Армированные натуральными волокнами композиционные материалы на основе полимолочной кислоты

меров: синтез, свойства, применение. Сб. науч. тр. - Тверь: Твер. гос. ун-т. - 2005. Вып. 11.- С. 63-70.

9. Зуев Ю. С.// Разрушение эластомеров в условиях, характерных для эксплуатации. Химия. - 1980. - С. 78-92.

10. Тураев Э. Ю. Влияние природы наноразмерных частиц на физико-механические свойства полиэтилена низкого давления: дис... канд. техн. наук. - М., 2010. - С. 123-155

11. Ruan Yong Hong. Deformation Behavior of Polymer-Layered Silicate Nanocomposites: thesys for PhD degree - Hong Kong. - 2008. - P. 44-56.

УДК 678.5

С.И. Мишкин, Н.Н.Тихонов

Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева, Москва, Россия

АРМИРОВАННЫЕ НАТУРАЛЬНЫМИ ВОЛОКНАМИ

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИМОЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ

The aim of the work was to get a composite materials on the basis of polylactic acid (PLA) and natural fibers. In the polymer matrix were introduced chopped fibers of cotton and viscose. To improve the adhesion interaction on the border of polymer-fiber used modifiers.

Целью работы являлось получение композиционного материала на основе полимолочной кислоты (ПМК) и натуральных волокон. В полимерную матрицу вводились рубленые волокна хлопка и вискозы. Для улучшения адгезионного взаимодействия на границе полимер-волокно использовались модификаторы.

Одним из наиболее перспективных направлений создания полимерных материалов с улучшенными деформационно-прочностными характеристиками является армирование термопластов волокнистыми наполнителями. В качестве наполнителя полимолочной кислоты (ПМК) были использованы натуральные волокна хлопка и вискозы. Известно, что при введении в матрицу полимера изотропных наполнителей различной природы, свойства полученных композитов зависят от содержания волокон, их геометрических размеров и адгезионного взаимодействия между волокном и полимерной матрицей. Поэтому было изучено влияние содержания, длины волокна и модифицирующих веществ на свойства композитов на основе ПМК. Содержание волокон в составе композитов варьировалось от 0 до 1,5 мас. %.

14 12-^ 102 В-

<

ПМК 5 мм 10 мм 15 мм

ПМК 2 мм 5 мм 10

мм

Рис.1. Влияние длины вискозных воло- Рис. 2. Влияние длины вискозных волокон на ударную вязкость композицион- кон на ударную вязкость композиционного материала при содержании волокон ного материала при содержании волокон 1 мас. % 1,5 мас. %

На рисунках 1-4 представлены гистограммы зависимости ударной вязкости композитов на основе ПМК от длины волокон при разных их содержаниях. Сравнительный анализ полученных результатов показывает, что при введении в полимерную матрицу армирующих волокон ударная вязкость композита зависит от содержания и длины волокон. Зависимость имеет экстремальный вид как для вискозы, так и для хлопка. При этом оптимальное значение длины волокна не является величиной постоянной, а зависит от его содержания. С увеличением количества волокна значение оптимальной длины уменьшается. Так при содержании 1 мас. % оптимальная длина вискозных волокон находится в области 10 мм, а при 1,5 мас. % - 5 мм.

ПМК 5 мм 10мм 15 мм

Рис.3. Влияние длины хлопковых волокон на ударную вязкость композиционного материала при содержании волокон 1 мас. %

ПМК 2 мм 5 мм 10 мм

Рис.4. Влияние длины хлопковых волокон на ударную вязкость композиционного материала при содержании волокон 1,5 мас. %

Такую зависимость между содержанием и длиной волокна в композите можно объяснить тем, что с уменьшением размеров наполнителя увеличивается насыпная плотность и достигается возможность лучшего распределения большего количества волокна.

6

4

2

0

Зависимости деформационно-прочностных характеристик от содержания волокон вискозы и хлопка представлены на рисунках 5-8. Анализ представленных на графиках результатов показывает, что зависимость деформационно-прочностных свойств от содержания волокон вискозы имеет экстремальный характер общий для всех исследуемых параметров, а в случае использования хлопковых волокон в исследуемом интервале концентраций наполнителя наблюдается линейная зависимость исследуемых параметров. При этом с увеличением длины хлопкового волокна деформационно-прочностные характеристики композитов уменьшаются.

13 12 11

Л 9 § 8 ^ 7 6 5 4

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1 2 1,4 1,6

конц. масс. %

Рис.5 . Влияние содержания волокон вискозы на ударную вязкость и прочности при изгибе композита на основе ПМК

114-

125 112-

120 110-

115 р г 110М 0 0 0 ^ СТ> 00

105 П ) 100 Ь 102100-

95 98-

90 96-

35 30

25^

о4 20*

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

конц. масс. %

15 10

Рис.6. Влияние содержания волокон вискозы на относительное удлинение и прочность на разрыв композита на основе ПМК

16-,

15

14

Д12-

ч^ 11 < 10 9-1 8

г14

13

>

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

о/

12

11

10

конц. масс.

Рис. 7. Влияние содержания волокон хлопка на ударную вязкость композиционного материала на основе ПМК при длине волок 2 и 10 мм

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

конц. масс. %

118 116 114

112_а

г

110( 108 П 106 ^ 104 102

1,4 1,6

Рис.8. Влияние содержания волокон хлопка на прочность при изгибе композиционного материала на основе ПМК при длине волокон 2 и 10 мм

Сравнительный комплексный анализ полученных результатов показывает, что максимальные физико-механические характеристики на полимерных композитах удается получить при использовании в качестве на-

полнителя хлопковые волокна. Это можно объяснить специфической структурой хлопкового волокна, которое имеет спиральную структуру в отличие от вискозных волокон, имеющих высокую анизотропию.

Важным фактором, определяющим свойства полимерных композитов, является адгезионное взаимодействие на границе раздела полимер-наполнитель. Для регулирования процессов, протекающих на границе раздела ПМК - волокно, был использован метод модификации полимерной матрицы Лапроксидом 703, который представляет собой триглицидиловый эфир поли-оксипропиленполиолов. Полученные результаты представлены в таблице 1. Анализ приведенных данных показывает, что использование Лапроксида 703 позволяет увеличить ударную вязкость полимерных композитов и несколько повысить прочность при разрыве для материалов, содержащих хлопковое волокно. Полученный результат можно объяснить наличием в структуре модификатора высокоактивных эпоксидных групп, которые, по-видимому, увеличивают взаимодействие на границе раздела ПМК - целлюлоза.

Таблица. 1. Влияние Лапроксида 703 на физико-механические свойства композиционных материалов на основе ПМК

№ п/п Показания Единицы измерения Хлопок

без добавок с лапроксидом 703 без добавок с лапроксидом 703

1 Ударная вязкость кДж/м2 11,4 14,0 13,4 15

2 Прочность при разрыве МПа 88,4 96,0 104 104

3 Относительное удлинение % 32 33 36 35

В качестве высоко активного химического соединения для модификации композита и регулирования свойств на границе раздела полимерная матрица - волокно также был использован раствор дифенилсиландиола (ДФСД) в тетрабутоксититане (ТБТ) (при соотношении 1:8). Реакция между ДФСД и ТБТ является одним из способов образования титаносилоксанов, которые являются эффективными регуляторами адгезионного взаимодействия. Были использованы два способа введения модификатора: 1) через полимерную матрицу 2) через обработку поверхности волокна (в 50 %-ном растворе толуола). Результаты испытаний полученных композитов представлены в таблице 2. Модификация композита на основе ПМК и целлюлозных волокон раствором ДФСД в ТБТ позволяет значительно улучшить физико-механические свойства композитов, при этом необходимо отметить что, наиболее эффективным способом модификации является введение модифицирующей добавки в полимерную матрицу. Поверхностная обработка

волокон модификатором представляет собой достаточно сложный технологический процесс, связанный с последующим удалением растворителя и трудностями, обусловленными диспергированием обработанного наполнителя (волокна вискозы спутываются и склеиваются). Это приводит к тому, что свойства полимерных композитов, полученных с использованием технологии поверхностной обработки наполнителя, ниже, чем при введении этого же модификатора в полимерную матрицу при смешении.

Таблица 2. Модификация композитов с вискозными и хлопковыми волокнами

раствором ДФСД в ТБТ

Материал Ударная вязкость, кДж/м2 Прочность при изгибе, МПа Прочность на разрыв, МПа Относительное удлинение, %

ПМК 9,9 99,6 97,1 19

ПМК+1 мас. % хлопка(10 мм) 11,4 108,0 88,4 32

ПМК + 1 мас. % хлоп-ка(10 мм) + р-р ДФСД в ТБТ Обработка матрицы 15,0 115,3 100 36

Обработка волокна 10,2 111 96 35

ПМК+ вискозь мас. % I (10 мм) 13,4 125,4 104 36

ПМК + 1мас. % виско-зы(10 мм) +р-р ДФСД в ТБТ Обработка матрицы 15,4 130,2 100 36

Обработка волокна - - - -

Выводы:

1. Изучено влияние содержания, длины и природы натуральных волокон на свойства композиционных материалов на основе ПМК. Установлено, что все эти параметры волокна оказывают влияние на деформационно-прочностные характеристики композитов.

2. Разработаны методы модификации полимерной матрицы ПМК бинарным раствором ДФСД в ТБТ и Лапроксидом 703, которые позволяют значительно улучшить деформационно-прочностные характеристики полимерных материалов за счет улучшения адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз полимер-волокно.