Особенности комбинированной твердофазной экструзии фторполимерных молекулярных композитов

УДК 620.2-022.532

ОСОБЕННОСТИ КОМБИНИРОВАННОЙ ТВЕРДОФАЗНОЙ ЭКСТРУЗИИ ФТОРПОЛИМЕРНЫХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ КОМПОЗИТОВ

© В.Л. Полуэктов, Г.С. Баронин

Ключевые слова: комбинированная экструзия; прочностные и теплофизические свойства; нанокомпозиты на основе фторполимера; наночастицы металлические и керамические.

Исследованы теплофизические и прочностные свойства фторполимерных молекулярных композитов. Проанализированы экспериментальные зависимости, из которых следует, что наибольший эффект наблюдается в области малых добавок модификатора (до 1 м. ч. на 100 м. ч. ПТФЭ).

Как правило, современные полимерные материалы являются многокомпонентными системами, в которых наряду с полимерной матрицей присутствуют различные добавки. Содержание добавок в полимерной композиции может изменяться в очень широких пределах. В зависимости от поставленной задачи, вида добавки и природы полимера оно может составлять от долей процента до 95 %, в нашем случае наибольшая концентрация составляла 5 м. ч. на 100 м. ч. ПТФЭ.[1]

Настоящая работа посвящена изучению свойств ПТФЭ и композитов на их основе при использовании модернизированного прибора DSC-2 производства фирмы «Регкт-ЕІтег», работающего по методу дифференциальной сканирующей калориметрии и испытательной машины УТС 101-5, при скорости перемещения подвижного зажима машины 50 мм/мин. [2].

Твердофазные технологии переработки полимеров в изделия, основанные на развитии пластической деформации материала в условиях высокого гидростатического давления, являются технологиями будущего, т. к. относятся к энергосберегающим.

В данной работе представлены результаты исследований реализации двух методов твердофазной (равноканальной угловой и плунжерной) экструзии за один технологический цикл. Процесс твердофазной экструзии полимерных композитов осуществлялся на специально изготовленной экспериментальной ячейке с загрузочной камерой диаметром 5 мм и набором сменных фильер с различной степенью деформации материала при температуре ниже температуры плавления. Ячейка представлена на рис. 1 и состоит из пуансона (1), матрицы (2), заготовки полимерного материала (3), фильеры (4).

В качестве объекта исследования использовали политетрафторэтилен (ПТФЭ) (ГОСТ 10007-08) в виде порошка. Модифицирующими добавками служили следующие материалы - кремний-фторорганический порошок (КФП) - продукт конденсации пиролиза шихты содержащей блочный ПТФЭ и легко разлагаемые неорганические аммонийные фториды (ЫН4^, (Ш4)2ОТ2, (NH4)2SiF6 [1]:

- продукт, полученный перегонкой шихты ПТФЭ, 97 % масс и (№Н4)2ТіР6 3 % масс при температуре

575 °С с последующей десублимацией раствором аммиака - композит ПТФЭ с ТЮ2 (ТФП);

- продукт, полученный путем посадки на микрочастицы фторполимерных порошков наноразмерных кобальтсодержащих кластеров (КоФП) [2].

Образцами служили монолитные прутки цилиндрического сечения диаметром 5 мм и длиной 20 мм. Композиты были получены предварительным смешением порошкообразного ПТФЭ с наноразмерным наполнителем, с последующим таблетированием и спеканием полученных заготовок.

Оценка прочностных характеристик модифицированных образцов ПТФЭ обработанных комбинированной экструзией в условиях срезывающих напряжений проводилась на машине УТС 101-5.

Рис. 1. Схема экспериментальной ячейки для комбинированной экструзии полимерных материалов: 1 - пуансон; 2 - матрица; 3 - заготовка полимерного материала; 4 - фильера

Экспериментально установлено, что при оценке прочностных характеристик в условиях срезывающих напряжений полученных образцов модифицированного ПТФЭ отмечено экстремальное влияние модифицирующей добавки в области малых концентраций (0,05; 0,1 мас. част. на 100 мас. част. ПТФЭ), что свидетельствует о равномерном распределении модификатора в полимерной матрице ПТФЭ.

1978

стср, МПа 24 21 18 15 12 9 6 3

о

Рис. 2. Диаграмма изменения разрушающего напряжения в условиях среза полимерного композита ПТФЭ + ТФП, в зависимости от содержания ТФП

Прочность в условиях срезывающих напряжений у композитов ПТФЭ + 0,1ТФП, полученного комбинированной экструзией, превышает на 14 % соответствующие характеристики исходного материала.

При помощи дифференциально-сканирующего калориметра определили удельную скорость поглощения энергии образцами при различной температуре.

На рис. 3 приведена зависимость максимальной скорости поглощения энергии образцов полимерной системы в области плавления политетрафторэтилена с модифицирующей добавкой ТФП, от концентрации модификатора (0,05; 0,1; 0,5; 1; 5 мас. част. на 100 мас. част. ПТФЭ). Теплофизические исследования показали, что для ПТФЭ с модифицирующими добавками характерно увеличение удельной скорости поглощения энергии образцом по сравнению с исходным ПТФЭ.

Экспериментально установлено, что наибольший эффект во всех используемых теплофизических методах получен при малых долях вносимых модификаторов, а именно, 0,05 и 0,1 мас. част. на 100 мас. ч. ПТФЭ.

Полученные данные по изменению теплопроводности, лишь подтверждают сделанные ранее выводы о проявлении наибольшего эффекта в области малых долей вносимых модификаторов, а именно, 0,05 и 0,1 мас. част. на 100 мас. част. ПТФЭ, что приводит к повышению теплопроводности образцов, а также к понижению теплостойкости.

Wmax, кДж/

8 7 6 5 4 3 2 1 0

0 2 с, мас.част. ТФП 6

Рис. 3. Графики зависимости максимальной скорости поглощения энергии Wmax образцов полимерной системы Ф4 + + ТФП от массовой части ТФП

Вт/м К

0,37 0,35 0,33 0,31 0,29 0.27 0,25 0,23

0 1 2 3 4 5

С, масс.част. ТФП

Рис. 4. Графики зависимости теплопроводности образцов полимерных систем Ф4 + ТФП, от массовой части ТФП

На основании первых экспериментальных результатов исследования метода комбинированной экструзии можно сделать вывод о том, что обработка композитов в условиях данного вида экструзии в твердой фазе сопровождается повышением прочностных показателей в условиях срезывающих напряжений, а также повышением теплофизических характеристик ПТФЭ.

В качестве основных достоинств создания нано-модифицированных фторополимерных материалов можно отметить положительное влияние вносимого модификатора на теплофизические и прочностные характеристики исходного полимерного материала. Сочетание равноканальной угловой и плунжерной экструзии при переработке модифицированного фторополимерного материала увеличивает общий положительный эффект.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баронин Г.С., КерберМ.Л., Минкин Е.В., Радько Ю.М. Переработка полимеров в твердой фазе: физико-химические основы. М.: Машиностроение-1, 2002. 320 с.

2. Радько Ю.М., Минкин Е.В., Кербер М.Л., Акутин М.С. Установка для определения остаточных напряжений в ориентированных термопластах // Заводская лаборатория. 1980. № 7. С. 669-670.

3. Комбинированная твердофазная экструзия полимеров и композитов / В.Л. Полуэктов, Г.С. Баронин // Современные твердофазные технологии: теория, практика, инновационный менеджмент: материалы 4 Междунар. науч.-инновац. молодежной конф. / под общ. ред. Д.О. Завражина. Тамбов: Изд-во ИП Чесноко-ва А.В., 2012.

4. Бузник В.М., Фомин В.М., Алхимов А.П. и др. Металлополимерные нанокомпозиты. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. Интеграционные проекты СО РАН. Вып. 2. 260 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа поддержана Грантом президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ РФ, код проекта НШ-3550.2012.3.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Poluektov V.L., Baronin G.S. PECULIARITIES OF COMBINED SOLID-PHASE EXTRUSION OF FLUOROPOLYMER MOLECULAR COMPOSITES

The purpose of this research is to study thermophysical and mechanical properties of fluoropolymer molecular composites. The experimental dependence was obtained, which indicates that the greatest effect was observed in the field of small additives (up to 1 mass fraction to 100 mass fractions of PTFE).

Key words: combined extrusion; strength and thermophysical properties; nanocomposites based on fluoropolymer; metal and ceramic nanoparticles.

1979