Ударостойкий базальтопластик на основе термопластичной полиамидной матрицы

УДК 678.6

С.В. Арзамасцев, В.В. Павлов, С.Е. Артеменко

УДАРОСТОЙКИЙ БАЗАЛЬТОПЛАСТИК НА ОСНОВЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНОЙ ПОЛИАМИДНОЙ МАТРИЦЫ

Представлены результаты, доказывающие эффективность

использования измельченных отработавшей срок базальтовой ваты и природного базальта в качестве наполнителей в полиамидную матрицу. Установлена взаимосвязь прочностных характеристик базальтопластика от количества и вида вводимого базальтового наполнителя.

Полиамид, базальт, базальтовая вата, базальтопластик S.V. Arzamastsev, V.V. Pavlov, S.E. Artemenko

IMPACT-RESISTANT BASALTOPLASTIC ON THE BASIS OF THERMOPLASTIC POLYAMIDE MATRIX

The results, proving the effectiveness of the use of crushed spent time basalt wool and natural basalt as fillers in polyamide matrix. The interrelation of the strength characteristics of basaltoplastic from the number and type of basalt filler.

Polyamide, basalt, basaltic wool, basaltoplastic

Изделия из полиамида широко используются во многих отраслях промышленности: машиностроении, судостроении, металлургии, энергетике, нефтяной, химической, пищевой промышленности и т.д. Из полиамида изготавливают колеса и ролики для конвейеров, гидравлических тележек, транспортеров и др. Повышение прочностных свойств изделий из полиамида позволяет существенно расширить спектр его применения.

Большие потенциальные возможности улучшения физико-механических характеристик композиционных материалов, в т. ч. и на основе полиамидной матрицы, заложены в использовании недорогих и эффективных наполнителей, в число которых, безусловно, входят базальт и его производные.

В [1-5] была показана высокая эффективность использования отходов -отработавшей срок базальтовой ваты в качестве наполнителя композиционных материалов на основе полиэфирных смол, полиэтилена и др.

В данной работе в качестве полимерной матрицы использовался полиамид-6 «Волгамид»-27 (ТУ 2224-038-00205311-08), производства АО «КуйбышевАзот».

Отработавшая срок базальтовая вата производства ОАО «Ивотстекло» предварительно измельчалась в шаровой мельнице. Образцы из базальтонаполненного полиамида изготавливались на литьевой машине. Испытания проводились по ГОСТ 11262-80, ГОСТ 4648-71, ГОСТ 4647-80, ГОСТ 9550-81. Образцы для спектров получали в виде таблеток с KBr с массовой концентрацией исследуемого материала около 1%. ИК-спектры снимались на спектрофотометре SPECORD.

Установлено, что физико-механические характеристики базальтонаполненного материала зависят от количества наполнителя и способа его подготовки.

Экспериментально установлено, что оптимум физико-механических характеристик базальтонаполненной полиамидной композиции достигается при 15% содержании в ней измельченной отработавшей срок базальтовой ваты в КМ.

Так, при содержании базальтового наполнителя 15% масс. разрушающее напряжение при растяжении возрастает в 2,8-3,2 раза (кривая 1 рис. 1), разрушающее напряжение при изгибе - на 35% (кривая 2 рис. 1), ударная вязкость - в 2 раза (кривая 3 рис. 1), на 30% возрастает модуль упругости при растяжении.

Установлено, что физико-механические характеристики полиамидной композиции зависят от размера частиц базальтового наполнителя. При уменьшении размера частиц наполнителя с 125 до 40-50 мкм разрушающее напряжение при растяжении возрастает на 3050%, ударная вязкость - в 2,4 раза, разрушающее напряжение при изгибе не изменяется.

При заданной степени наполнения частицы меньшего размера лучше распределяются в объеме композита, что и определяет более высокие прочностные характеристики. Кроме того, определение площади удельной поверхности и пористости частиц измельченной базальтовой ваты на анализаторе Quantachrome NOVA показало, что уменьшение размера частиц наполнителя приводит к увеличению их удельной поверхности.

Содержание наполнителя, %

Содержание наполнителя, %

Рис. 1. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении (1), изгибе (2) и ударной вязкости (3) от содержания базальтового наполнителя

Так, частицы измельченной базальтовой ваты размером около 90 мкм имеют удельную поверхность 1,6 м2/г, в то время как частицы размером около 50 мкм - 2,7 м2/г. С уменьшением размера частиц наполнителя возрастает как объем пор с 0,004 до

0,005 см3/г, так и площадь поверхности пор с 0,78 до 1,79 м2/г. Изменяется и доля пор различного диаметра (таблица). Существенно возрастает количество пор малого диаметра 3-6 нм, в то время как количество пор диаметром 40-100 нм сокращается.

Зависимость доли объема пор различного диаметра от размера частиц наполнителя

Диаметр пор, нм Доля объема пор при размере частиц наполнителя, %

90 мкм 50 мкм

3-6 ~9 ~22

6-10 ~11 ~12

11-22 ~19 ~19

22-40 ~17 ~15

40-100 ~44 ~32

Методом оптической микроскопии установлено, что частицы измельченной базальтовой ваты вне зависимости от размеров сохраняют игольчатую форму.

Методом ИК-спектроскопии установлено (рис. 2), что очень сильная полоса поглощения, обусловленная валентными колебаниями связи БьО в одинарных цепочках, - в ИК-спектре базальтовой ваты при 1012,50 см-1.

В ИК-спектрах композиционного материала эта полоса колебаний сдвинута в сторону больших длин волн, что указывает на взаимодействие этой функциональной группы с функциональными группами полиамида, которое происходит следующим образом:

- наблюдается образование водородных связей между атомами водорода групп -N42 полиамида и атомами кислорода алюмосиликатных комплексов базальта;

- силикатная группа участвует в образовании химических связей с функциональными

группами полиамида, прежде всего с С=0 группой, ^

взаимодействуя с которой, цепочечная силикатная структура _сн с N Н 0=1

на поверхности базальтовой ваты образует органо- II

силикатные соединения, связывающие наполнитель с полиамидом.

длина волны, см

Рис. 2. Результаты ИК-спектроскопии.

1 - базальтовая вата; 2 - полиамид-6; 3 - композиционный материал

Группа -С=0 полиамида взаимодействует с атомами водорода в поверхностных

ОН- группах базальтовой ваты по схеме ^ ^ ^

Образовавшиеся на поверхности базальтового наполнителя органические заместители содержат свободные валентные связи, активно взаимодействующие с макромолекулами полиамида. Образование этих связей приводит к смещению электронной плотности от атома углерода к атому кислорода и смещению электронной плотности от атома азота к атому углерода, в результате чего связь =С-МН2 ослабляется. Это приводит к увеличению колебаний С=О, на что указывает возрастание относительной интенсивности полос поглощения при 1634,2 см-1 и 1537,7 см-1 в ИК- спектре КМ. Наблюдается увеличение относительной интенсивности полос поглощения при 3297,0 см-1 и при 3082,0 см-1, обусловленных валентными колебаниями первичных амидных групп. На спектре КМ появляется полоса поглощения при 1071,8 см-1, подтверждающая образование связи С-0-Бі.

Согласно полученным результатам можно сделать следующие выводы:

1. Использование измельченной отработавшей срок базальтовой ваты в качестве наполнителя в полиамид-6 приводит к существенному увеличению прочностных характеристик композиционного материала, в частности предел текучести при растяжении и прочность при разрыве возрастают в 2,8-3,2 раза, ударная вязкость возрастает в 2 раза, разрушающее напряжение при изгибе - на 35%, на 30% возрастает модуль упругости при растяжении.

2. Уменьшение размеров частиц наполнителя с 125 до 40-50 мкм приводит к дальнейшему повышению прочностных характеристик композиционного материала. Так, предел текучести при растяжении и прочность при разрыве возрастают на 30-50%, ударная вязкость возрастает в 2,4 раза, увеличивается на 10% модуль упругости при растяжении, разрушающее напряжение при изгибе - на 35%.

3. Частицы измельченной отработавшей срок базальтовой ваты вне зависимости от размеров имеют игольчатую форму, за счет чего происходит микроармирование композиционного материала.

4. Уменьшение размеров частиц базальтового наполнителя приводит к увеличению площади удельной поверхности, увеличению в 2,5 раза количества мелких пор диаметром 3-6 нм и существенному увеличению площади поверхности пор, что обеспечивает максимальную площадь взаимодействия между базальтовым наполнителем и полиамидом;

5. Анализ ИК-спектров образцов свидетельствует, что при взаимодействии полиамида и базальтового наполнителя за счет образования органосиликатных соединений формируется переходный слой, который и определяет высокий уровень свойств композиционного материала.

ЛИТЕРАТУРА

1. Композиционные строительные материалы с использованием базальтовой ваты / В.В. Василенко, И.Н. Синицына, С.Е. Артеменко, А.А. Землянский, С.В. Арзамасцев // Пластические массы. 2009. № 1-2. С. 20-21.

2. Базальтопластики - новые материалы дорожно-строительного назначения / С.Е. Артеменко, С.В. Арзамасцев, Д.А. Шатунов, А.А. Вязенков // Химические волокна. 2008. № 6. С. 11-14.

3. Артеменко С.Е., Кадыкова Ю.А. Базальтопластики - эффективные материалы XXI века // Композитный мир. 2009. № 4 (25). С. 14-16.

4. Базальтонаполненный композиционный материал на основе вторичного полиамида / В.В. Павлов, С.В. Арзамасцев, С.Е. Артеменко, А.А. Голяхова // Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология: докл. Междунар. конф. «Композит-2010». Саратов: СГТУ, 2010. С. 455-457.

5. Повышение эксплуатационных характеристик композиционного материала на основе вторичного полиамида / В.В. Павлов, С.В. Арзамасцев, С.Е. Артеменко, Д.А. Чембуткина // Информационные технологии, системы автоматизированного проектирования и автоматизация: сб. науч. тр. II Всерос. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2010. С.113-116.

Арзамасцев Сергей Владимирович

кандидат технических наук, доцент кафедры «Химическая технология» Саратовского государственного технического университета

Arzamastsev Sergey Vladimirovich -

Ph.D., associate professor ,

chair «Chemical Technology» Saratov State

Technical University

Павлов Владимир Витальевич -

аспирант кафедры «Химическая технология» Саратовского государственного технического университета

Артеменко Серафима Ефимовна -

доктор технических наук, профессор кафедры «Химическая технология» Саратовского государственного технического университета

Pavlov Vladimir Vitalievich -

Post-graduate student «Chemical technology», Saratov State Technical University

Artemenko Serafima Efimovna -

Doctor of Technical Sciences, chair «Chemical Technology», Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 27.04.2011, принята к опубликованию 12.05.2011