Полимерные композиционные материалы на основе полиэтилена и модифицирующих добавок



В статье приводятся результаты исследований по разработке полимерных композиционных материалов с улучшенными прочностными и антифрикционными свойствами на основе полиэтиленов высокой плотности (ПЭВП), а также низкой плотности (ПЭНП) и модифицирующих добавок — азербайджанских глин и моторного масла марки SAE5W30. Установлено, что введение в состав композиции 5–25 % наноразмерных глин и 1–3 % вышеуказанного масла позволяет термопластичные материалы с достаточно высокими антифрикционными и др. свойствами.

В технологиях, связанных с разработкой наполненных полимерных композиционных материалов различного назначения особое внимание уделяется научно обоснованному подбору модифицирующих добавок к полимерной матрице, при котором исключается явление антагонизма между ними и обеспечивается достаточно высокие эксплуатационные свойства [1].

В последние годы с развитием нанотехнологий открылись широкие возможности варьирования физико-химических и эксплуатационных показателей композиционных материалов путем импрегнирования в структуре полимерных матриц различных металлов, их оксидов, сульфидов, монтмориллонита, графита и др. модифицирующих веществ [2–4].

Процессы, происходящие при импрегнировании, детально изучены на воздействие наноразмерных частиц металлов (НРЧ) или их кластерных частиц на свойства традиционных полимеров (ПЭ, ПВХ и др.) это объясняется способностью частиц образовывать ионные и координационные сшивки ограничивающие подвижность молекулярных цепей или их сегментов, когезионными и адгезионными взаимодействиями и др. причинами [3]. Нередко в составах композиций на основе ПЭ, ПТФЭ и др. наряду с инертными наполнителями используются и реакционноспособные олигомеры и соолигомеры, участвующие в процессе сшивки полимерных цепей, с образованием материала с высокими прочностными и антифрикционными свойствами. Так, в патенте [5] предлагается новая, отверждаемая композиция, состоящая из 1 % ПТФЭ (частиц размером 0,1–0,4 мкм), 57.5 % армированной ткани из углеродного волокна и 48,5 % фенол-формальдегидной смолы. Отверждаемый материал можно использовать в условиях сухого трения, в отсутствии какой-либо смазки. Таким образом, для придания требуемых дополнительных свойств промышленным полимерам используются различные методы, основанные на включении частиц наполнителя и других модифицированных добавок в композиции и их переработке каким-либо известным подходящим способом.

В настоящей статье проводятся результаты наших исследований, связанных с разработкой новых композиционных материалов на основе ПЭВП и ПЭНП, наноразмерных азербайджанских глин (месторождения Гызыл-Даре Азербайджанской Республики) и моторного масла SAE5W30, предназначенного для использования в автомобильных бензиновых двигателях.

Экспериментальная часть

Основные характеристики, использованные в работе в качестве матриц полиэтиленов, приводятся в табл.1.

Таблица 1

Характеристика полиэтиленов.

Показатели	ПЭНП	ПЭВП
Плотность при 20С, кг/м3	924	957
Показатель текучести расплава при 190С, г/10 мин	7.0	8.6
Температура плавления	105–110	124–132
Предел прочности при растяжении, МПа	26.0	31.0
Относительное удлинение при разрыве, %	170	190
Водопоглощение (30 суток, 20С)	0.020	0.005

Характеристики модифицирующих добавок:

а) наноглина, представляющая собой осадочную горную породу пылевидную в сухом состоянии и пластичную при увлажнении состоит из одного или нескольких материалов группы каолинита, монтмориллонита или др. слоистых алюмосиликатов. Состав, % мас.: SiО₂–47.0, Al₂О₃–39.0, Н₂О –14.0.

б) моторное масло SAE5W30: кинематическая вязкость при 100С 10 мм²/С, температура вспышки (в открытом тигле) 180–182 С, температура застывания -33 -34С. Были составлены композиции с использованием в качестве матриц ПЭНП (или ПЭВП) и различных количеств наполнителя (глиной) и масла SAE5W30 (выполняющего роль структурного пластификатора). Образцы готовились на горячих вальцах при температуре 180 С и продолжительности 8–10 мин.

Вначале полимерную матрицу расплавляли на вальцах, в неё вводили наполнитель (глину) в количестве от 5 до 25 %, а затем пластифицирующий компонент 1–3 % смазочного моторного масла SAE5W30. Готовят образцы и без масла. Масса перемешивалась до однородной массы и с помощью специальных ножей соскабливалась с валков. Далее полимерный композит (в количестве 30 г) помещали в пресс форму и проводили прессование при давлении. Из полученных пластин вырубали образцы для проведения испытаний.

Оценочными показателями служили разрушающее напряжение при растяжении и относительное удлинение (по ГОСТ 17370–71) и коэффициент трения (по ГОСТ 11012–69).

Результаты иих обсуждение

В табл. 2 приведены результаты испытаний наполненных композиционных материалов, полученных на основе полиэтиленов с наноглины и моторного масла (при их различных массовых соотношениях).

Таблица 2

Результаты испытаний композиций.

Соотношение компонентов,%масс.	Разру-шающее напряже-ние, МПа	Относи-тельное удлине-ние,%	Показатель текучести расплава, г/10мин	Коэффи-циент трения
ПЭВП:наноглина:моторное масло 75:25:0 85:15:0 73:26:1 72:25:3 83:15:2 94:5:1	25.3 27.6 25.5 27.2 29.8 31.8	15.0 20.0 25.0 45.0 70.0 150 190?	11.8 14.3 9.5 12.7 16.4 9.7	0.42 0.37 0.24 0.18 019 032
ПЭНП:наноглина:моторное масло 75:25:0 73:25:2 69:27:4 83:15:2 95.5:4:0.5	12.5 15.9 13.3 16.9 15.7	20 50 25 75 220?	7.2 8.6 7.7 5.8 2.2	0.24 0.14 0.21 0.16 0.22

Как видно из табл. 2, включение в состав полиэтиленовой матрицы наноразмерных глин и моторного масла (с вязкостью 10 мл/с) позволяет создать композиционный наполненный материал с высокими прочностными и антифрикционными свойствами. При использовании в композиции только ПЭВП наполнителя (глины) не удается достичь достаточно низкого значения коэффициента трения. Так, при испытании отвержденной композиции, состоящей из 75 % ПЭВП и 25 % наноглины, коэффициент трения составляет 0.42, то достаточно ввести всего 1 % моторного масла, чтобы уменьшить коэффициент трения до 0.24.

В случае использования в качестве матрицы ПЭНП (95.5 %), наноглины (4 %) и всего 0.5 % масла, чтобы получить композиционный материал с коэффициентом трения 0.22 и относительным удлинением при растяжении 220 %. Наименьший показатель износа обладает композиция, состоящая из 73 % ПЭНП, 25 % глины и 2 % моторного масла: коэффициент трения при этом минимальный 0.14. По величинам разрушающего напряжения образца, составленные на основе ПЭВП. превосходят таковые, полученные на основе ПЭНП.

Таким образом, модифицируя свойства промышленных полиэтиленов дешевыми неорганическими добавками, можно создать композиционные материалы, обладающие высокими прочностными и антифрикционными свойствами. Использование в качестве наполнителя глин повышает также их огнестойкость.

Литература:

1. Глюшинский И. В., Хомченко С. А., Попов В. О. //Успехи химии, 2013. Т. 82. № 1. С. 48–76.
2. Пастухов А. В., Даванков В. А., Лубенцова К. И. //Журнал физической химии, 2013. Т. 87. № 10. С. 1721–1727.
3. Помогайло А. Д. // Успехи химии, 1997. Т. 66. № 8. С. 750–791.
4. Авдеев В. В., Соболев Г. П. //Материалы научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития машиностроения в производстве и переработке пластмасс». Москва, изд. НИИТЭ масс. 2001, с. 42–45.
5. Пат. 2181128. Россия, МПК⁷С 0875/16, 2002.