CC BY
7УДК 66.017
DOI 10.24412/cl-37255-2024-1-184-187
РАЗРАБОТКА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА И ВОЛЛАСТОНИТА, СИНТЕЗИРОВАННОГО ИЗ РИСОВОЙ ШЕЛУХИ
Данилова С.Н.1, Готлиб Е.М.2, Ямалеева Е.С.2, Иванова Л.Н.1, Охлопкова А.А.1 1 Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова, г. Якутск 2Казанский национальный исследовательский технологический университет, г. Казань
E-mail: [email protected]
Аннотация. В данной работе показано влияние волластонита на механические и трибологические свойства полимерных композиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Волластонит был получен из золы рисовой шелухи., которая состоит, в основном, из активного аморфного диоксида кремния. Установлено, что введение волластонита способствует повышению предела прочности при растяжении и модуля упругости на 12% относительно не наполненного полимера. Выявлено, что волластонит содержащие композиты характеризуются повышенным значением износостойкости, так наблюдается снижение скорости массового изнашивания на 36% и коэффициента трения на 29%.
Ключевые слова: полимерный композиционный материал, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, волластонит, рисовая шелуха, зола рисовой шелухи.
Как правило [1], композиционный материал состоит из двух фаз: один компонент составляет связующую матрицу, а другой компонент - дисперсную фазу (наполнитель). Основой композиционного материала могут быть как металлические, так и неметаллические компоненты, и дополнительные усиливающие агенты. Композиционные материалы на неметаллической матрице, а именно, полимеры, широко распространены и используются практически во всех областях машиностроения [2].
Полимерные композиции на основе СВМПЭ из-за уникальных эксплуатационных параметров являются одним из универсальных конструкционных материалов, предназначенных для применения в условиях агрессивных сред (нефти, масел, смазок, топлива, кислот и щелочей и др.) и низких температур.
Увеличение числа исследований, направленных на создание новых ПКМ, в том числе на основе СВМПЭ, и технологий их переработки, свидетельствует о возросшем теоретическом и прикладном интересе к такому классу материалов. Однако СВМПЭ не обладает достаточно высокими значениями износостойкости и модуля упругости, поэтому стоит вопрос его модификации. Введение в полимерные матрицы различного рода наполнителей является наиболее доступным и дешевым методом модификации полимеров. Используемые наполнители представляют собой либо дисперсные частицы, либо волокна нано- или микронных размеров, которые должны обладать повышенными значениями прочности по сравнению с исходной полимерной матрицей. Введение наполнителей значительно улучшает исходные характеристики полимерной матрицы, поэтому природа, форма и размеры частиц используемого наполнителя играет существенную роль при формировании ПКМ с заданными свойствами [3].
Одним из перспективных наполнителей для модификации полимерных матриц выступает волластонит. Волластонит является метасиликатом кальция и встречается в щелочных магматических породах [4]. Однако, природный волластонит, залежи которого встречаются в Индии, Финляндии, Австралии, Китае, Сербии, Греции и России, не свободен от примесей, вследствие этого кристаллическая решетка и свойства его изменены. Поэтому возникает необходимость синтеза волластонита, благодаря чему можно варьировать его структуру и состав, в особенности, необходимого для этого наполнителя соотношения длины к диаметру иголок.
Известно [5], что волластонит можно синтезировать гидрохимическими методом в растворе при комнатной температуре, гидротермальным методами в автоклаве за счет водяного давления, методом твердофазных прямых реакций. Наиболее перспективными исходными
компонентами для синтеза волластонита выступают отходы промышленного и сельскохозяйственного производства такие, как: рисовая шелуха, боро-, фтор- и фосфогипс, нефелиновые шламы и др. [6].
В настоящее время в мире наблюдается рост объема отходов производства рисовой крупы, поэтому стоит острая экологическая проблема их утилизации [7]. Исходя из этого рационально использование для синтеза волластонита золы рисовой шелухи, которая в качестве основного компонента содержит аморфный диоксид кремния.
Целью работы является исследование влияние волластонита, синтезированного из золы рисовой шелухи, на механические и трибологические свойства сверхвысокомолекулярного полиэтилена.
В качестве полимерной матрицы использовали сверхвысокомолекулярный полиэтилен марки GUR-4150 (Celanese, Китай) с молекулярной массой 8,7 млн. г/моль. Волластонит был синтезирован из золы рисовой шелухи и оксида кальция из известняка твердофазным методом при температуре 900°С в течение 3 ч. [8]. Композиционные смеси получали на лопастном смесителе в сухом виде при скорости вращения лопастей 2400 об/мин. Композиты для исследований изготавливали методом горячего прессования на гидравлическом прессе ПКМВ-100 при температуре 175°С и давлении 10 МПа, при выдержке в течение 20 мин. Концентрация волластонита ^(мас.), %) в ПКМ составила: 0,5, 1, 2, и 5 мас.%. Механические свойства ПКМ исследовали на универсальной машине (Shimadzu, Япония) согласно ГОСТ 11262 и ГОСТ 9550. Трибологические параметры ПКМ определяли на приборе ЦМТ-3 (СЕТЯ, США) при удельной нагрузке 1,9 МПа и линейной скорости скольжения 0,5 м/с по схеме трения «палец-диск» в течение 3 ч. Коэффициент трения исследовали согласно ГОСТ 11629.
Результаты исследований механических свойств ПКМ представлены на рис. 1.
1г(млс.), % 1г(мас.), % 11 (4111'.}, %
Рисунок 1 - Зависимость относительного удлинения при разрыве (а), предела прочности при растяжении (б) и модуля упругости (в) ПКМ от содержания волластонита
На основании проведённых исследований установлено, что композиты, наполненные вол-ластонитом, отличаются некоторым увеличением значений прочности при растяжении и модуля упругости на 12%, относительно исходного СВМПЭ. Однако, наблюдается снижение значений относительно удлинения при разрыве ПКМ, которое при введении 5 мас. % волластонита достигает 20%. Снижение эластичности ПКМ при растяжении может быть обусловлено неравномерным распределением волластонита в объеме полимера, т. е. наличием агломератов наполнителя, что приводит к дефектной структуре композита. Кроме того, гетерогенная совместимость СВМПЭ и волластонита может быть слабовыраженной, поэтому зона взаимодействия между компонентами ПКМ действует как дополнительные концентраты напряжения, способствуя преждевременному расслаиванию полимера от поверхности волластонита.
В то же время наличие волластонита способствует повышению прочности и жесткости СВМПЭ материала, что объясняется армирующим эффектом твердых частиц. Таким образом, частицы волластонита увеличивают жесткость аморфной части полимера, в результате чего наблюдается увеличение значений модуля упругости и снижение эластичности ПКМ [9].
Значение коэффициента трения и скорости массового изнашивания СВМПЭ и ПКМ приведены на рис. 2.
СВМПЭ 0,5 1 2 5 СВМПЭ 0S5 1 2 5
1фшс.), % п (мас.), %
Рисунок 2 - Зависимость коэффициента трения (а) и скорости массового изнашивания (б) СВМПЭ
и ПКМ от содержания волластонита
Исходя их рис. 2 видно, что ПКМ, содержащий 0,5 мас. % волластонита, характеризуется снижением скорости массового изнашивания на 36%, по сравнению с исходным полимером. Выявлено, что при концентрации 1 и 2 мас. % волластонита скорость массового изнашивания остается на уровне исходного СВМПЭ в пределах ошибки измерения.
При увеличении концентрации волластонита на 5 мас. % отмечается некоторое увеличение скорости массового изнашивания на 14%, что указывает на превышение оптимальной концентрации волластонита в СВМПЭ. Уставлено, что увеличение концентрации волластонита в композите сопровождается снижением коэффициента трения. Максимальное снижение коэффициента трения зафиксировано при содержании волластонита 5 мас. %, которое составило 29%. Это свидетельствует о том, что частицы волластонита не выступают в качестве абразивных частиц при трении, а действуют как твердый смазочный материал. Можно предположить, что волластонит участвует в ориентационных эффектах при изнашивании, образуя при этом экранирующий слой на поверхности трения ПКМ. Тем самым облегчаются релаксационные эффекты и процессы скольжения при трении, при этом снижаются сдвиговые напряжения удельной нагрузки.
На основании проведённых исследований можно сформулировать следующий вывод, что волластонит, синтезированный из золы рисовой шелухи, способствует повышению прочности, жесткости и износостойкости композиционных материалов на основе СВМПЭ. Для более подробного объяснения полученных результатов планируются дальнейшие исследования структуры и термодинамических параметров ПКМ.
Список литературы
1. Бондалетова Л.И. Полимерные композиционные материалы (часть 1). Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2013. 118 с.
2. Максименко В.Н., Олегин И.П., Пустовой Н.В. Методы расчета на прочность и жесткость элементов конструкций из композитов. Новосибирск: Издательство НГТУ, 2015. 424 с.
3. Кербер М.Л., Виноградов В.М., Головкин Г.С. и др. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие / под ред. А.А. Берлина. СПб.: Профессия, 2008. 560 с.
4. Tulyaganov D.U., Dimitriadis K., Agathopoulos S., Baino F., Fernandes H.R. Wollastonite-containing glass-ceramics from the CaO-AhO3-SiO2 and CaO-MgO-SiO2 ternary systems // Open Ceramics. 2023. Vol. 17. P. 100507.
5. Risbud M.V., Hambir S., Jog J., Bhonde R. Biocompatibility assessment of polytetrafluoroeth-ylene/wollastonite composites using endothelial cells and macrophages // Journal of Biomaterials Science. Polymer Edition. 2001. Vol. 12, No 11. P. 1177-1189.
6. Yu J.H., Li C., Yao Q. S. Study on the performance of wollastonite modified PTFE composite material // Advanced Materials Research. 2015. Vol. 1089. P. 28-32.
7. Готлиб Е.М., Ямалеева Е.С., Твердов И.Д., Мишагин К.А., Ха Ф.Т.Н. Применение рисовой шелухи как сырья для получения волластонит-и диопсидсодержащих наполнителей // Сборник «Экология родного края: проблемы и пути их решения». Материалы XVIII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Киров, 2023. С. 418-421.
8. Готлиб Е.М., Твердов И.Д., Ха Т. Н.Ф., Ямалеева Е.С. Волластонит и диопсид содержащие наполнители эпоксидных материалов на основе сельскохозяйственных и техногенных отходов // Вестник технологического университета. 2022, Т. 25, № 8. С. 164-174.
9. Данилова С.Н., Васильев А.П., Дьяконов А.А. и др. Разработка высокопрочных материалов на основе СВМПЭ, модифицированного 2-меркаптобензтиазолом // Авиационные материалы и технологии. 2020. № . 3(60). С. 10-18.
УДК 539.19
DOI 10.24412/cl-37255-2024-1-187-190
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МАЛЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ МЕТАНОЛА
НА РОСТ ГИДРАТОВ
Жданов Р.К.12, Гец К.В.12, Божко Ю.Ю.12 , Белослудов В.Р.12 1 Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск 2 Институт неорганической химии им. Николаева СО РАН, г. Новосибирск
E-mail: [email protected]
Аннотация. Методами классической молекулярной динамики было исследовано влияние малых доз метанола (0.5 и 1.0 мас. %) на кинетику роста гидрата метана из обычной и морской воды. В работе было показано, добавление метанола позволяет добиться сокращения времени начала роста гидрат-ной структуры, в сравнении со системами без метанола, эффект наблюдался как для обычной воды, так и для морской. Помимо этого, метанол проявляет свойства кинетического промотора. Ключевые слова: молекулярная динамика, метан, кинетика, метанол.
В последнее время наблюдается интенсификация разработки морских нефтегазовых месторождений вдали от береговой линии. Это делает океан еще более перспективным источником ресурсов [1, 2]. Исследование и разработка таких месторождений требует иных подходов и технических решений из-за более суровых условий на большой глубине, нежели используется в современной шельфовой разработки. Большое давление и низкая температура воды на морском с большой долей вероятности являются подходящими для образования клатратных гидратов большинства простых углеводородов, таких как метан и др., что в свою очередь создает дополнительные проблемы для глубоководного бурения. При этих условиях практически любой газ, выделяющийся в процессе бурения или эксплуатации, способен привести к быстрой закупорке скважины или блокированию к ней свободного доступа из-за образовавшегося гидрата. Разложение же гидрата может привести к образованию большого количества газа, который может нарушить процесс эксплуатации. Таким образом имеются значительные риски при эксплуатации и разработке глубоководных нефтегазовых скважин, связанные с гид-рато-формированием, что требует наличия возможности контролировать и управлять данным процессом [3, 4]. Несмотря на проблемы, возникающие из-за гидратов в определенных сферах деятельности, нельзя не отметить их большое удельное содержание газа в структуре, что можно использовать, например, для хранения и транспортировки различных газов. Однако
