Исследование углепластиков трубного назначения на основе полиэтилена марки ПЭ80Б

В настоящее время широкое применение нашли полиэтиленовые трубы. Полиэтилен высокой плотности (низкого давления), являясь одним из основных материалов для изготовления трубопроводов различного назначения, занимает одно из ведущих мест среди термопластов по разнообразию получаемых на его основе материалов. Однако уровень прочностных характеристик существующих трубных марок полиэтиленов отечественного и зарубежного производства недостаточен для применения в условиях севера России.

Существующее многообразие добавок различного функционального назначения, нанопорошков, способных даже при небольших степенях наполнения кардинально изменить эксплуатационные характеристики полимеров, волокнистые армирующие наполнители, создают предпосылки для получения высокоэффективных трубных композиционных материалов, способных эксплуатироваться в экстремальных климатических условиях Севера России, для которого характерны большие перепады температур, как в течение года, так и в пределах суток.

В качестве армирующей макродобавки использовались углеродные волокна двух типов: УВИС АК-П (волокнистый материал на основе гидрата целлюлозы) и УКН-М (волокнистый материал на основе полиакрилнитрила), производства ООО «НПЦ УВИКОМ». Выбранные наполнители представляли собой рубленные волокна длиной 6–7 мм и диаметром 5–8 мкм.

Углеродные нановолокна были синтезированы в Институте катализа СО РАН. Разработанная технологическая установка каталитического пиролиза метансодержащего сырья позволяет получить углеродные нановолокна трех основных морфологических конфигураций — коаксиально-конической (55БР-ККМ), перистой (43БР-ПМ) и стопчатой (51БР-СМ) с длинами1–50 мкм и диаметрами 10–50 нм.

Для исследования возможности использования наноуглеродных волокон с целью усиления адгезионной связи между макроволокном и полимерной матрицей были выбраны два технологических подхода. Первый подход заключался в использовании бинарного углеродного наполнителя, содержащего макро- и нановолокно. Второй подход предусматривал наращивание наноуглеродных волокон на поверхности макроволокон. Поверхностно-модифицированные макроуглеродные волокна представляют собой макроволокна марки УНМ-М с наращенными на их поверхности нановолокнами, с различным массовым приростом. Массовый прирост нановолокон определялся количеством катализатора, вводимого в реакционную смесь: 66МР (катализатор — 1 % Ni/C, прирост 22,3 мас. %); 67МР (катализатор — 2,5 % Ni/C, прирост 24,3 мас. %); 68МР (катализатор — 5 % Ni/C, прирост 32,5 мас. %).

Процесс получения полимерного композиционного материала (ПКМ) модифицированного углеродным наполнителями в трубных технологиях представляет сложную технологическую проблему, так как в зависимости от предназначения получаемых изделий, их размера и формы технологический процесс изготовления заготовок должен меняться.

В результате анализа проблем, возникающих при разработке материалов конструкционного назначения, выявлены приоритетные направления, связанные с созданием дисперсно-армированных материалов на полимерной основе, а именно:

-        разработка технологии изготовления изделий, позволяющей максимально полно реализовать анизотропные свойства волокон, обеспечить необходимую адгезию к полимерной матрице и равномерное распределение волокон по объему материала при переработке ПКМ методом экструзии;

-        целенаправленный выбор состава ПКМ, способствующего достижению высокого значения служебных характеристик.

При совмещении углеродных наполнителей с полимером необходимо учитывать следующие основные моменты. С одной стороны, необходимо сохранять физическую целостность наполнителя без разрушения его структуры. С другой стороны, необходимым условием равномерного распределения частиц наполнителя в полимерном связующем является интенсивное перемешивание компонентов ПКМ. Кроме этого, следует учесть, что процессы смешивания компонентов ПКМ в экструдере и получение гомогенной смеси затруднены вследствие склонности волокон к агломерации [1–3]. Поэтому модельные образцы были изготовлены традиционным способом: композиционные смеси получали смешением полиэтилена и углеродных наполнителей в пластикордере «Брабендер» при температуре 170 ºС (в расплаве) и скорости вращения валков 30 об./мин. Полученные смеси прессовали на прессе П 100–400 при нагрузке 0,1 МПа. и температуре 170 ºС. Смешение компонентов композиции в расплаве позволило обеспечить хорошее «схватывание» волокон пластичным связующим [4].

Установлено, что введение 10 мас. % углеродных волокон марки УВИС АК-П приводит к повышению предела текучести на 17 % и модуля упругости на 55 %, а использование волокон марки УКН-М приводит к повышению аналогичных характеристик на 12 и 52 %, соответственно. Применение углеродных волокон марки УКН-М приводит к повышению значений показателя трещиностойкости полиэтилена, введение в полимерную матрицу волокна марки УВИС АК-П приводит к снижению исследуемого показателя.

Принимая во внимание геометрические размеры углеродных нановолокон, была предпринята попытка применить их в качестве модифицирующей добавки к трубному полиэтилену ПЭ80Б [4]. Количество вводимых углеродных волокон составляло 0,1–1,0 мас. %.

Установлено, что применение углеродных нанонитей позволяет повысить модуль упругости на 10 % по сравнению с композитом, не содержащим нанонити, и на 65 % по сравнению с немодифицированным ПЭ80Б, т. е. жесткость системы повышается, следовательно, адгезионное взаимодействие между компонентами композита усиливается. Кроме того, применение углеродных нанонитей позволило повысить предел текучести исследованных материалов до 23 %.

Отрицательным результатом при этом является значительное снижение относительного удлинения при разрыве. С целью снижения этого негативного явления дальнейшие исследования были направлены на использование в качестве наполнителей углеродных макроволокон с нарощенными на их поверхности нановолоконами.

Установлено, что в композите ПЭ80Б, содержащем 10 мас. % модифицированных углеродных волокон с массовым приростом нановолокон 24,3 мас. % предел текучести увеличивается на 24 %, а модуль упругости на 34 % по сравнению с ненаполненным полиэтиленом. Физико-механические характеристики остальных композитов, содержащих поверхностно-модифицированных макроколокон, практически не меняются.

Таким образом, исследования влияния углеродных волокон на свойства полиэтилена марки ПЭ80Б показали, что эффективность армирующего воздействия углеродных волокон на полимерную матрицу определяется их поверхностными характеристиками. Наиболее высокими физико-механическими характеристиками отличаются композиты, содержащие углеродное волокно марки УКН-М, поверхность которых отличается наличием технологических дефектов. Для усиления адгезионного взаимодействия в системе макроволокно — полимерная матрица были использованы наноуглеродные волокна, синтезированные в ИК СО РАН. Их применение, как компонента бинарного наполнителя, либо в качестве поверхностного модификатора макроуглеродных волокон, привело к существенному повышению предела текучести и модуля упругости полиэтиленовых композитов. Полученные результаты соответствует известным литературным данным для других полиолефинов [5–10].

Литература:

1.                            Миллер Т. Н. Плазмохимический синтез и свойства порошков тугоплавких соединений // Неорганические материалы. — 1979. — № 4. — С. 557–561.

2.                            Шпат А. А., Циелен У. А., Крот О. И. Получение и свойства высокодисперсных порошков плазмохимического синтеза // Физикохимия ультрадисперсных соединений. — Рига: Зинатне, 1989. — С. 194–195.

3.                            Охлопкова А. А., Петрова П. Н., Слепцова С. А., Ючюгяева Т. С., Гоголева О. В. Полимерные композиты с адаптивными к условиям эксплуатации свойствами // Сб. тр. XXIY междн. конф. «Композиционные материалы в промышленности. Славпо-ликом», 31 мая-4 июня 2004 г., Ялта. — С.194–196.

4.                            Саввинова М. Е., Петухова Е. С. Выбор перспективных наполнителей для полиэтиленов ПЭ80Б и ПЭ2НТ11 // Электронный журнал «Инженерный Вестник Дона», 2013. № 1. http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1518

5.                            Охлопкова А. А., Петрова П. Н., Слепцова С. А., Гоголева О. В. Полиолефиновые композиты триботехнического назначения для узлов трения автомобилей //Химия в интересах устойчивого развития. — 2005. -Т.13. — С.797–803.

6.                            Охлопкова А. А., Петрова П. Н., Гоголева О. В. Разработка полимерных триботехнических материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и нанодисперсных соединений // Наука и образование.-2006.-№ 1.-С.78–82.

7.                            Петрова П. Н., Гоголева О. В., Попов С. Н. Самосмазывающиеся триботехнические материалы на основе политетрафторэтилена // Сб.тез. докл. межд. науч. конф. «Полимерные композиты и трибология». Поликомтриб-2007. — Беларусь, Гомель, 2007. –С.63–64.

8.                            Охлопкова А. А., Петрова П. Н., Гоголева О. В. Самосмазывающиеся материалы триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена // Сб. материалов 27 международной конференции «Композиционные материалы в промышленности». — Крым, г. Ялта, 2007, с.426–428.

9.                            Бабенко Ф. И., Сухов А. А., Федоров Ю. Ю. Влияние факторов холодного климата на прочность и трещиностойкость дисперсно-армированных термопластов // Электронный журнал «Инженерный Вестник Дона», 2011. № 4. http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2011/551/

10.                        Соколова М. Д., Шадринов Н.В, Давыдова М. Л., Сафронов А. Ф. Исследование межфазного взаимодействия в полимерэластомерных композициях методом атомно-силовой микроскопии // Электронный журнал «Инженерный Вестник Дона», 2010. № 4. http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2010/262