ПРИМЕНЕНИЕ МАКРОУГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ТРУБНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА ПЭ80Б[1]

 

Семенова Е.С., Саввинова М.Е., Соловьева С.В.

(ИПНГ СО РАН, г. Якутск, РФ)

 

In the article results of physicomechanical characteristics research of composites on the basis of the mark polyethylene trumpet PE80B which has been disperse-reinforced by macrocarbon fibres are stated. It is established that efficiency of reinforcing influence of macrocarbon fibres on the polymer matrix is defined by their superficial characteristics – a specific surface and presence of microdefects.

 

Для модифицирования пластмасс используется большое число наполнителей, отличающихся по свойствам, морфологии и содержанию в композите, позволяющих в широких пределах регулировать многие физические, технологические и эксплуатационные свойства пластмасс.

Ассортимент дисперсных наполнителей гораздо шире, чем волокнистых. Однако, комплекс свойств, обеспечиваемый композитам волокнистыми наполнителями, уникален. Набор ценных характеристик существенно расширяет спектр технологических и эксплуатационных свойств углепластиков, которые в настоящее время являются наиболее перспективными материалами для аэрокосмической отрасли, скоростного транспортного машиностроения и судостроения, для трубопроводов и емкостей хранения продуктов газонефтехимического комплекса.

Данная работа направлена на решение задач, включающих выбор рациональных составов дисперсно-армированных полимерных композиционных материалов на основе трубного полиэтилена марки ПЭ80Б и получение 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 полиакрилнитрила), производства ООО «НПЦ» УВИКОМ.

Исследование физико-механических характеристик полиэтиленовых композитов при растяжении производилось согласно ГОСТам 11262-80, 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.

 

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

Материал

σт, МПа

εт, %

Е, МПа

εр, %

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

σт – предел текучести при сжатии; εт – удлинение при пределе текучести; Е – модуль упругости; εр – удлинение при разрыве

 

Показатель трещиностойкости КIC – критический коэффициент интенсивности напряжений (КИН) материала определялся в испытаниях на кратковременную прочность при растяжении образцов-полосок (6,56´16,4´120 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 (sт), 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 пяти образцов полиэтиленового композита. Результаты исследования приведены в табл.2.

 

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

Материал

К, МПа/м½

ПЭ80Б

5,43

ПЭ80Б+10,0 мас.% УВИС АК-П

4,74

ПЭ80Б+10,0 мас.% УКН-М

6,16

 

Установлено, что применение углеродных волокон марки УКН-М приводит к повышению значений показателя трещиностойкости, введение в полимерную матрицу волокна марки УВИС АК-П приводит к снижению исследуемого показателя.

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

Длина, мм

Диаметра, 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.

 

а

б

в

г

Рисунок 1 - Микрофотографии углеродных волокон: УВИС АК-П (а, б), УКН-М (в, г)

 

Видно, что углеродные волокна марки УВИС АК-П имеют бездефектную поверхность с продольными желобками. Углеродные волокна марки УКН-М 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, 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, показано, что применение углеродных волокон марки УВИС АК-П позволяет существенно повысить прочностные характеристики ПЭ80Б при растяжении. Применение волокон марки УКН-М, в свою очередь, позволяет повысить как прочностные характеристики, так и трещиностойкость полиэтилена. Различное воздействие применяемых волокон на свойства полимерного связующего объясняются поверхностными характеристиками углеродного материала.



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