Данная статья посвящена исследованию влияния наноразмерных наполнителей на физико-механические свойства АБС-пластика. В статье описан метод изготовления образцов для проведения испытаний, в основе которого лежит 3D-прототипирование. Результаты испытаний показаны в виде диаграмм нагружения.
В полимерматричных композитах (Polymer-matrix nanocomposites, Nanofilled polymer composites) переход от микроразмерных наполнителей к наноразмерным существенно изменяет целый ряд эксплуатационных и технологических свойств, связанных с локальными химическими взаимодействиями, включая: скорость отверждения, мобильность полимерных цепей, деформируемость полимерных цепей, упорядоченность структуры (степень кристаллизации полимерной матрицы).
Обычно, наночастицы диспергируются в материале-матрице непосредственно в процессе производства нанокомпозита. Содержание нанонаполнителя может быть относительно низким (0,5 до 5 масс. %). Улучшение свойств материала становится возможным за счет высокой степени влияния развитой поверхности наполнителя на упорядоченние расположения элементов в системах со случайно формируемой структурой (percolation threshold). Особенно велик этот эффект при введении в состав матрицы наночастиц имеющих чешуйчатую или трубчатую форму. С другой стороны, наноразмерный характер частиц наполнителя может приводить к получению композиционных материалов, обладающими необычными структурой и свойствами, например, введение в полимерную матрицу некоторых наноразмерных наполнителей придает ей негорючесть и огнезащитные свойства, а также способность к биоразложению (biodegradability). В ряде случаев введение в состав композита всего 5 масс. % наноразмерных наполнителей позволяет в 5–15 раз снизить газопроницаемость материала и существенно улучшить его трещиностойкость и износостойкость, как по сравнению с исходным полимером, так и в сравнении с полимерным композитом, содержащим 20–30 масс. % традиционного микроразмерного наполнителя [6].
Большое внимание уделяется синтезу композитных полимерных мембран с внедренными в их структуру углеродными нанотрубками.
Плотность нанотрубок в пять раз меньше, чем у стали, а прочность в десятки раз больше. Поэтому, чтобы сделать полимерные материалы более прочными, не увеличивая их веса, химики решили включать в их состав углеродные нанотрубки. Если между соседними волокнами полимерного материала поместить нанотрубку, связав её с ними углеводородными цепочками, то прочность данного участка материала приблизиться к прочности нанотрубки. Таким образом, добавка нанотрубок в 0,6 % даёт 4-х кратное увеличение прочности полимера. Учёные считают, что, если нанотрубки будут занимать 10 % объёма полимера, то смогут увеличить его прочность в 20 раз [1].
Положительные результаты при введении наночастиц достигаются не всегда и характерны для узкого круга полимеров, что связано с недостатком знаний и их систематизации о морфологии и свойствах углеродных нанообъектов, трудностями выделения отдельных наночастиц из их агломератов, а также особенностями взаимодействия наночастиц между собой и с полимерной матрицей. Созданию композитов на основе АБС-пластика посвящено крайне малое число работ, несмотря на его высокие эксплуатационные свойства. В этой связи актуальностью обладает исследование механических свойств композиционного материала на основе АБС-пластика и углеродных наночастиц.
Проведено исследование механических свойств образцов 3-х типов:
1) полимерная матрица из АБС-2030, наполненная углеродными нанотрубками (весовое содержание 0,05 мас. %);
2) полимерная матрица из АБС-2030 без наполнения;
3) полимерная матрица из АБС-1106 без наполнения.
В качестве основы композиционного материала (матрицы) выбран гранулированный пластик ABS (сополимер акрилонитрила бутадиена и стирола). Образцы для испытаний распечатывали на 3D-принтере. Нить для 3D печати образцов композиционного материала получали путем экструдирования в лабораторных условиях расплава ABS полимера (для образца № 2) или расплава ABS полимера с наполнителем (для образца № 1).
Для изготовления экспериментальных образцов материала, армированного нанотрубками, получали композиционную стренгу следующим способом. При термическом (1600 С) перемешивании в пластик ABS добавляли 1 % нанотрубок (Bayer AG nanotube C150). Полученную смесь охлаждали и вновь разогревали, после чего прессовали в заготовки в форме диска. Заготовки разрезали на мелкие пластинки и перемешивали с гранулами ABS с таким расчетом, чтобы количество нанотрубок составило 0,05 масс. %. Далее материал перерабатывали в экструдере до равномерной консистенции и размельчали. Из материала получали стренгу с диаметром 1,75 мм, которую далее использовали для печати образцов, армированных нанотрубками.
Испытания образцов на одноосное статическое растяжение проводили на электромеханической испытательной машине Instron 5582 при скорости нагружения 0,5 мм/мин [2].
Результаты испытаний показаны в виде диаграмм нагружения на рис. 1. Образец с наполнением углеродными нанотрубками (график 1, кривая 1), имеет предел прочности на уровне 23 Мпа, что, ожидаемо, связано с отсутствием в нем армирующих волокон. В то же время он имеет большую величину удлинения до разрушения ~3,7 %. При этом после достижения предела прочности, причем при той же величине удлинения, что и продольно армированные волокнами образцы: ~2,8 %, образец удлиняется еще на 0,9 % без разрушения и практически без снижения деформирующего напряжения. Данный факт может быть обусловлен наличием в полимерной матрице углеродных нанотрубок. Таким образом, модификация структуры полимерного образца на микромасшатбном уровне путем введения углеродных нанотрубок позволяет повысить как прочность, так и величину удлинения до разрушения нанокомпозита.
Образец из АБС-1106 без нанонаполнения обладает наименьшим пределом прочности (20 Мпа) и величиной удлинения до разрушения (~2,8 %) по сравнению с композитом с нанонаполнителем (ср. кривая 1 и 2 на рис. 1).
Рис. 1. Кривые нагружения образцов при статическом растяжении
Максимальное разрушающее напряжение для образцов составило:
№ 1–24,5 Мпа, № 2–20,7 Мпа, № 3–17,1 Мпа
Рис. 2. Внешний вид образца № 1 после испытания
Рис. 3. Внешний вид образца № 2 после испытания
Рис. 4. Внешний вид образца № 3 после испытания
Наполнение полимера углеродными нанотрубками (модификация структуры на нижнем — (микро)масштабном уровне) также привело к повышению механических свойств композиционного материала: предел прочности и величину удлинения до разрушения.
Для выявления влияния наполнения материала углеродными нанотрубками были проанализированы фрактограммы образцов без продольного армирования в случае без (рис. 5(а) и (б)) и после наполнения углеродными нанотрубками (рис. 5,в). Видно, что ненаполненный образец разрушается перпендикулярно направлению печати, таким образом, что магистральная трещина оказывается ориентирована не по нормали к оси приложения растягивающей нагрузки (рис.5(а)).
В случае нанонаполнения направление укладки полимера при печати также оказывает влияние, но магистральная трещина в целом ориентирована перпендикулярно оси нагружения.
Рис. 5. Структурные различия области разрушения образцов композиционного материала без наполнителя (а, б) и с наполнителем из углеродных нанотрубок (в)
Полученные результаты армирования экспериментальных образцов двухкомпонентного композиционного материала показали, что армирование ABS матрицы углеродными нанотрубками позволяет существенно повысить относительное удлинение при разрыве и изменить характер разрушения образца на мезоуровне.
Таким образом, разработка армирования наноматериалами дает основания для достижения в процессе дальнейших исследований требуемых механических характеристик композиционных материалов и конструкций.
В связи с вышесказанным, рекомендуется на следующем этапе исследований: изучить зависимость механических свойств образцов из ABS, армированных различного масштаба наполнителями (нанотрубки, нанопорошки, нановолокна, микроволокна и др.) разного типа и содержания.
Литература:
1. Композитные наноматериалы / А. В. Гороховский — Саратов: Саратовский государственный технический университет, 2008 г.
2. ГОСТ 4648–71 «Пластмассы. Метод испытания на статический изгиб».
