Библиографическое описание:

Калиева А. Б., Донцов Ю. В. Разработка и исследовательские испытания механических свойств экспериментальных образцов двухкомпонентного композиционного материала // Молодой ученый. — 2015. — №9. — С. 242-245.

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».

Основные термины (генерируются автоматически): композиционного материала, углеродными нанотрубками, механических свойств, образцов композиционного материала, двухкомпонентного композиционного материала, образцов двухкомпонентного композиционного, механических свойств образцов, экспериментальных образцов, в виде диаграмм нагружения, углеродных нанотрубок, расплава abs полимера, экспериментальных образцов двухкомпонентного, свойств композиционного материала, наноразмерных наполнителей, полимерная матрица, материала углеродными нанотрубками, исследование механических свойств, литого композиционного материала, экспериментальных образцов материала, основы композиционного материала.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос