Комопзитные материалы на основе полиэтилена низкой плотности и наноразмерного карбоната кальция тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.06, кандидат технических наук Султонов, Навруз Жононбоевич

• Султонов, Навруз Жононбоевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Султонов, Навруз Жононбоевич

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Полиэтилен

1.1.1. Способы получения полиэтилена

1.1.2. Структура и свойств полиэтилена

1.2. Композиционные материалы на основе полиэтилена

1.2.1 Определения и классификация полимерных композитов 1 б

1.2.2. Нанокомпозиты в полимерах

1.2.3. Дисперснонаполненные композиты на основе полиэтилена

1.3. Нанокомпозиты на основе полиэтилена

1.3.1. Свойства нанокомпозитов на основе полиэтилена

1.3.2. Нанокомпозиты на основе карбоната кальция

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1. Исходные вещества и их свойства

2.2. Методика органомодификации глины

2.3. Получения нанокомпозитов

2.4. Приготовление образцов для испытаний

2.5. Методы исследования

2.6. Статистическая обработка данных

Глава 3. Результаты и их обсуждение 67 3.1. Механические свойства нанокомпозитов 67 3.1.1. Механические свойства нанокомпозитов на основе полиэтилена и наноразмерного карбоната кальция

3.1.2 Механические свойства нанокомпозитов

ПЭНП/наноСаСОз/органоглина

3.1.3. Механические свойства нанокомпозитов ПЭНП/таунит

3.1.4. Физико-химические свойства нанокомпозитов ПЭНП/\^(ОН)

3.1.5. Теплостойкость нанокомпозитов на основе ПЭ и наполнителей СаС03, органоглина, «Таунит» и М^ОЦЬ 87 3.2. Реологические свойства нанокомпозитов на основе

ПЭНП и наполнителей СаСОэ, органоглина., «Таунит» и

§(ОН)2 91 Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комопзитные материалы на основе полиэтилена низкой плотности и наноразмерного карбоната кальция»

Актуальность работы. В настоящее время одним из наиболее эффективных и экономически выгодных способов модификации свойств полиэтилена (ПЭ) является введение в него различных наполнителей органического или неорганического происхождения. Подобная модификация необходима, так как полиэтилен не обладает высокими физико-химическими свойствами. Длительное время минеральные наполнители в виде порошков, волокон и текстильных (нетканых) форм из волокон (нити, жгуты, ровинги, ленты, ткани различной текстуры) наряду с органическими наполнителями (древесная мука, природные волокна хлопка, льна, конопли и др.) были основными наполнителями в производстве наполненных полимерных композиционных материалов (ПКМ). При этом следует отметить, что большое разнообразие минеральных наполнителей позволяет регулировать в широких пределах прочностные, электрические, теплофизические, химические и другие свойства ПКМ. В частности, на основе минеральных наполнителей разработан большой ассортимент ПКМ с микроразмерными дисперсными наполнителями. Однако развитие нанотехнологий предопределило, при разработке наполнителей для полимерных материалов, переход от использования макро- и микроразмерных добавок к использованию наноразмерных модификаторов. Эти новые материалы по сравнению с обычными ПКМ обладают новыми или улучшенными физико-химическими, термическими, барьерными, оптическими и другими специальными свойствами, что делает их коммерчески перспективными и интересным классом инженерных пластмасс.

Минеральные наполнители обычно представляют собой порошки, а полиолефины поставляются в виде гранул. Поэтому минеральный наполнитель, например, карбонат кальция, должен быть, сначала диспергирован в полимере в процессе компаундирования, соответственно должен быть подготовлен в форме, которая хорошо диспергируется. В этом плане интерес представляет промышленно выпускаемый модификатор NanoV cal. Последний представляет собой 70%- композит на основе полиэтилена и наноразмерного карбоната кальция. Nano-cal получают из легкодоступного в природе карбоната кальция - традиционного наполнителя полиэтилена в производстве пленок. Введение в полиэтилен модификатора - Nano-cal, позволит повысить рентабельность производства за счет уменьшения толщины пленочных материалов, которые будут обладать повышенными физико-механическими характеристиками.

Цель работы состояла в создании новых нанокомпозиционных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками на основе полиэтилена низкой плотности (ПЭНП), наноразмерного карбоната кальция. В работе также использовался углеродный наноматериал «Таунит», органомодифицированная глина и гидроксид магния.

В соответствии с целью в работе были поставлены и решены следующие задачи:

- отработка технологии введения наномодификаторов в полимерную матрицу;

- разработка оптимального состава полимерного нанокомпозита;

-проведение комплекса физико-механических исследований с целью изучения влияния наноразмерных частиц карбоната кальция, органоглины, «Таунита» и гидроксида магния на основные свойства ПЭНП;

- анализ полученных экспериментальных данных и оценка области применения нанокомпозитов.

Научная новизна. Впервые выявлены основные закономерности изменения свойств ПЭНП при введении в него таких наполнителей как: наноразмерный карбонат кальция, «Таунит», смеси на основе наноразмерного карбоната кальция и монтмориллонита, модифицированного 10% акрилатгуанидином, наноразмерного карбоната кальция и «Таунита». Показано, что при использовании смеси наполнителей - наноразмерный карбонат кальция и 5 масс. % монтмориллонита, модифицированного 10% акрилатгуанидином, достигается максимальное повышение механических свойств нанокомпозитов.

Впервые проведен систематический сравнительный анализ физико-механических свойств нанокомпозитов, содержащих смеси: наноразмерный карбонат кальция/«Таунит»; наноразмерный карбонат кальция/5 масс. % монтмориллонита, модифицированный 10% акрилатгуанидином.

Практическая значимость. Показана возможность получения на основе ПЭНП и различных наноразмерных модифицирующих добавок нанокомпозитов с комплексом ценных физико-химических и эксплуатационных характеристик.

Результаты работы могут быть использованы при создании полимерных нанокомпозиционных материалов, которые найдут широкое применение в технике, например в производстве пленок.

Заключение диссертации по теме «Высокомолекулярные соединения», Султонов, Навруз Жононбоевич

выводы

1. Смешением в расплаве в двухшнековом экструдере разработаны нанокомпозиционные материалы на основе ПЭНП и различных модификаторов. Полученные материалы обладают повышенными физико-механическими и термическими характеристиками.

2. Изучено влияние количества и природы модификаторов - наночастиц СаС03, органоглины, «Таунита», а также гидроксида магния на основные физико-механические свойства ПЭНП. Установлены оптимальные составы композитов.

3. Введение дисперсного наполнителя в полимерную аморфно-кристаллическую матрицу приводит к существенному изменению ее структуры по сравнению с матричным полимером. Это изменение заключается в снижении доли нанокомпозита, в которой реализуется пластическая деформация. Последняя приводит к повышению модуля упругости и предела текучести. Основным фактором, определяющим влияние количество нанонаполнителя на свойства материала, является агрегация частиц модификатора.

4. Установлено, что введение оптимальных количеств наноразмерных наполнителей приводит к заметному повышению физико-механических свойств полиэтилена: модуль упругости увеличивается на 25 %.

5. Получены композитные материалы на основе ПЭНП и гидроксида магния. Обнаружено, что введение гидроксида магния в ПЭНП в количестве 45 масс.% приводит к повышению модуля упругости исходного полимера на 400 %.

6. Изучены термические свойства нанокомпозитных материалов на основе ПЭНП. Показано, что вязкости расплавов нанокомпозитов выше, чем у исходного полимера. При этом теплостойкость нанокомпозита ПЭНП+20% СаСОз + 5% органоглина на 20 °С выше, чем у исходного ПЭНП.

7. Обнаружено, что ударная вязкость нанокомпозитов, содержащие смеси модификаторов - СаС03/«Таунит», СаСОэ/органоглина при -60 °С в 1,5 раза выше, чем у исходного ПЭНП.

8. Проведенные исследования показывают, что полученные нанокомпозиты на основе ПЭНП и различных модификаторов, обладающие комплексом ценных свойств, можно рекомендовать в качестве перспективных пленочных материалов различного назначения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Султонов, Навруз Жононбоевич, 2011 год

1. Технология пластических масс/Под ред. В.В.Коршака. Изд. 3-е-М.: Химия, 1985

2. Энциклопедия полимеров М.: Советская энциклопедия, 1972.-Т.1

3. Кашшчев Э.Л., Саковцева М.Б. Выбор пластмасс для изготовления и эксплуатации изделий: Справ, изд.- Л.: Химия, 1987

4. Крыжановский В. К., Бурлов В.В., Паниматченко Ю.В., Крыжановская Ю.В. Технические свойства полимерных материалов: Уч.-справ. пос. — СПб. Изд-во «Профессия», 2003.

5. Макаров В.Г., Коптенармусов В.Б. Промышленные термопласты: Справочник -М.: AHO «Издательство «Химия», Изд-во «КолосС», 2003

6. Крыжановский В. К, Кербер М.Л., Бурлов В.В., Паниматченко Ю.В. Производство изделий из полимерных материалов. Изд-во «Профессия», 2004

7. Киреев В.В. Высокомолекулярные соединения.- М.: Высшая школа, 1992

8. Кулезнев В.Н., Шершнев В.А. Химия и физика полимеров.- М.: Высшая школа, 1988

9. Тагер A.A. Физикохимия полимеров.-М.:Химия, 1978

10. Дувакина Н.И., Чуднова В.М., Белогородская К.В., Шульгина Э.С. Химия и физика высокомолекулярных соединений.- Л.: изд. ЛТИ им. Ленсовета, 1984

11. Савельянов И.П. Общая химическая технология полимеров.М.:Физматгиз.2000

12. N.L. Surampadi, Т.С. Pesacreta, R.D.K. Misra. The determining role of scratch indenter radius on surface deformation of high density polyethylene and calcium carbonate-reinforced composite.// Materials Science and Engineering A 456 (2007) 218-229.

13. S. Sahebian, S.M. Zebarjad, J. Vahdati Khaki, S.A. The effect of nano-sized calcium carbonate on thermodynamic parameters of HDPE.// Materials Processing Technology. 23-3-2008

14. S.M. Zebarjad, S.A. Sajjadi. On the strain rate sensitivity of HDPE/CaC03 nanocomposites.// Materials Science and Engineering A 475 (2008) 365367.

15. Wei Wu, Xue qin Zhung, Jianfeng Chen, Shilling Shen. Synthesis of nano-CaCO, composite particles and their application.// Journal of UniversRy of Science and Techffotogy Beijing Volume 15, Number 1, February2008, Page 67.

16. C. Deshmane, Q. Yuana, R.D.K. Misra On the fracture characteristics of impact tested high density polyethylene-calcium carbonate nanocomposites.// Materials Science and Engineering A 452-453 (2007) 592-601.

17. M. Tanniru, R.D.K. Misra. On enhanced impact strength of calcium carbonate-reinforced high-density polyethylene composites.// Materials Science and Engineering A 405 (2005) 178-193.

18. M. Tanniru, R.D.K. Misra. Reduced susceptibility to stress whitening during tensile deformation of calcium carbonate-reinforced high densitypolyethylene composites.// Materials Science and Engineering A 424 (2006) 53-70.

19. M. Tanniru, R.D.K. Misra, K. Berbrand, D. Murphy. The determining role of calcium carbonate on surface deformation during scratching of calcium carbonate-reinforced polyethylene composites.// Materials Science and Engineering A 404 (2005) 208-220.

20. E.M. Parsons, M.C. Boyce, D.M. Parks, M. Weinberg. Three-dimensional large-strain tensile deformation of neat and calcium carbonate-filled high-density polyethylene.// Polymer 46 (2005) 2257-2265.

21. R.D.K. Misra, P. Nerikar, K. Bertrand, D. Murphy. Some aspects of surface deformation and fracture of 5-20% calcium carbonate-reinforced polyethylene composites.// Materials Science and Engineering A 384 (2004) 284-298.

22. Maged A. Osman, Ayman Atallah, Ulrich W. Suter. Influence of excessive filler coating on the tensile properties of LDPE-calcium carbonate composites.// Polymer 45 (2004) 1177-1183.

23. G. Nowaczyk, S. G"owinkowski, and S. Jurga. Rheological and NMR studies of polyethylene/calcium carbonate composites.// Solid State Nuclear Magnetic Resonance 25 (2004) 194-199.

24. J. Suwanprateeb. Calcium carbonate filled polyethylene: correlation of hardness and yield stress.// Composites: Part A 31 (2000) 353-359.

25. Zishou Zhang, Youji Tao, Zhugen Yang, Kancheng Mai. Preparation and Characteristics of Nano-CaC03 Supported p-Nucleating Agent of Polypropylene.// European Polymer Journal 16 April 2008.

26. Chuan Guo Ma, Yu Liang Mai, Min Zhi Rong, Wen Hong Ruan, Ming Qiu Zhang. Phase structure and mechanical properties of ternary polypropylene/elastomer/nano-CaCC>3 composites.// Composites Science and Technology 67 (2007) 2997-3005.

27. Kun Yang, Qi Yang, Guangxian Li, Yajie Sun, Decaí Feng. Morphology and mechanical properties of polypropylene/calcium carbonate nanocomposites.// Materials Letters 60 (2006) 805-809.

28. Fan-Long Jin, Soo-Jin Park. Thermo-mechanical behaviors of butadiene rubber reinforced with nano-sized calcium carbonate.// Materials Science and Engineering A 478 (2008) 406-408.

29. J. González, C. Albano, M. Ichazo, M. Hernández, R. Sciamanna. Analysis of thermogravimetric data of blends of polyolefins with calcium carbonate treated with Lica 12.// Polymer Degradation and Stability, Volume 73, Issue 2, 2001, Pages 211-224.

30. C. Albano, J. González, M. Ichazo, C. Rosales, C. Urbina de Navarro, C. Parra. Mechanical and morphological behavior of polyolefin blends in the presence of CaCO3.// Composite Structures, Volume 48, Issues 1-3, January-March 2000, Pages 49-58.

31. Xun-qiu WANG, Deng-gao JIANG. Modification of nanometer calcium carbonate for water-borne architectural coatings.// Journal of China

32. University of Mining and Technology, Volume 18, Issue 1, March« 2008, Pages 76-81.

33. K. Chrissafis, K.M. Paraskevopoulos, E. Pavlidou, D. Bikiaris. Thermal degradation mechanism of HDPE nanocomposites containing fumed silica nanoparticles.// Thermochimica Acta, Volume 485, Issues 1-2, 10 March 2009, Pages 65-71.

34. Weihua Luo, Nanqiao Zhou, Zhihong Zhang, Hongwu Wu. Effects of vibration force field on structure and properties of HDPE/CaG03 nanocomposites.// Polymer Testing, Volume 25, Issue 1, February. 2006, Pages 124-129.

35. M. Tanniru, Q. Yuan, R.D.K Misra. On significant retention of impact strength in clay-reinforced high-density polyethylene (HDPE) nanocomposites.// Polymer, Volume 47, Issue 6, 8>March 2006, Pages 21332146.

36. Xuehua Chen, Chunzhong Li, Shoufang Xu, Ling Zhang, Wei Shao, H.L. Du. Interfacial adhesion and mechanical properties of PMMA-coated

37. CaC03 nanoparticle reinforced PVC composites.// China Particuology, Volume 4, Issue 1, February 2006, Pages 25-30.

38. Maged A. Osman, Ayman Atallali. Effect of the particle size on the viscoelastic properties of filled polyethylene.// Polymer, Volume 47, Issue 7, 22 March 2006, Pages 2357-2368.

39. Qing-Xin Zhang, Zhong-Zhen Yu, Xiao-Lin Xie, Yiu-Wing Mai. Crystallization and impact energy of polypropylene/CaC03 nanocomposites with nonionic modifier.// Polymer, Volume 45, Issue 17, 5 August 2004, Pages 5985-5994.

40. Y. S. Thio, A. S. Argon, R. E. Cohen, M. Weinberg. Toughening of isotactic polypropylene with CaC03 particles.// Polymer, Volume 43, Issue 13, June 2002, Pages 3661-3674.

41. Ichinose N. et al. Superfine Particle Technology. London, 1992.

42. Brinker C.J., Scherer G.W. Sol-Gel Science. Boston, 1990.

43. Mark J.E. Frontiers of Macromolecular Science / Eds T.Saegusa, T.Higashimura, A.Abe. Oxford, 1989.

44. Novak B.M., Davis C. // Macromolecules. 1991. V.24. P.2481—2483.

45. Kelly P., Akelah A., Moet A. // J. Mater. Sei. 1994. V.29. P.2274—2280.

46. Vossmeyer T., Katsikas L., Giersig M., Popovic I. // J. Chem. Phys. 1994. V.98. P.7665—7673.

47. Barthelemy A., Fert A., Morel R., Steren L. // Phys. World. 1994. V.7. P.34—38; Satterfield C.N. Geterogeneous. Catalysis in Industrial Practice. 2nd ed. N.Y., 1991.

48. Klabunde K.J., Habdas J., Cardenas-Trivino G. // Chem. Mater. 1991. B.5. S.947—952.

49. Heilmann A., Hamann C. // Progr. Colloid Polym. Sei. 1991. V.85. P.102— 112.

50. Герасимов Г.Н., Григорьев Е.И., Григорьев A.E. и др. // Хим. физика. 1998. Т.17. С.168—173.

51. Mahler W. // Inorg. Chem. 1988. V.27. Р.435—436.

52. Rempp P., Merrill E.W. Polymer Synthesis (2nd ed.). N.Y., 1991; Volkov A.V., Karachevtsev I.V., Moskvina M.A. et al. // J. Inorg. and Organometallic Polymers. 1995. V.5. P.295—305.

53. Hajduk D.A., Harper P.E., Gruner S.M. et al. // Macromolecules. 1995. V.28. P.2570—2573; Matsen M.W., Bates F.S.// Ibid. 1996. V.29. P.7641—7644.

54. Moller M., Lentz D.W. // Macromol. Chem. 1989. V.190. P. 1153—1168.

55. Chan Y.N. C., Schröck R.R., Cohen R.E. // J. Am. Chem. Soc. 1992. V.l 14. P.7295—7296.

56. Helmimiak Т.Е., Arnold F.E., Benner C.L.// ACS Polym. Prepr. 1975. V.l6. P.659—662.

57. Hwang W.F., Wiff D.R., Verschoore C.// Polym. Eng. Sei. 1983. V.23. P.789—791.

58. Ding H., Harris F.W. // Pure and Appl. Chem. 1997. V.67. P.1995—2004.

59. Неверов B.M., Чвалун C.H., Blackwell J. и др. // Высокомолекуляр. соединения. А. 2000. Т.42. С.450—461.

60. Inpil , Yun Y H, Jay H K: Introduction to carbon nanotube and nanofiber smart materials. Composites Part B: Engineering 37 382-394, (2006).

61. Valentino О., Sarno M., Rainone N.G. et al. Influence of the polymer structure and nanotube concentation on the conductivity and rheological properties of polyethylene /CNT composites. Physica E (2008). In Press.

62. Ruan S.L., Gao P., Yang X.G., Yu T.X. Toughening high performance ultrahigh molecular weight polyethylene using multiwalled carbon nanotubes. Polymer 44 (2003), p.5643-5654.

63. Stephan C., Nguyen T.P., Lahr В., Blau W.J., Lefrant S., Chauvet O. Raman spectroscopy and conductivity measurements on polymer-multiwalled carbon nanotubes composites. J. Mater. Res. 17(2) (2002), p.396-400.

64. Ferrera M. et al. Influence of the electrical field applied during thermal cycling on the conductivity of LLDPE/CNT composites. Physica E 37 (2007), p.66-71.

65. Finegan I.C., Tibbetts G.G. Electrical conductivity of vaporgrown carbon fiber/thermoplastic composites. J. Mater. Res. 16(6) (2001), p.1668-1674.

66. Fu S.-Y., Mai Y.-W. Thermal conductivity of misaligned short-fiberreinforced polymer composites. J. Appl. Polym. Sci. 88(6) (2003), p.1497-1505.

67. Gleiter H. Nanostructured materials: basic concepts and microstructure.// Acta mater., 2000. V.48. P.l-29.

68. Алымов М.И., Зеленский B.A. Методы получения и физико-механические свойства объемных нанокристалли-ческих материалов. -М.: МИФИ, 2005. 52 с.

69. Глезер A.M. Аморфные и нанокристаллические структуры: сходства, различия, взаимные переходы.// Российский химический журнал, 2002, Том XLVI, №5. С.57-63.79.