Перспективы применения макро- и наноуглеродных волокон для модификации полиэтилена марки ПЭ80Б

Стрельцов Иван Анатольевич, аспирант материалов способных обеспечивать изделиям и конструкциям эффективную работу в экстремальных условиях Севера России.

В статье представлены результаты исследования композиционных материалов на основе полиэтилена марки ПЭ80Б, модифицированного рублеными макроуглеродными волокнами 2-х типов: УВИС АК-П (волокнистый материал на основе гидрата целлюлозы) и УКН-М (волокнистый материал на основе по-лиакрилнитрила), производства ООО «НПЦ» УВИКОМ, а также углеродными нанонитями (нановолокнами) 3 различных модификаций – коаксиально-конической, перистой и стопча-той, синтезированных в Институте катализа СО РАН. Также данные дисперсно-армирую-щие наполнители использовались в сочетании.

Исследование физико-механических характеристик полиэтиленовых композитов при растяжении и сжатии производилось согласно ГОСТ 11262-80, 4651-82, 9550-81. Результаты исследования влияния макроуглеродных волокон на прочностные характеристики композитов при растяжении приведены в табл. 1. Установлено, что введение 10 мас.% углеродных волокон марки УВИС АК-П приводит к повышению предела текучести на 17% и модуля упругости на 55%, а использование волокон марки УКН-М приводит к повышению аналогичных характеристик на 12 и 52%, соответственно.

Показатель трещиностойкости КIC – критический коэффициент интенсивности напряжений (КИН) материала определялся в испытаниях на кратковременную прочность при растяжении образцов-полосок (6,56x16,4x120 мм) с надрезом при температуре 213 К и скорости движения активного захвата испытательной машины 500 мм/мин. Надрезы, глубиной 5,75 мм наносились ножовочным полотном и заострялись лезвием безопасной бритвы. Испытания при температуре 213 К проводились с целью обеспечения условий локализованной текучести в вершине надреза. Показатель предела текучести материалов о, необходимый для оценки применимости положений линейной механики разрушения, определяли в эксперименте на кратковременную прочность при растяжении на стандартных образцах-лопатках, тип 2, ГОСТ 11262-80. Обработка результатов проводилась по результатам исследования 5 образцов полиэтиленового композита. Результаты исследования приведены в табл. 2. Установлено, что применение углеродных волокон марки УКН-М приводит к повышению значений показателя трещиностой-кости, введение в полимерную матрицу волокна марки УВИС АК-П приводит к снижению исследуемого показателя.

Таблица 1. Физико-механические характеристики ПЭ80Б, модифицированного углеродными волокнами, при растяжении

Материал	о т , МПа	Е т , %	Е, МПа	Е р , %
ПЭ80Б	21,2	7,3	986	620,0
ПЭ80Б+10,0 мас.% УВИС АК-П	24,7	3,4	1538	99,4
ПЭ80Б+10,0 мас.% УКН-М	23,8	-	1499	19,3

Примечание: о т - предел текучести при сжатии; е т - удлинение при пределе текучести; Е - модуль упругости; ε р – удлинение при разрыве

Таблица 2. Коэффициент интенсивности напряжений дисперсно-армированных композитов на основе ПЭ80Б

Материал	K ic , МПа/м%
ПЭ80Б	5,43
ПЭ80Б+10,0 мас.% УВИС АК-П	4,74
ПЭ80Б+10,0 мас.% УКН-М	6,16

Для выявления причин различного воздействия углеродных волокон на полимерное связующее были проведены исследования поверхностных характеристик углеродных волокон. Исследование значений удельной поверхности волокон производилось на анализаторе удельной поверхности серии Сорбтометр-М. Данные, полученные в ходе исследования, приведены в табл. 3. Видно, что волокно марки УКН-М характеризуется более развитой поверхностью, прежде всего, за счет меньшего диаметра волокна.

Таблица 3. Некоторые поверхностные характеристики углеродных волокон

Волокно	Удельная поверхность, м2/г	Длина, мм	Диаметр, мкм
УКН-М	1,81	5-6	5,4-6,0
УВИС АК-П	1,32	5-6	8,6-8,9

Исследование морфологических особенностей поверхности углеродных волокон производилось на сканирующем электронном микроскопе JSM-6460LV (JEOL). Результаты исследования приведены на рис. 1.

Рис. 1. Микрофотографии углеродных волокон: УВИС АК-П

Рис. 2. Микрофотографии углеродных волокон УКН-М

Видно, что углеродные волокна марки УВИС АК-П (рис. 1) имеют бездефектную поверхность с продольными желобками. Углеродные волокна марки УКН-М (рис. 2) имеют на своей поверхности дефекты, которые могли образоваться в ходе технологического процесса их получения. По-видимому, высокие значения прочностных характеристик композитов, содержащих углеродные волокна марки УВИС АК-П, при растяжении и сжатии обеспечиваются микрорельефностью волокон. Дефекты на поверхности волокон марки УКН-М, в свою очередь, способствуют повышению их удельной поверхности и, по всей вероятности, служат центрами адгезионного взаимодействия с полимерной матрицей, следствием чего является повышение трещиностойкости композитов. Таким образом, эффективность армирующего воздействия углеродных волокон на полимерную матрицу определяется их поверхностными характеристиками.

Развитие существующих технологий и появление новых требуют инновационных решений от науки о материалах. Активно исследуемые в последние годы углеродные наноструктуры (нанотрубки, нановолокна, фул- лерены, графеновые листы) представляют большой практический интерес для микроэлектроники, оптики, микробиологии, физики капиллярных явлений, а также для области полимерного материаловедения. Уникальная и разнообразная структура углеродных нанонитей, синтезированных в Институте катализа СО РАН, предопределила возможность их использования для модификации полиэтилена ПЭ80Б. В работе использовались углеродные нанонити трех основных модификаций: коаксиально-конической морфологии (55БР), перистой морфологии (43БР), стопчатой морфологии (51БР). Принимая во внимание нанометровые размеры углеродных нановолокон, была предпринята попытка применить их в качестве наномодифицирующей добавки к трубному полиэтилену ПЭ80Б. Количество вводимых углеродных волокон составляло 0,1-1,0 мас.%. В табл. 4 приведены прочностные характеристики полученных композитов при растяжении. Видно, что их введение в полимерную матрицу приводит к некоторому снижению прочностных характеристик полиэтилена при растяжении.

Таблица 4. Прочностные характеристики композиционных материалов на основе ПЭ80 и углеродных нанонитей при растяжении

Материал	ор, МПа	о т , МПа	Е т , %	Е р , %	Е, МПа
ПЭ80Б	27,1	21,2	7,3	620,0	986,0
ПЭ80+0,5 мас.% 43БР	24,2	22,7	6,9	602,6	1002,7
ПЭ80+0,5 мас.% 51БР	26,9	22,8	6,8	637,6	1015,3
ПЭ80+0,5 мас.%55БР	21,4	22,8	6,4	524,0	977,8
ПЭ80+1,0 мас.% 43БР	24,5	22,6	7,8	594,8	1068,0
ПЭ80+1,0 мас.% 55БР	24,0	22,4	6,6	596,0	1017,5
ПЭ80+1,0 мас.% 51БР	23,4	21,8	6,9	540,5	1034,2

Вторая часть исследований была направлена на использование углеродных нанонитей для усиления адгезионной связи между макро-углеродными волокнами и полиэтиленом. В качестве основного материала для исследования использовали композит, содержащий 10

мас.% углеродного волокна марки УКН-М, так как его трещиностойкость выше, чем у других исследованных композитов. Силы адгезионного взаимодействия оценивали по показателю прочности композитов при растяжении (табл. 5).

Таблица 5. Прочность некоторых композитов на основе ПЭ80Б и углеродных материалов при растяжении

Материал	о т , МПа	Е, МПа	Е р , %
ПЭ80Б	21,2	986,0	620,0
ПЭ80Б + 10 % УКН	23,8	1499,3	87,6
ПЭ80Б+ 1,0 мас.% 51БР + 10 % УКН	25,8	1626,2	18,8
ПЭ80Б+ 1,0 мас.% 55БР + 10 % УКН	26,2	1651,1	11,0

Установлено, что применение углеродных нанонитей позволяет повысить модуль упругости на 10% по сравнению с композитом, не содержащим нанонити, и на 65% по сравнению с немодифицированным ПЭ80Б, т.е. жесткость системы повысилась, следовательно, адгезионное взаимодействие между компонентами композита усилилось. Кроме того, применение углеродных нанонитей позволило повысить предел текучести исследованных материалов.

углеродных волокон, что входит в план дальнейших исследований.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № р_восток_а 09-03-98503).