CC BY
41
ударной вязкости при вариации содержания нанонаполнителя определяется постоянством уровня молекулярной подвижности.
Ключевые слова: нанокомпозит, углеродные нанотрубки (нановолокна), ударная вязкость, молекулярная подвижность, структура, фрактальный анализ.
Формат цитирования: Магомедов Г. М., Айгубова А. Ч., Козлов Г. В. Поведение при ударном нагруже-нии полимерных нанокомпозитов, наполненных углеродными нанотрубками (нановолокнами) // Известия Дагестанского государственного педагогического университета. Естественные и точные науки. Т. 10. №. 2. 2016. С. 12-16. (In Russian)
The Behaviour of Polymer Nanocomposites, Filled with Carbon Nanotubes (Nanofibers)
during Shock loading
© 2016 Gasan M. Magomedov 1, Azha Ch. Aygubova Georgy V. Kozlov 2
1 Dagestan State Pedagogical University, Makhachkala, Russia; e-mail: [email protected]; e-mail: [email protected] 2 Kh. M. Berbekov Kabardino-Balkarian State University, Nalchik, Russia; e-mail: [email protected]
Abstract. The authors research the behavior of nanocomposites with polypropylene/carbon nanotubes (nanofilaments) during shock loading within the frameworks of fractal analysis. They show that the impact toughness invariability at nanofiller contents variation is defined by the molecular mobility level constancy.
Keywords: nanocomposite, carbon nanotubes (nanofilaments), impact toughness, molecular mobility, structure, fractal analysis.
For citation: Magomedov G. M., Aygubova A. Ch., Kozlov G. V. The Behaviour of Polymer Nanocomposites, Filled with Carbon Nanotubes (Nanofibers) during Shock Loading. Dagestan State Pedagogical University. Journal. Natural and Exact Sciences. Vol. 10. No. 2. 2016. pp. 12-16. (In Russian)
Естественные и точные науки ••• 13
Natural and Exact Sciences •••
Ударная вязкость представляет собой одно из наиболее важных свойств полимеров, характеризующее поведение этих материалов в очень жестких условиях (высокая скорость нагружения совместно с часто наносимым жестким искусственным дефектом - надрезом) [10]. Поэтому исследованию поведения полимерных материалов в таких условиях всегда уделялось много внимания [1]. Особенно важным аспектом этих исследований является взаимосвязь структуры полимерных материалов и их ударной вязкости. Целью настоящей работы является структурный анализ ударной вязкости полимерных нанокомпозитов, наполненных углеродными нанотрубками (нановолокнами).
В качестве матричного полимера использован полипропилен (ПП) «Каплен» марки 01 030. Эта марка ПП имеет показатель текучести расплава 2,3-3,6 г/10 мин, молекулярную массу ~ (2-3)х105 и индекс полидисперсности 4,5.
В качестве нанонаполнителя использованы углеродные нанотрубки (УНТ) марки «Таунит», имеющие наружный диаметр 2070 нм, внутренний диаметр 5-10 нм и длину 2 мкм и более. В исследуемых нанокомпо-зитах ПП/УНТ содержание таунита варьировалось в пределах 0,25-3,0 масс. %. Кроме того, использованы многослойные углеродные нановолокна (УНВ) с числом слоев 20-30 нм и диаметром 20-30 нм с длиной порядка 2 мкм. Содержание УНВ в нано-композитах ПП/УНВ варьировалось в пределах 0,15-3,0 масс. %.
Нанокомпозиты ПП/УНТ и ПП/УНВ получены смешиванием компонентов в расплаве на двухшнековом экструдере Thermo Haake, модель Reomex RTW 25/42 производства ФРГ. Смешивание выполнено при температуре 463-503 К и скорости вращения шнека 50 об/мин в течение 5 мин. Образцы для испытаний получены методом литья под давлением на литьевой машине Test Sample Molding Apparate RR/TS MP
••• Известия ДГПУ. Т. 10. № 2. 2016
••• DSPU JOURNAL. Vol. 10. No. 2. 2016
фирмы Ray-Ran (Тайвань) при температуре 503 К и давлении 8 МПа.
Механические испытания на одноосное растяжение выполнены на образцах в форме двухсторонней лопатки с размерами согласно ГОСТ 112 62-80. Испытания проводились на универсальной испытательной машине Gotech Testing Machine CT-TCS 2000 производства ФРГ при температуре 293 К и скорости деформации ~ 2х10-3 с-1.
Ударные испытания по методу Шарпи выполнены на образцах размером 80х10х4 мм, имеющими V-образный надрез длиной 0,8 мм. Для этих испытаний был выбран маятниковый копер со шкалой энергии 1 Дж, чтобы на разрушение образца было израсходовано не менее 10 % и не более 80 % запаса энергии с расстоянием между опорами (пролетом) 60 мм. Для каждого испытания использовано не менее 5 образцов.
Как известно [3, 9], введение наполнителей (нанонаполнителей) в полимеры в общем случае приводит к повышению их хрупкости и, соответственно, к снижению ударной вязкости Ар. Это положение справедливо и для полимерных нанокомпозитов, наполненных углеродными нанотрубками [6]. Так, введение в аморфный полиамид (фенилон С-2) 3 масс. % УНТ снижает ударную вязкость образцов без надреза от 41,4 до 26,4 кДж/м2, т. е. более чем в 1,5 раза. Однако, для исследуемых нанокомпозитов ПП/УНТ и ПП/УНВ наблюдается несколько отличающееся поведение. Так, приведенная на рисунке 1 зависимость Ар от массового содержания нанонаполнителя WH для указанных нанокомпозитов показала, что вариация Ар по мере изменения WH невелика и близка к погрешности экспериментального определения Ар. Рассмотрим причины этого различия.
Рис. 1. Зависимости ударной вязкости Ар от массового содержания нанонаполнителя 'н для нанокомпозитов ПП/УНВ (1) и ПП/УНТ (2)
Как показал Кауш [5], ударная вязкость Ар полимерных материалов всегда растет по мере повышения уровня молекулярной подвижности в них. В рамках фрактального анализа указанный уровень можно оценить с помощью фрактальной размерности участка цепи между областями локального порядка (нанокластерами) ГЦ, которая варьируется в пределах 1-2 [3]. При ГЦ = 1 цепь полностью вытянута между точками ее фиксации (нанокластерами), и ее молекулярная подвижность подавлена. При ОЦ = 2 уровень молекулярной подвижности является максимальным и типичным для кау-чукообразного состояния полимеров [12]. Величину ОЦ можно рассчитать с помощью следующего соотношения [7]:
2 „д,
= С
(1)
Фк
где ф„ - относительная доля нанокласте-ров, Сш - характеристическое отношение, которое является показателем статистической гибкости полимерной цепи [4].
Параметры фкд и Сш можно определить следующим образом. Сначала рассчитывается фрактальная размерность ^ структуры нанокомпозита согласно уравнению [2]:
d ={d - 1)(1 + v),
(2)
где й - размерность евклидова пространства, в котором рассматривается фрактал (очевидно, в нашем случае й = 3), V - коэффициент Пуассона, оцениваемый по результатам механических испытаний с помощью соотношения [10]:
стг _ 1 - 2v
(3)
Ен 6(1 + ^
где аТ - предел текучести, Ен - модуль упругости нанокомпозита.
Далее величина Сш определялось согласно уравнению [7]:
С =_2^_,+4. (4)
d (d - l)(d - df) 3
И, наконец, параметр ф^ может быть оценен с помощью следующего соотношения [7]:
d7 = 3 - 6
Фк
Л
1/2
V
(5)
где 5 - площадь поперечного сечения макромолекулы матричного полимера, равная для ПП 27,9 Е2 [11].
В таблице 1 приведены значения фрактальной размерности ГЦ, рассчитанной со-
Естественные и точные науки •
Natural and Exact Sciences •••
гласно уравнениям (1)-(5), для исследуемых нанокомпозитов. Как можно видеть, наблюдается выполнение условия D^const, причем средняя величина 0ц для нанокомпозитов ПП/УНВ несколько выше (на 3,4 %), чем для ПП/УНТ. Такое соотношение величин 0ц отвечает соотношению значений Ар: последние также несколько выше для ПП/УНВ. Следовательно, для исследуемых нанокомпозитов условие определяется условием D^const.
Apwconst
Таблица 1 Структурные и механические характеристики нанокомпозитов ПП/УНТ и ПП/УНВ
Наноком-позит Wh, масс. % Ар, кДж/м2 фкл С, йц
ПП/УНТ 0 6,2 0,275 4,79 1,261
0,25 6,6 0,243 5,20 1,279
0,50 7,2 0,238 5,27 1,283
1,0 7,0 0,241 5,24 1,277
1,5 6,8 0,227 5,44 1,285
2,0 6,5 0,212 5,72 1,284
2,5 6,3 0,206 5,83 1,289
3,0 6,3 0,196 6,05 1,291
ПП/УНВ 0,15 7,5 0,208 5,55 1,324
0,25 8,4 0,204 5,63 1,321
0,50 7,0 0,198 5,74 1,324
0,75 6,6 0,185 6,02 1,326
1,0 6,3 0,181 6,13 1,325
1,5 6,3 0,175 6,26 1,328
2,0 6,3 0,177 6,21 1,328
2,5 6,0 0,175 6,26 1,328
3,0 5,8 0,177 6,21 1,328
Рассмотрим физические основания выполнения последнего условия. На рисунке 2 приведены зависимости фкл(Wн) и Сx(Wн) для нанокомпозита ПП/УНТ (для ПП/УНВ они имеют аналогичный вид (табл. 1)).
Как следует из графиков (рис. 2), указанные зависимости имеют противоположные
тенденции изменения по мере роста Wн: снижению фкл соответствует повышение Сш. Одновременная реализация этих двух эффектов определяет выполнение условия Сч«сош1 согласно уравнению (1).
Рис. 2. Зависимости относительной доли
нанокластеров фкл (1) и характеристического отношения (2) от массового содержания нанонаполнителя Wu для нанокомпозитов ПП/УНТ
Примерное постоянство ударной вязкости Ар при вариации содержания нанонаполнителя для нанокомпозитов ПП/УНТ и ПП/УНВ обусловлено неизменностью уровня молекулярной подвижности, характеризуемого фрактальной размерностью участка полимерной цепи между точками ее фиксации (нанокластерами) в указанных наноматериалах. В свою очередь, последнее условие определяется антибатным изменением уровня локального порядка и степени гибкости цепи полимерной матрицы при вариации содержания нанонаполнителя.
Литература
1. Бакнелл К. Б. Ударопрочные пластики. Л.: Химия, 1981. 328 с.
2. Баланкин А. С. Синергетика деформируемого тела. М.: Изд-во Министерства Обороны СССР, 1991. 404 с.
3. Башоров М. Т., Козлов Г. В., Микитаев А. К. Полимеры как естественные нанокомпози-ты: ударная вязкость и структура. Деформация и разрушение материалов. 2009. № 11. с. 37-39.
4. Будтов В. П. Физическая химия растворов полимеров. Спб.: Химия, 1992. 384 с.
5. Кауш Г. Разрушение полимеров. М.: Мир, 1981. 440 с.
6. Козлов Г. В., Буря А. И., Яновский Ю. Г., Липатов Ю. С. Фрактальные оценки механизма
усиления полимерных композитов углеродными нанотрубками. Механика композиционных материалов и конструкций. 2007. Т. 13. № 3. С. 331-340.
7. Козлов Г. В., Овчаренко Е. Н., Микитаев А. К. Структура аморфного состояния полимеров. М.: Изд-во РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2009. 392 с.
8. Козлов Г. В., Сандитов Д. С. Ангармонические эффекты и физико-механические свойства полимеров. Новосибирск: Наука, 1994. 261 с.
9. Козлов Г. В., Яновский Ю. Г., Карнет Ю. Н. Структура и свойства дисперсно-наполненных полимерных композитов: фрактальный анализ. М.: Альянстрансатом, 2008. 363 с.
••• Известия ДГПУ. Т. 10. № 2. 2016
••• DSPU JOURNAL. Vol. 10. No. 2. 2016
10. Малкин А. Я., Аскадский А. А., Коврига В. В. Методы измерения механических свойств полимеров. М.: Химия, 1978. 336 с.
11. Магомедов Г. М., Яхъяева Х. М. Релаксационные свойства полимерных композитных и нано-композитных материалов. М., 2015. 305 с.
resistant Plastics]. Leningrad, Khimiya Publ., 1981. 328 p. (In Russian)
2. Balankin A. S. Sinergetika deformiruemogo tela [Deformable body synergetics]. Moscow, the USSR Ministry of Defense Publ., 1991. 404 p. (In Russian)
3. Bashorov M. T., Kozlov G. V., Mikitaev A. K. Polymers as natural nanocomposites: impact toughness and structure. Deformatsiya i razrushenie ma-terialov [Deformation and fracture of materials]. 2009. No. 11. pp. 37-39. (In Russian)
4. Budtov V. P. Fizicheskaya khimiya rastvorov polimerov [Physical chemistry of polymer solutions]. Saint Petersburg, Khimiya Publ., 1992. 384 p. (In Russian)
5. Kaush G. Razrushenie polimerov [Destruction of polymers]. Moscow, Mir Publ., 1981. 440 p. (In Russian)
6. Kozlov G. V., Burya A. I., Yanovsky Yu. G., Lipa-tov Yu. S. Fractal evaluation of the mechanism of the reinforcement of polymer composites with carbon nanotubes. Mekhanika kompozitsionnykh materi-alov i [Mechanics of composite materials and structures]. 2007. Vol. 13. No. 3. pp. 331-340. (In Russian)
7. Kozlov G. V., Ovcharenko E. N., Mikitaev A. K. Struktura amorfnogo sostoyaniya polimerov [Struc-
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации
Магомедов Гасан Мусаевич, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой общей, экспериментальной физики и методики ее преподавания, факультет физики, математики и информатики (ФФМиИ), ДГПУ, Махачкала, Россия; email: [email protected]
Айгубова Ажа Чупановна, аспирант кафедры общей, экспериментальной физики и методики ее преподавания, ФФМиИ, ДГПУ, Махачкала, Россия; e-mail: [email protected]
Козлов Георгий Владимирович, старший научный сотрудник Управления научных исследований и инновационной деятельности (УНИИД), КБГУ им. Х. М. Бербекова, Нальчик, Россия; e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 15.02.2016 г.
12. Aharoni S. M. Correlations between chain parameters and failure characteristics of polymers below their glass transition temperature. Macromole-cules. 1985. Vol. 18. № 12. P. 2624-2630.
Mendeleev RChTU Publ., 2009. 392 p. (In Russian)
8. Kozlov G. V., Sanditov D. S. Angarmonicheskie effekty i fiziko-mekhanicheskie svoystva polimerov [Unharmonic effects and physical-mechanical properties of polymers]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1994, 261 p. (In Russian)
9. Kozlov G. V., Yanovsky Yu. G., Karnet Yu. N. Struktura i svoystva dispersno-napolnennykh po-limernykh kompozitov: fraktal'nyy analiz [Structure and properties of dispersion-filled polymer composites: fractal analysis]. Moscow, Alliancetransatom Publ., 2008. 363 p. (In Russian)
10. Malkin A. Ya, Askadsky A. A., Kovriga V. V. Metody izmereniya mekhanicheskikh svoystv polimerov [Methods of measurement of mechanical properties of polymers]. Moscow, Khimiya Publ., 1978. 336 p. (In Russian)
11. Magomedov G. M., Yakhyayeva Kh. M. Relaksatsionnye svoystva polimernykh kompozitnykh i nanokompozitnykh materialov [Relaxation properties of polymer composite and nano-composite materials]. M., 2015. 305 p. (In Russian)
12. Aharoni S. M. Correlations between chain parameters and failure characteristics of polymers below their glass transition temperature. Macromole-cules. 1985. Vol. 18. № 12. P. 2624-2630.
INFORMATION ABOUT AUTHORS Affiliations
Gasan M. Magomedov, Doctor of Physics and Mathematics, professor, the head of the chair of General, Experimental Physics and Its Teaching Methods, faculty of Physics, Mathematics and Informatics (FPMI), DSPU, Makhachkala, Russia; e-mail: [email protected]
Azha Ch. Aygubova, postgraduate, the chair of General, Experimental Physics and Its Teaching Methods, FPMI, DSPU, Makhachkala, Russia; e-mail: [email protected]
Georgy V. Kozlov, senior researcher, Department of Scientific Research and Innovation Activities (DSRIA), Kh. M. Berbekov KBSU, Nalchik, Russia; e-mail: [email protected]
Article was received 15.02.2016.
References
1. Bucknell K. B. Udaroprochnye plastiki [Impact- ture of the polymers amorphous state]. Moscow, D. I.
