основе вторичных полиолефинов и золы уноса // В сборнике: Тенденции формирования науки нового времени Сборник статей Международной научно-практической конференции: В 4 частях. отв. редактор А. А. Сукиасян. г. Уфа, республика Башкортостан, 2014. С. 18–24.
14. Ершова О. В., Ивановский С. К., Чупрова Л. В., Бахаева А. Н. Минеральные техногенные отходы как наполнитель композиционных материалов на основе полимерной матрицы//Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. — 2015. — № 6–2. — С. 196–199.
15. Ферричио Т. Х. Основные принципы выбора и использования дисперсных наполнителей [Текст] — М.: Химия, 1981, 30 с.
16. Крыжановский В. К. Технические свойства полимерных материалов [Текст]: учеб. — справ. Пособие — СПб.: Профессия, 2005. — 240 с.
17. Нестеренкова А. И., Осипчик В. С. Тальконаполненные композиции на основе полипропилена [Текст]// Пластические массы. — 2007. — № 6. — с. 44–46.
18. Пахаренко В. А., Зверлин В. Г., Кириенко Е. М. Наполненные термопласты [Текст]: Справочник / под ред. Липатова Ю. С. — К.: Техника, 1986–182 с.
19. Gukova V. A., Ershova O. V. The development of composite materials based on recycled polypropylene and industrial mineral wastes and study their operational properties// В сборнике: European Conference on Innovations in Technical and Natural Sciences Vienna. — 2014. — С. 144–151.
