КОМПОЗИЦИИ ТРУБНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА С УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ ДЛЯ РЕГИОНОВ СЕВЕРА РОССИИ

 

COMPOSITIONS OF TUBAL POLYETHYLENE WITH CARBON FIBRES FOR NORTH REGIONS OF THE RUSSIA

 

Петухова Е.С., Саввинова М.Е., Соловьева С.В. (ФГБУН Институт проблем нефти и газа СО РАН, г. Якутск, РФ)

Petuhova E.S., Savvinova M.E.,.Solovieva S.V (Institute of oil and gas problems of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Yakutsk, Russia)

 

В статье рассмотрены технологические аспекты введения дисперсно-армирующего наполнителя в полимерную матрицу, представлены результаты исследования физико-механических характеристик композитов на основе трубного полиэтилена марки ПЭ80Б и модифицированных и немодифицированных рубленных углеродных волокон.

In the article technological aspects of introduction of a disperse reinforcing filler in a polymeric matrix are considered, results of research of physicomechanical characteristics of composites on the basis of tubal mark polyethylene PE80B and the modified and not modified minced carbon fibers are presented.

 

Ключевые слова: трубный полиэтилен, рубленное углеродное волокно, адгезия, поверхностная модификация.

Keywords: tubal polyethylene, minced carbon fiber, adhesion, superficial modification.

 

В настоящее время, подавляющее большинство трубопроводов сооружается с использованием металлических труб. Основными причинами выхода из строя металлических труб в северных условиях являются воздействия грунта (пучения, морозобойные трещины), коррозия, низкие температуры и перепады температур, обусловленные климатическими особенностями и геокриологическими процессами.

С другой стороны, не вызывает сомнений тот факт, что потребность в трубопроводном транспорте для освоения минеральных ресурсов северных регионов России все более возрастает. Особенно актуальным становится вопрос о применении неметаллических труб, так как их эксплуатационные характеристики позволят существенно повысить надежность инженерных сооружений, увеличить срок службы трубопроводов и, соответственно, уменьшить затраты на доставку нефти, газа или воды.

В настоящее время широкое применение нашли полиэтиленовые трубы. При этом полиэтилен высокой плотности является одним из основных материалов для изготовления трубопроводов различного назначения. Однако, рассматривая вопрос применения полиэтиленовых труб на севере России, проектировщики сталкиваются с нормативными ограничениями, обусловленными снижением прочностных характеристик труб при температуре окружающего воздуха ниже минус 15 °С. Решением проблемы авторы работы считают создание дисперсно-армированных углеродным волокном полимерных композиционных материалов трубного назначения.

Анализ проблем, возникающих при разработке материалов конструкционного назначения, выявлены приоритетные направления, связанные с созданием дисперсно-армированных материалов на полимерной основе, а именно:

- разработка технологии изготовления изделий, позволяющей максимально полно реализовать анизотропные свойства волокон, обеспечить необходимую адгезию к полимерной матрице и равномерное распределение волокон по объему материала при переработке ПКМ методом экструзии;

- целенаправленный выбор состава ПКМ, способствующего достижению высокого значения служебных характеристик.

При совмещении углеродных наполнителей с полимером необходимо учитывать следующие основные моменты. С одной стороны, необходимо сохранять физическую целостность наполнителя без разрушения его структуры. С другой стороны, необходимым условием равномерного распределения частиц наполнителя в полимерном связующем является интенсивное перемешивание компонентов ПКМ. Кроме этого, следует учесть, что процессы смешивания компонентов ПКМ в экструдере и получение гомогенной смеси затруднены вследствие склонности волокон к агломерации [1-3]. С учетом всех перечисленных выше особенностей переработки композитов с волокнистым наполнителем была предложена технологическая схема получения дисперсно-армированного полиэтилена, суть которой сводилась к получению гранулированного материала, из которого методом экструзии изготавливались опытные образцы.

Переработка композиционного материала осуществлялась на пластикордере «BRABENDER». Получение волокносодержащих гранул производилось в 2 приема. На первом этапе изготавливали смесь полиэтилена марки ПЭ80Б и рубленных углеродных волокон в расплаве при температуре 180 °С и скорости вращения  валков - 30 об/мин, продолжительность смешения составляла 10 минут. Затем полученную  композиционную смесь механически измельчали до размеров стандартного гранулированного материала (2-5мм). Полученные гранулы экструдировали при температуре 180 °С и скорости вращения валков 15 об/мин.

Предлагаемая схема получения достаточно легко реализуема в промышленном масштабе, т.к. дополнительных стадий в процессе получения композитов не требуется, и переработка осуществляется на стандартном экструзионном оборудовании.

Также при разработке трубных материалов на основе ПЭ80Б и рубленных (дисперсных) углеродных волокон возникают трудности, связанные с созданием монолитной системы полиэтилен – волокно, определяющейся слабым адгезионным (межфазным) взаимодействием на границе раздела компонентов композита. В качестве решения задачи в работе предложено использовать 2 основных подхода. Первый подход заключался в использовании бинарного углеродного наполнителя: рубленное углеродное волокно – как основной армирующий наполнитель и наноуглеродное волокно как усилитель адгезии. Второй подход предусматривал наращивание наноуглеродных волокон непосредственно на поверхности рубленного армирующего наполнителя для обеспечения локального межфазного концентрирования усилителя адгезии и создания дополнительных физико-химических связей волокно-полиэтилен.

Результаты электронно-микроскопического исследования композитов армированных модифицированным и немодифицированным углеродным наполнителем приведены на рисунке 1.

а

б

 

в

г

Рисунок 1 – Микрофотографии полиэтиленовых дисперсно-армированных композитов, содержащих немодифицированное (а, б) и модифицированное     (в, г) рубленное углеродное волокно

 

Видно, что композиты, содержащие поверхностно-модифицированный наполнитель, характеризуются мостиковыми связями волокно-полиэтилен,  в то время как немодифицированные волокна расположены в полимерной матрице в плотноупакованном состоянии, мостиковые сцепления отсутствуют.

Исследование физико-механических характеристик  показало (таблица 1), что поверхностная модификация дисперсно-армирующего наполнителя полиэтилена, позволяет получить материал с улучшенными эластическими свойствами, а также со значениями предела текучести на 23 % больше, чем у исходного полиэтилена. Применение бинарного наполнителя также позволяет существенно повысить предел текучести и модуль упругости полиэтилена, однако эластические характеристики имеют низкие значения.

 

Таблица 1 – Физико-механические характеристики дисперсно-армированных полиэтиленовых композитов

 

 

Материал

Предел текучести при растяжении, МПа

Удлинение при пределе текучести, %

Модуль упругости, МПа

Удлинение при разрыве, %

ПЭ80Б

21,2

7,3

986,0

620,0

ПЭ80Б+10,0 мас.% немодиф. УВ

23,8

3,1

1499,0

19,3

ПЭ80Б+10,0 мас.% УВ + 1,0 мас.% НВ

25,8

3,0

1626,0

18,8

ПЭ80Б+10,0 мас.% модиф. УВ

26,3

6,5

1323,0

164,1

УВ – углеродные волокна; НВ – наноуглеродные волокна

 

Таким образом, поверхностная модификация дисперсно-армирующего наполнителя является перспективным приемом для создания композитов с улучшенными физико-механическими характеристиками. Дальнейшая работа предусматривает применение технологии травления наполнителя.

 

Список использованных источников

1.      Фитцер Э., Дифендорф Р., Калнин И. и др. Углеродные волокна и углекомпозиты: Пер. с англ./ Под ред. Э. Фитцера. – М.: Мир, 1988. – 336 с.

2.      Симамуры С. Углеродные волокна. – М.: Мир, 1987. – 304 с.

3.      Семенова Е.С., Саввинова М.Е., Соколова М.Д. Влияние наполнителей различной природы на свойства полиэтилена марки ПЭ80Б / Ремонт, Восстановление и модернизация. -2011. -№3. - С. 5-8.