Влияние СВЧ-излучения на формирование структурно-механических свойств модифицированных полимер-углеродных материалов при твердофазной экструзии

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 66−963: 67. 02
ВЛИЯНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОЛИМЕР-УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ТВЕРДОФАЗНОЙ ЭКСТРУЗИИ
Г. С. Баронин, Д. О. Завражин, А. Г. Попов, М.С. Толстых
Тамбовский государственный технический университет,
ул. Советская, 106, Тамбов, 392 000, Россия, e-mail: zavrazhin-do@yandex. ru
Аннотация. Исследовано влияние СВЧ-излучения на процесс твердофазной экструзии полимер-углеродных нанокомпозитов. Проведена сравнительная оценка эксплуатационных характеристик композиционных материалов. Показано, что сочетание методов твердофазной технологии с дополнительной СВЧ-обработкой полимер-углеродных нанокомпозитов позволяет получать изделия с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Ключевые слова: твердофазная экструзия, ПЭВП, углеродные наноструктурные материалы, модифицированные полимер-углеродные материалы, СВЧ-обработка.
Введение
Переработка полимеров методами пластического деформирования в твердом состоянии заимствована из технологии обработки металлов давлением в твердой фазе. Параметрами твердофазной плунжерной экструзии являются экструзионное отношение Аэкс, температура материала, давление выдавливания Рф, угол входного конуса в капилляр, длина капилляра и наличие модифицирующих добавок. [1].
В ряде работ [2, 3] показана эффективность применения углеродных наноматериалов (углеродных нанотрубок — УНТ и нановолокон — УНВ) для модификации структуры и свойств полимеров.
В процессе исследований разработана методика твердофазной экструзии модифицированных полимер-углеродных материалов с использованием предварительного СВЧ-нагрева. [4].
§ 1. Объекты и методы исследований
В качестве объекта исследования использовали полиэтилен высокой плотности (ПЭВП)(ГОСТ 16 338−85). В качестве модифицирующих веществ применяли углеродные наноструктурные материалы (УНМ) «Таунит» (производства ООО «Нанотехцентр», Россия, г. Тамбов) в виде сыпучего порошка с размером частиц 40−100 нм и технический углерод (сажу) марки К-354 (ГОСТ 7885−86). В качестве заготовок использовали
прутки диаметром 0,005 м и длиной 0,015 м, полученные жидкофазным формованием (ЖФ).
Опыты по твердофазной экструзии (ТФЭ) проводили на экспериментальной установке типа капиллярного вискозиметра с загрузочной камерой диаметром 0,005 м. и экструзионным отношением Аэкс=2,07. Частота СВЧ-излучения магнетрона 2450 МГц. Выходная мощность 700 Вт. Для исследования структуры и определения удельной скорости поглощения энергии использовался модернизированный дифференциальный сканирующий калориметр DSC-2 фирмы Perkin Elmer.
§ 2. Результаты исследований
Применение СВЧ-обработки позволяет за десятки секунд прогреть заготовку до оптимальной температуры переработки, снижая необходимое давление формования на 10−20% (рис. 1). При оценке прочностных показателей в условиях срезывающих напряжений после обработки по заданной методике показано повышение прочностных характеристик материала до 30% в направлении, перпендикулярном ориентации в режиме ТФЭ (рис. 2).
Рис. 1. Диаграмма зависимости необходимого давления твердофазного формования от времени СВЧ-нагрева. Аэкс = 2, 07, Тэкс = 298.
Сравнительные механические характеристики исходных полимеров и композитов на их основе представлены в табл. 1. Хорошо прослеживается влияние на прочностные характеристики как введение УНМ, так и комплексного воздействия модификатора, твердофазной технологии и СВЧ-излучения. В том числе, полученные полимер-углеродные
ПЭВП ПЭВП ПЭВП-Ю. 5 м.ч. ПЭВП-0,5 м.ч. ПЭВП+1м.ч. ПЭВП+1 м_ч_ ПЭВП-Ю, 5 м.ч. ПЭВП-0,5 м.ч. ПЭВП+1м.ч. ПЭВП-1м.ч.
О сек. СВЧ ЗОсек. СВЧ сажи Осек. СВЧ сажи 70сек. СВЧ сажи Осек. СВЧ сажи 70сек. СВЧ УНМ Осек. СВЧ УНМ 40сек. СВЧ УНМ Осек. СВЧ УНМ 70сек. СВ
Рис. 2. Диаграмма изменения прочностных характеристик в условиях срезывающих напряжений тер в зависимости от времени СВЧ-нагрева композиций, полученных ЖФ и прошедших ТФЭ при Аэкс = 2, 07, Тэкс = 298.
нанокомпозиты имеют более высокий модуль упругости при растяжении в сравнении с исходным полимером.
Для полимер-углеродных нанокомпозитов на основе ПЭВП, прошедших твердофазное формование отмечено резкое снижение относительного удлинения при разрыве. Внесение углеродных модификаторов, вероятно, приводит к разрыхлению структуры полимерной матрицы с одновременным снижением эластичности материала. При этом, в результате модификации материала значительно повышаются его прочностные характеристики.
Для изучения термодинамических и теплофизических свойств материалов был использован метод дифференциальной сканирующей калориметрии (рис. 3).
На рис. 3 представлены термограммы исходного ПЭВП (1), исходного ПЭВП при 30 сек. СВЧ-обработки (2) и модифицированного материала ПЭВП+1 масс. част. УНМ 70 сек. СВЧ-обработки (3) и ПЭВП+1 масс. част. сажи 70 сек. СВЧ (4). Все кривые имеют схожий характер, типичный для кристаллизующихся полимеров. Для всех материалов на основе ПЭВП отмечен температурный интервал плавления (410−418 К). Отмечено некоторое снижение удельной скорости поглощения энергии саженаполненных образцов. Таким образом, саженаполненные композиты менее стойки к температурным воздействиям, в отличие от прочих исследованных.
Таблица 1
Сравнительные механические характеристики модифицированных материалов при растяжении в зависимости от состава и времени СВЧ-обработки.
Предел текучести, & lt-тт, МПа Предел прочности при разрыве, ар, МПа О тносительное удлинение при разрыве, ер, % Модулв упругости, Е, МПа
ПЭВП исх, ЖФ 23,122 14,722 3385,7 4,934
ПЭВП+1 масс. част. УНМ, ЖФ 22,862 14,202 3533,8 4,443
ПЭВП+1 масс. част. сажи, ЖФ 22,909 14,11 3756,7 5,432
ПЭВП исх, ТФЭ, 0 сек. СВЧ 33,09 25,195 4935,6 5,968
ПЭВП исх, ТФЭ, 30 сек. СВЧ 34,869 27,442 4695,8 6,248
ПЭВП+1 масс. част. УНМ, ТФЭ, 0 сек. СВЧ 36,663 36,663 2862,6 5,12
ПЭВП+1 масс. част. УНМ, ТФЭ, 70 сек. СВЧ 38,63 38,63 2567,5 5,562
ПЭВП+1 масс. част. сажи, ТФЭ, 0 сек. СВЧ 37,87 37,87 2763,1 5,237
ПЭВП+1 масс. част. сажи, ТФЭ, 70 сек. СВЧ 37,22 37,22 2761,5 5,67
Выводы
1. Применение волокнистых наноматериалов (УНТ, УНВ) в сравнении с техническим углеродом (сажей) более эффективно в связи с их высокими проводящими свойствами (однородным переносом энергии по всей длине волокна) и, как следствие, модификацией более глубоких слоев полимерной матрицы.
2. Сочетание методов твердофазной технологии получения изделий с объемной обработкой СВЧ-излучением позволяет значительно ускорить процесс модификации полимерных материалов по сравнению с другими методами обработки, при этом повышается качество готовых изделий, улучшаются эксплуатационные характеристики: повышение прочностных показателей в условиях срезывающих напряжений до 30%, повышение предела текучести до 50%, предела прочности при разрыве — до 200%. При этом теплоемкость созданных материалов остается практически неизменной.
W, Дж/(кг*К)
3
/
l'-ix 4 \7
// V
///
1 /? ///
^ 2



Рис. 3. Зависимость удельной скорости поглощения энергии образцов исходного ПЭВП (1), исходного ПЭВП при 30 сек. СВЧ-обработки (2) и модифицированного ПЭВП+1 масс. част. УНМ 70 сек. СВЧ-обработки (3) и ПЭВП+1 масс. част. сажи 70 сек СВЧ (4)
от изменения температуры.
Исследование выполнено в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 — 2013 годы (Госконтракт № 14. 740. 12. 0865 по обобщенной теме «Исследование новых конструкционных и функциональных материалов и технологий их обработки») на оборудовании Центра коллективного пользования «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» НИУ «БелГУ».
Литература
1. Баронин Г. С. Переработка полимеров в твердой фазе. Физико-химические основы / Г. С. Баронин и др. — М.: Машиностроение-1, 2002. — 320 с.
2. Раков Э. Г. Волокна с углеродными нанотрубками // Рынок легкой промышленности. — 2007. — № 48.
3. Елецкий А. В. Упрочнение полимеров однослойными углеродными нанотрубками // www. nanometer. ru, 2007, № 9.
4. Пат. 2 361 733 РФ, B 29 C 39/00 Способ формования термопластов / Баронин Г. С., Завражин Д. О., Дмитриев В. М., Ткачев А. Г., Иванов С. А. и др. ГОУ ВПО ТГТУ. — № 2 007 128 686/12, заявл. 25. 07. 2007- опубл. 20. 07. 2009, Бюл. № 20.
EFFECT OF MICROWAVE RADIATION ON THE FORMATION OF STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF MODIFIED POLYMER — CARBON MATERIALS IN SOLID EXTRUSION
G.S. Baronin, D.O. Zavrazhin, A.G. Popov, M.S. Tolstykh
Tambov State Technical University,
Sovetskaya St., 106, Tambov, 392 000, Russia, e-mail: zavrazhin-do@yandex. ru
Abstract. The effect of microwave radiation on the process of solid-state extrusion of polymercarbon nanocomposites. A comparative evaluation of the performance of composite materials. It is shown that a combination of methods of solid-state technology with additional microwave processing of polymer-carbon nanocomposites yields products with improved performance.
Keywords: solid- phase extrusion, HDPE, carbon nanostructured materials, polymer-modified carbon materials, microwave processing.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой