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.