Изучение свойств полимерных композиций с использованием фулесренсодержашего технического углерода

УДК 541.6

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩЕГО ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА

Г.В. Попов1, Т.И. Игуменова2, Н.Л. Клейменова1,

Т.П. Горячева1, Д.В. Мещерякова1

Кафедры: «Управление качеством и машиностроительные технологии» (1), «Технология переработки полимеров» (2),

ГОУВПО «Воронежская государственная технологическая академия»

Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым

Ключевые слова и фразы: резиновая смесь; физико-механические свойства; фуллерен; фуллеренсодержащий технический углерод; шунгит.

Аннотация: Изучено влияние модификации добавок наноуглерода на физико-механические свойства резиновых смесей. В результате, в качестве модификации используется депозит, полученный при электродуговом синтезе из углеродных стержней в атмосфере очищенного гелия.

В настоящее время в связи с возрастающей актуальностью изучения новых форм углерода практический интерес представляют исследования по применению фуллеренсодержащих форм технического углерода для производства резиновых смесей с улучшенным комплексом физико-механических свойств.

Модификация резины на стадии резиносмешения создает предпосылки для выпуска высококачественной резины, так как смешение как начальный этап производства резиновых смесей во многом определяет их качество. Существуют различные методы усиления каучука, но в настоящее время они себя исчерпали, и возникла необходимость использования метода усиления, основанного на применении наноматериала.

Исследования шунгитовых пород [1] показали, что особенность структуры этой породы состоит в том, что вместе с кремнеземом малые количества фуллере-на С60 образуют взаимопроникающую сетку с общей высокоразвитой поверхностью. Однако помимо алюмосиликатов в шунгите содержится ряд других соединений, в частности, активного углерода, кварца и ряда ароматических и алифатических соединений в виде насыщенных разветвленных кетонов и эфиров, что не позволяет однозначно судить о роли фуллеренов С60 как усиливающего компонента полимеров.

Предыдущими исследованиями [2] показано, что при добавлении в полиэтилен высокого давления и в полипропилен фуллеренового технического углерода (ФТУ) в количестве 0,01 % происходит упорядочение кристаллической структуры и уменьшение степени аморфности полимеров. Анализ этих результатов позволил предположить, что фуллерен С60 может служить центром кристаллизации в полимерной матрице и как следствие улучшить физико-механические свойства полимера на микроуровне.

Цель настоящей работы - изучение свойств ненаполненных полимерных композиций с использованием микроколичеств фуллеренсодержащего технического углерода, полученного методом дугового испарения графитового электрода в гелиевой среде. Продукт, полученный вышеуказанным методом, представляет собой технический углерод, который содержит в себе хлопья с серым металлическим (жемчужным) блеском. При истирании твердых частиц ФТУ характерный блеск отражается от поверхности фарфоровой ступки и пестика. Это свидетельствует о наличии непрерывных криволинейных слоистых структур, образованных из гептагонов и пентагонов фуллерена [3], следовые количества которых можно экстрагировать с использованием полярных растворителей.

На микровальцах изготавливаются модельные резиновые смеси на основе комбинации изопренового, бутадиенстирольного и бутадиенового каучуков, взятых в равных пропорциях, с использованием в качестве наполнителя 10 масс. ч. кремнекислоты марки БС-120 и вулканизующей группы на основе оксида цинка, стеариновой кислоты, серы, дифенилгуанидина и тетраметилтиурамдисульфида.

Полученный на кафедре «Управление качеством и машиностроительные технологии» Воронежской государственной технологической академии методом дугового испарения графитового электрода в гелиевой среде ФТУ измельчают и просеивают, отделив фракцию 75 мкм. Эту фракцию вводят в модельные смеси в количестве от 0,1...1,0 масс. ч. ФТУ. Кривые кинетики вулканизации на реометре Монсанто-1008 представлены на рис. 1.

Увеличение минимального крутящего момента М^, кореллирующего с технологическими свойствами резиновых смесей, показывает повышение вязкости, связанное с изменением структуры невулканизованных смесей полимеров. Скорость вулканизации при изменении дозировки ФТУ существенно не изменяется, что подтверждает практически нейтральное значение рН полученного продукта, равное 6,86. Следует отметить резкое увеличение максимального крутящего момента Мр в оптимуме вулканизации, что связано с изменением прочностных физико-механических показателей.

Анализ результатов физико-механических испытаний вулканизатов модельных смесей показывает двух-трехкратное увеличение в сравнении с контрольным образцом без ФТУ условного напряжения при малых удлинениях образцов (рис. 2). Это свидетельствует об изменениях микроструктуры образцов, обусловленных введением именно ФТУ.

Рис. 1. Кривые кинетики вулканизации эталонного образца и образцов с добавлением ФТУ:

1 - без ФТУ; 2 - 0,1 масс. ч. ФТУ; 3 - 0,5 масс. ч. ФТУ

0 0,2 0,4 0,6 0,8 ФТУ, масс. ч.

Рис. 2. Зависимость условного напряжения при 50 %-м (1) и 100 %-м (2) удлинении модельных смесей от концентрации ФТУ

Изменение «больших» модулей происходит плавно и находится в пределах эталонного образца с соответствующим сохранением уровня прочности с небольшим его повышением. Можно предположить, что увеличение «малых» модулей, которое коррелирует и с данными кинетики вулканизации, обусловлено упорядочением структуры смеси полимеров на микроуровне.

Для описания механизма влияния дисперсности фуллеренсодержащего наполнителя на резиновую смесь разрабатывается модель, позволяющая получать информацию о свойствах резиновых смесей с помощью моделирования процессов без проведения дорогостоящих экспериментов, что в значительной степени облегчит задачу использования фуллеренсодержащего наполнителя с минимальными затратами времени, сил и средств.

Список литературы

1. Окатова, Г.П. Изменение кристаллической структуры и свойств полимерных материалов при микролегировании фуллереном С60 / Г.П. Окатова, Н.А. Свидуно-вич // Рос. хим. журн. - 2006. - Т. Ь, № 1. - С. 68-70.

2. Шунгитовый углерод и его модифицирование / Н.Н. Рожкова [и др.] // Рос. хим. журн. - 2004. - Т. ХЬУШ, №5. - С. 107-115.

3. Харрис, П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы ХХ века : монография / П. Харрис. - М. : Техносфера, 2003. - 536 с.

Research into Properties of Polymer Compositions Using Fullerene-Containing Technical Carbon

G.V. Popov1, T.I. Igumenova2, N.L. Kleymenova1, T.P. Goryacheva1, D.V. Meshcherekova1

Departments: “Quality Control and Engineering Technologies ” (1), “Technology of Polymers Processing” (2), Voronezh State Technological Academy

Key words and phrases: crystallization; fullerene; fullerene-containing technical carbon; physical mechanical properties; rubber mixture; shungite.

Abstract: The effect of modification of nanocarbon additives on physical mechanical properties of rubber mixtures is studied. As a result, the deposit produced under electric arc synthesis from carbon cores in the atmosphere of purified helium is used as a modification.

Erlernen der Eigenschaften der Polymerkompositionen mit der Nutzung des fullerenerhaltenen technischen Kohlenstoffes

Zusammenfassung: Es ist der Einfluss der Modifikation der Zusatze des Nanokohlenstoffes auf die physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Gummimischungen erlernt. Im Ergebnis wird als die Modifikation das Depositum verwendet, das bei der Elektrobogensynthese aus den Kohlenstoffkernen in der Atmosphare des gereinigten Heliums erhalten ist.

Etude des proprietes des compositions de polymere avec l’emploi du carbone technique contenent de fullerene

Resume: Est etudiee l’influence de la modification des supplements de nanocarbone sur les proprietes physiques et mecaniques des melanges resineux. En resultat, en qualite de la modification est utilise un deposant obtenu par la synthese a l'arc electrique a partir des tiges de carbone dans une atmosphere de helium epure.