31 июля 2016г.
Аннотация. Статья посвящена определению влияния внесения монтмориллонита на физико-механические свойства композиционных материалов на основе полиамида 6.
Ключевые слова: органоглина, полиамид 6, монтмориллонит, композит, наносиликат.
Монтмориллонит является перспективным наноматериалом способным улучшать физико-механические свойства композиционных материалов.
Кристаллическая решетка монтмориллонита (ММТ) представляет собой трехслойный пакет, в котором октаэдрический слой с центральным атомом алюминия совмещен с двумя внешними кремнекислородными тетраэдрическими слоями (рисунок 1) [5].
Благодаря такой «плоской» форме частиц ММТ возможно создание материалов, в которых пластинки ММТ располагаются друг над другом образуя высоко текстурированные слои в полимерной матрице.
Рисунок 1 –
Строение кристаллической
решетки
монтмориллонита
Для создания лучших условий диспергирования глины в полимерах и
проникновения (интеркалирования) макромолекул матрицы в пространства
между силикатными пластинами, глины предварительно модифицируют, используя поверхностно-активные вещества
(ПАВ) различных типов.
Эффективными модификаторами поверхности ММТ являются катионные ПАВ, родственные иону NH4+. Чаще всего используют четвертичные аммониевые соли (ЧАС).
При использовании ПАВ на основе ЧАС ионы натрия из монтмориллонита заменяются на ионы аммония и образуют рыхлую
гибридную структур известную под названием органоглина (рисунок
2) [5].
Рисунок 2- Реакция обмена ионами между натриевым монтмориллонитом и катионным ПАВ с получением «органоглины»
Благодаря подобной модификации органоглина проще расслаивается, чем
природный монтмориллонит и в зависимости от степени расслоения различают три типа композиционных материалов, показанных на рисунке 3
[2].
Известен ряд работ, посвященных проблеме повышения упруго- прочностных
характеристик ряда термопластов за счет
введения в их состав данного модификатора [1,2,4,5].
Особый интерес представляют исследования по внесению монтмориллонита в
полиамид 6 (ПА 6), поскольку данный термопласт широко используется для изготовления высоконагруженных антифрикционных деталей
сельскохозяйственной техники.
Целью данного исследования являлось изучение физико-механических свойств композиционных материалов на основе
полиамида 6 и
наноглины.
В работе использовался полиамид 6 марки 210/310 (ОСТ 6-06-С9-93) и монтмориллонит «Монамет 101» ЗАО «Метаклей».
Для смешения и компаундирования компонентов использован
лабораторный двухроторный смеситель HAAKE PolyLabRheomix 600 OS с роторами Banbury. Методика компаундирования компонентов
композиционных материалов на данном смесителе подробно описана в
работе [3].
Для улучшения качества cмешения компонентов и достижения эффектов
интеркаляции и эксфолиации
монтмориллонита
в
полимерной матрице предварительно готовили
концентрированную маточную смесь –«masterbatch». Достижение требуемой
концентрации
монтмориллонита в образцах проводилось разбавлением маточной
смеси чистым полиамидом.
В результате были получены компаунды следующих составов:
– состав1: 2% наноглина
+ 98% полиамид 6;
– состав2: 5% ПЭНД + 95% полиамид 6;
– состав3: 100 % полиамид 6.
Концентрации наноглины выбраны согласно рекомендациям
производителя.
Для проведения физико-механических испытаний на гидравлическом
прессе Gibitre формовались пластины размером 200×200×1,2 мм, из которых для испытаний на растяжение (ГОСТ 11262-80) вырубали штанцем стандартные образцы в количестве 5 штук для каждого состава (полоски
размером 150×15 мм).
Физико-механические испытания подготовленных образцов проводили на разрывной машине UAI-7000 М при температуре 23 ± 2°С и скорости движения зажимов 1 мм/мин. Предел прочности и модуль упругости при растяжении вычислены по ГОСТ 11262 – 80 и ГОСТ 9550 – 81. Результаты испытаний представлены в табл. 1 и на рис. 4. Статистическая обработка
полученных результатов производилась в программе Microsoft Excel.
Таблица 1
– Показатели физико-механических испытаний образцов композитов
|
№ состава
|
Модуль
упругости, Е (МПа)
|
Предел прочности
(текучести
для ПА 6), σ (МПа)
|
Относительное
удлинение, εт,
|
|
1
|
2246
± 82,70
|
51,04
± 9,70
|
0,03
± 0,01
|
|
2
|
2153
±1 33,30
|
46,48
± 5,41
|
0,02
± 0,01
|
|
3
|
1576
± 118,70
|
45,2
± 3,45
|
0,32
± 0,01
|
Как видно из
табл. 1 и рис. 3 внесение наноглины
приводит к увеличению значений модуля в
обоих составах композитов: на 42% для состава 1 и на 37% для состава 2.
Кроме того, выявлено,
что образцы композитов с 5% наполнением имеют заметно более высокий предел текучести по отношению к ПА 6. Введение органоглины приводит к значительному снижению показателя относительного удлинения.
Данные эффекты возможно возникают в связи с частичной интеркаляцией и эксфолиацией частиц наноглины в полимере, которая достаточна для повышения жесткости системы, но мала для значительного влияния на прочность композитов. Для обеспечения более полного расслоения наносиликата в полимере возможно требуется корректировка
условий смешения или использование органоглины, полученной с использованием более активного модификатора для достижения значительного расхождения наносиликатных слоев частиц монтмориллонита.
Таким образом, в результате проделанной работы установлено, что
введение в полиамиды органоглины в количестве не менее 5 % способствует
заметному повышению модуля упругости, т.е. жесткости композиционных
материалов по сравнению с чистым полимером. Рост предела текучести при этом
составил не более 10…12 %, что связано вероятнее всего с
недостаточным расслоением органоглины.
Список литературы
1.
Ашуров Н.Р., Садыков Ш.Г., Долгов В.В. Структура и свойства нанокомпозитов на основе линейного полиэтилена и монтмориллонита //
Высокомолекулярные
соединения. – 2012. - №9, том. 54. – С. 1403-1408.
2.
Волкова Т.С., Бейдер Э.Я. Наносиликаты и полимерсиликатные
нанокомпозиты // Все материалы. Энциклопедический
справочник. –
2010.- №2.
– С. 10-25
3.
Кузьмин А.М., Водяков В.Н. Получение термопластичных
композиционных материалов на основе растительных отходов
АПК компаундированием компонентов на двухроторном лабораторном
смесителе Rheomix 600 OS // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: межвуз. сб. науч. тр. / редкол.: Котин А. В. [и др.];
отв. за вып. М.А. Березин.- Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2013. - С. 283- 287.
4.
Мурзаканова
М.М. Борукаев Т.А., Хаширова С.Ю. Композиционные материалы на основе вторичного полиэтилентерефталата и органомодифицированного монтмориллонита // Современные проблемы науки и образования. –
2013. - №3.
5.
Третьякова В.Д., Бахов Ф.Н., Демидёнок К.В. Повышение характеристик композиционных материалов на основе полиамида посредством
модификации наночастицами монтмориллонита // Науковедение. – 2011. -№4.- С. 1-8.
