Влияние добавки углеродных нанотрубок на физико-механические характеристики высоконаполненных полимерных систем

УДК 661.179;662.19

И. А. Абдуллин, С. С. Ившин, Ю. И. Федоров, Э. Ф. Кравченко

ВЛИЯНИЕ ДОБАВКИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫСОКОНАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ СИСТЕМ

Ключевые слова: одностенные углеродные нанотрубки, высоконаполненная полимерная композиция, физико-механические

характеристики.

В работе исследовано влияние введения добавки углеродных одностенныхнанотрубок в количестве до 3% на физико-механические характеристикивысоконаполненных полимерных систем, переработанных методом экструзии, на примере композиции с комбинированной полимерной матрицей, состоящей из пластифицированного полистирола и фторкаучука.

Keywords: single-wall carbon nanotubes, highly filled polymer composition, mechanical characteristics.

Investigated the influence of the introduction of an additive of carbon single-walled nanotubes in an amount up to 3% on the mechanical properties of highly filled polymer systems, processed by extrusion, by the example of the composition of the combined with a polymer matrix consisting of a plasticized polystyrene, and fluorine rubber.

Введение

В связи с превосходными физическими и химическими свойствами, углеродные нанотрубки (УНТ) являются одним из наиболее перспективных модификаторов для полимерных матриц. Это обусловлено сочетанием таких свойств, как очень высокие модуль Юнга (более 1ТПа) и прочность на разрыв (около 200 ГПа). По этой причине проводится огромное количество исследований по реализации заложенного в УНТ потенциала как армирующего или функционального наполнителя для полимерных композитов [1,2,3,4].

Развитие техники приводит к ужесточению требований, предъявляемых к композиционным материалам как по физико-механическим, так и по специальным характеристикам. Одним из возможных способов совершенствования этих показателей является модификация составляющих композиции, в частности полимерной матрицы.

В ряде работпоказано [1,2], что введение до 5% нанотрубок уже приводит к ощутимому повышению прочностых характеристик.

В настоящей работе исследовано влияние модификации дисперснонаполненных композиций на полимерной матрице углеродными нанотрубками на физико-механические характеристики.

В качестве объекта исследования рассмотрена высоконаполненная полимерная композиция, обладающий комбинированой матрицей: полистирол -5%, ДБФ - 5%, СКФ-32 - 3%. Степень наполнения составляет 87% (по массе).

В качестве наномодификатора рассмотрен продукт марки TUBALL, содержащий не менее 75% одностенныхнанотрубок. Введение их в состав композиции осуществлялось путем предварительного смешения с частицами наполнителя в аппарате типа «пьяная бочка» в течение 7 минут.

Из полученных композиций были изготовлены шнуровые элементы диаметра 8,5 мм путем плунжерной экструзии. Степень сжатия составила 0,88. Скорость движения траверсы 20 мм/мин.

Оценка физико-механических показателей осуществлялась с использованием универсальной испытательной машины «Quasar 100» со скоростью нагружения 10 мм/мин.

Результаты исследования

Анализ физико-механических характеристик показал, что введение наномодификатора позволяет повысить сопротивление материала сжимающим нагрузкам (рис. 1).

Рис. 1 - Влияние содержания УНТ на физико-механические характеристики при сжатии

Введение 3% одностенныхнанотрубок приводит к увеличению показателя прочности в 1,35 раза. Повышение выдерживаемых нагрузок возможно обуславливается повышением плотности структурной сетки в следствие встраивания нанодисперсных частиц между более крупных частиц основного наполнителя, что приводит к повышению жесткости материала в 2,36 раз.

Путем аппроксимации результатов получены зависимости влияния содержания одностенныхнанот-рубок на показатели сопротивляемости композиции сжимаемым нагрузкам:

с = 0,536ю2 - 0,638ю + 7,834; Е = 9,296ю2 - 3,324ю + 66,69, где с - прочность, МПа, Е - модуль упругости, МПа, ю - массовая доля компонента.

Результаты испытаний на растяжение показали снижение физико-механических показателей с увеличением содержания УНТ в материале (рис. 2).

О 1

Содержание УНТ, % ♦ Напряжение, МПа

—^—Модуль упру госта, МПа

Рис. 2 - Влияние содержания УНТ на физико-механические характеристики при испытании на разрыв

Введение 2% одностенныхнанотрубок привело к снижению жесткости на 4% и сопротивлению растяжения на 9%.

Согласно источникам [5,6,7,8,9], формование элементов из высоконаполненных композиций методом экструзии приводит к ориентации структурной сетки материала.

Введение малого количества нанотрубок недостаточно для образования в структуре материала ориентированных длиномерных армирующих включений, что обуславливает снижение физико-механических показателей вдоль длины образца.

Таким образом, введение УНТ в дисперснона-полненные полимерные системы до 3% оказывает анизотропичное влияние на физико-механические характеристики: показатель прочности на сжатие

увеличивается в 1,35 раза, при одновременном снижении сопротивления растяжению на 9%.

Литература

1. Бурмистров И.Н, Mазов И.Н, Ильиных И.А., Бурмистров И.Н, Mазов И.Н, Кузнецов Д.В., Юдинцева Т.И., Юсупов Х.У., Шевелев A.A. Разработка модификаторов для термопластичных полимерных материалов на основе углеродных нанотрубок // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 5.; http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=10259 (дата обращения: 31.08.2016).

2. Влияние малых количеств функциона-лизированныхнанотрубок на физико-механические свойства и структуру эпоксидных композиций/ Р.В.Лкатенков [и др.] // Деформация и разрушение материалов. - 2011. - № 11. - С. 35-39

3. Ajayan P.M. Material Science: Nanotube composites / P.M.Ajayan, J.M.Tour//Nature. - 2007. - V.447. - P.1066-1068

4. Nanotubes in multifunctional polymer nanocompo-sites/Nanomaterials: Handbook/ Du F., Winkey K.I., Ed.by Yu.Gogotsi. - Boca Raton - London - NewYork: CRC Press, Taylor&Francis Group, 2006. - P.565-582.

5. Булычев H.A. Mодификация дисперсных систем полимерами при механическом воздействии / H.A. Булычев, KA. Aрутюнов, К. Aйзенбах, В.П. Зубов // Вестник ЫИТХТ 2006.№5., С 19-39

6. Бартенев T.M. Физика полимеров / T.M. Бартенев, С.Я. Френкель /Под ред. д-ра физ.-мат. наук A.M. Ельяшеви-ча. -Л.: Химия, 1990. - 432с.

7. Mатвеенко ВН. Вязкость и структура дисперсных систем / ВН. Mатвиенко, E.A. Кирсанов // Вестн. Mоск. унта. сер.2. химия. 2011 Т.52., №4., С. 243-276.

8. Крючков, Ю. H. Структура и нелинейные структурные эффекты проницаемых и композиционных материалов / Ю. H. Крючков - Гжель: ГГХПИ, 2006. - 256 с.

9. Бартенев T.M. Физика полимеров / T.M. Бартенев, С.Я. Френкель // Л.: «Химия», 1990.-250 с

© И. А. Абдуллин - д.т.н., профессор кафедры «Технологии изделий из пиротехнических и композиционных материалов» КНИТУ, ilnur@kstu.ru; С. С. Ившин - аспирант кафедры «Технологии изделий из пиротехнических и композиционных материалов» КНИТУ; Ю. И.Федоров - программист ЦНИТ КНИТУ, snchar@yandex.ru; Э. Ф. Кравченко - магистр, аспирант кафедры «Технологии изделий из пиротехнических и композиционных материалов» КНИТУ.

© I. A. Abdullin - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department "Technology Of Products From Pyrotechnic And Composite Materials" KNRTU, ilnur@kstu.ru; S. S. Ivshin - postgraduate student of the Department "Technology Of Products From Pyrotechnic And Composite Materials" KNRTU; Y. I. Fedorov - programmer CNIT KNRTU, snchar@yandex.ru; E. F. Kravchenko - master, post-graduate student of the Department "Technology Of Products From Pyrotechnic And Composite Materials" KNRTU.