Полимерные нанокомпозиты методическое руководство

3.Механическиесвойствананокомпозитов,содержащиенаноглины.

4.Влияние на термические, барьерные и огнестойкие свойства полимера добавка органоглины.

Лабораторная работа № 5

Получение нанокомпозитов на основе углеродных наноматериалов

Дисперсные формы углерода широко применяются в качестве наполнителей для различных полимерных материалов, и при этом могут иметь различное функциональное назначение.

Для наполнения полимеров используются различные углеродные модификаторы: сажа, графит, углеродные нанотрубки. При этом нанодисперсные формы углерода включают в себя, прежде всего, фуллерены – молекулы каркасного строения преимущественно сферической формы состава С60 или С70 (другие варианты встречаются реже) и нанотрубки – протяжные цилиндрические структуры, которые могут иметь как одну, так и несколько стенок, по сути, нановолокна. И те и другие получают путем разделения фуллеренновой сажи – продукта пиролиза графита в дуговом разряде. Более перспективным, следует признать методы синтеза, основанные на осаждении из газовой фазы, например при пиролизе органических соединений, таких как бензол, в присутствии водорода. При этом существуют технологии синтеза углеродных нанотрубок, основанные на пиролизе в специальных условиях аэрозолей некоторых органических веществ. Данные технологии позволяют снизить стоимость углеродных нанотрубок и повысить качество и ассортимент выпускаемой продукции.

Из перечисленных углеродных модификаторов, углеродные нанотрубки – наиболее перспективный нанонаполнитель для формирования полимерных наноматериалов, т.к. свойства композиционных материалов, наполненных углеродными нанотрубками, должны быть подобны свойствам других волоконно-наполненных материалов.

Цель работы. Изучение методики получения нанокомпозитных полимерных материалов на основе углеродных наномодификаторов.

Исходные материалы и оборудование: экструдер гранулятор,

полиолефин (ПЭВП, ПЭНП, ПП и т.д.), технический углерод (размер частиц 20–50 нм).

11

Выполнение работы

Предварительно взвешивают исходные вещества полимер (196, 190, 180 г) и технический углерод (4, 10, 20 г) для получения нанокомпозитов. Взвешенные порошки полимера и технического углерода перемешивают в смесителе при комнатной температуре. Приготовленную смесь экструдируют с помощью двухшнекового экструдера. Двухшнековый экструдер L/D = 42, диаметр шнека 25 мм, вращение шнеков сонаправленное. Температуру материального цилиндра устанавливают для ПЭВП от 180 до 195 °С, для ПЭНП от 175 до 185 °С. Смешение проводят при постоянной скорости вращения шнеков 15–25 об/мин в течение 5–7 мин. Полученные экструдаты гранулируют и используют для выполнения других лабораторных работ.

Контрольные вопросы

1.Аллотропные формы углерода: фуллерены, детонационные наноалмазы и углеродные нанотрубки.

2.Структура углеродных нанотрубок и других углеродных наноматериалов.

3.Химические свойства углеродных наноматериалов.

4.Основныеспособыполученияуглеродныхнаномодификаторов.

5.Механические свойства углеродных нанотрубок и нанокомпозитов на их основе.

Лабораторная работа № 6

Изготовление образцов на основе полимерных нанокомпозитов литьем под давлением

Литье под давлением – наиболее распространенный способ переработки полимерных материалов, так как позволяет получать изделия различной конфигурации. Он применяется как в производстве небольших деталей, так и для изготовления изделий большого размера. В большинстве случаев изготовленные по этой технологии изделия не требуют дополнительной обработки.

Литье под давление – периодический процесс, который позволяет перерабатывать все без исключения полимерные материалы, в том числе и полимерные нанокомпозиты. Технологические операции при литье под давлением выполняются в определенной последова-

12

тельности по замкнутому кругу. В частности, технологический процесс литья изделий из термопластичных полимеров состоит из следующих операций: 1) плавление, гомогенизация и дозирование полимера; 2) смыкание формы; 3) подвод узла впрыска к форме; 4) впрыск расплава; 5) выдержка под давлением и отвод узла впрыска; 6) охлаждение изделия; 7) раскрытие формы и извлечения изделия.

Цель работы. Изучение методики изготовления полимерных образцов для испытаний методом литья под давлением.

Исходные материалы и оборудование: полимерные композит-

ные материалы, литьевая машина, прессформы.

Выполнение работы

Перед началом изготовления образцов материальный цилиндр и подложку нагревают до нужной температуры, которая зависит от полимерного материала (например, для ПЭВП – материальный цилиндр до

200–210°С, подложку 60 °С, для ППдо 230–240 и 60 °С, для ПА-6 – 270

и 90 °С. Выдерживают температуру в течение 15 мин, а затем в центральный канал загружают полимерный материал и спустя 2–3 мин, когда установиться необходимая температура материала, опускают шток литьевой машины под давлением. Давление смыкания формы – 8 бар.

После приложения давления, расплав полимерного материал начинает выдавливаться через сопло литьевой машины в гнездо литьевой формы. Выдерживается определенное время (20–40 с) под давлением. Поднимают шток литьевой машины и охлаждают пресс-форму в течение 30–60 с. Раскрывают форму и извлекают образец. В зависимости от полимерного материала и формы изготавливаемого образца (лопатки, диски, бруски ) технологические режимы литья могут быть изменены.

Контрольные вопросы

1.Суть метода изготовления изделий из полимерных материалов литьем под давлением.

2.Литьевые машины.

3.Основные технологические этапы литья под давлением.

4.Особенности изготовления изделий из нанокомпозитов лить-

ем под давлением.

13

Лабораторная работа № 7

Определение прочности и удлинения нанокомпозитов при растяжении

Пределом прочности при растяжении называется способность материала оказывать сопротивление действию разрушающего напряжения при растяжении до момента разрушения образца и характеризуется величиной разрушающего напряжения.

Сущность метода заключается в определении величины разрушающей силы при растяжении образца, имеющего определенную форму и размеры, и выражается в МПа или кг/см2.

Одновременно с разрушающим напряжением определяют величину относительного удлинения образца при разрыве в процентах к первоначальной длине образца.

Для испытаний применяют образцы в виде лопаток. Размеры лопаток, мм: 1–2×80; 2–4×80. Образцы изготавливают механической обработкой листов, пластин или литьем под давлением. Образцы должны иметь гладкую ровную поверхность, без вздутий, сколов, трещин, раковин и других видимых дефектов. Для испытаний используют не менее пяти образцов. Образцы кондиционируют не менее 16 ч при температуре 23±2 °С и относительной влажности 50±5 %. При этом время от окончания изготовления формованных образцов до их испытания должно составлять не менее 16 ч, включая и время на их кондиционирование.

Цель работы. Изучение методики определения разрушающего напряжения при растяжении и относительного удлинения при разрыве полимерных материалов.

Исходные материалы и оборудование: образцы (лопатки) по-

лимерных материалов; разрывная машина.

Выполнение работы

Перед испытанием на центральную часть образца наносят метки, ограничивающие расчетную длину l0, которая должна быть не менее 50 мм. Метки не должны ухудшать качество образцов или вызывать разрыв образцов в местах меток.

Толщину и ширину образцов измеряют в трех местах, в середине и на расстоянии 5 мм от меток. Из полученных значений вычисляют средние арифметические величины, по которым вычисляют начальное поперечное сечение А0. Образцы у которых минимальное и максимальное значения толщины или ширины различаются более чем на 0,2 мм. не испытывают.

14

Образцы закрепляют в зажимы испытательной машины по меткам, определяющим положение кромок зажимов таким образом, чтобы продольные оси зажимов и ось образца совпадали между собой и направлениям движения подвижного зажима. Зажимы равномерно затягивают, чтобы исключалось скольжение образца в процессе испытания, но при этом не происходило его разрушения в месте закрепления. Испытания проводят при скорости раздвижения зажимов испытательной машины 10 мм/мин.

Значения прочности (σ) в МПа вычисляют по формулам: прочность при растяжении (σрм), σрм = Fрм/А0; прочность при разрыве (σрр), σрр = Fрр/А0;

предел текучести при растяжении (σрт), σрт = Fрт/А0,

где Fрм – максимальная нагрузка при испытании на растяжение, Н; Fрр

– нагрузка, при которой образец разрушился, Н; Fрт – растягивающая нагрузка при достижении предела текучести, Н; А0 – начальное поперечное сечение образца, мм2.

За результат испытания принимают среднее арифметическое не менее пяти определений, вычисляемое до третьей значащей цифры. Полученные результаты записывают в таблицу.

Относительное удлинение при разрыве (εр) в процентах вычисляют по формуле:

εр = (Δlор/l0)×100%,

где Δlор – изменение расчетной длины образца в момент разрыва, мм; l0 – начальная расчетная длина образца, мм. При измерении удлинения по изменению расстояния между зажимами в момент разрыва, относительное удлинение в процентах вычисляют по формуле:

εр = (Δlор/lэкв)×100%,

где Δlор – изменение расстояния между зажимами в момент разрыва, мм; lэкв – эквивалентная длина образца, равная 50 мм для образцов типов лопаток.

За результат испытания принимают среднее арифметическое не менее пяти определений, округленное до двух значащих цифр. Все полученные результаты записывают в виде таблицы.

15

Деформационно-прочностные свойства полимерных нанокомпозитов при растяжении

Контрольные вопросы

1.Разрушениеполимерныхматериалов.Основныевидыразрушения.

2.Зависимостьдеформацииполимерныхматериаловотнапряжения.

3.Температура хрупкости ифакторы, влияющие на нее.

4.Диаграмма разрушения кристаллических полимеров.

Лабораторная работа № 8

Определение модуля упругости нанокомпозитов при растяжении

Модулем упругости называется отношение нормального напряжения к соответствующему относительному удлинению при простом растяжении или изгибе образца. Выбор характера деформации для определения модуля упругости определяется свойствами пластмасс. Для пластмасс, изготовленных методом литья под давлением или экструзией, определяют модуль упругости по испытаниям на растяжение. Для пластмасс, изготовляемых прессованием из пресспорошков, модуль упругости определяется по испытаниям на изгиб. Модуль упругости образцов, изготовленных механической обработкой из листовых и слоистых пластмасс, можно определять по испытаниям, как на растяжение, так и на изгиб.

Для испытаний применяют образцы в виде лопатки или прямоугольной полоски. Размеры лопаток, мм: 2×115 или 4×150. Размеры применяемых полосок: ширина от 10 до 25 мм, длина не менее 150 мм. Образцы изготавливают механической обработкой листов, пластин или литьем под давлением. Образцы должны иметь гладкую ровную

16

поверхность, без вздутий, сколов, трещин, раковин и других видимых дефектов. Для испытаний используют не менее пяти образцов. Образцы кондиционируют не менее 16 ч при температуре 23±2 °С и относительной влажности 50±5 %. При этом время от окончания изготовления формованных образцов до их испытания должно составлять не менее 16 ч, включая и время на их кондиционирование.

Цель работы. Изучение методики определения модуля упругости полимерных материалов.

Исходные материалы и оборудование: образцы (лопатки) по-

лимерных материалов, разрывная машина.

Выполнение работы

Образец полимерного материала закрепляют в машину так, чтобы продольные оси зажимов и ось образца совпадали с линией, соединяющей точки крепления зажимов на разрывной машине. На образце, закрепленном в зажимах, производят установку и настройку прибора для измерения удлинения. Образец нагружают при скорости раздвижения зажимов испытательной машины, обеспечивающей скорость деформации образца (1,0 ±0,5) % в минуту. Нагружение осуществляют до величины относительного удлинения 0,5 %.

Если образцы разрушаются до достижения относительного удлинения 0,5 %, нагружение производят до меньшей величины деформации. По диаграмме определяют значения нагрузки, соответствующие величинам относительного удлинения 0,1 и 0,3 %. Модуль упругости при растяжении (Ер) в МПа вычисляют по формуле:

,

где F2 – нагрузка, соответствующая относительному удлинению 0,3 %, Н; F1 – нагрузка, соответствующая относительному удлинению 0,1 %, Н; l0 – расчетная длина образца, мм; А0 – площадь начального поперечного сечения образца, мм2; ∆l2 – удлинение, соответствующее нагрузке F1, мм; ∆l1 – удлинение, соответствующее нагрузке F1 мм.

За результат испытания принимают среднее арифметическое значение всех параллельных определений. Результаты испытаний записывают в таблицу.

17

Модуль упругости полимерных нанокомпозитов при растяжении

Контрольные вопросы

1.Модуль Юнга.

2.Определение модулья упругости при растяжении и изгибе для полимерных материалов.

3.Что характеризует модуль упругости?

4.Влияние дисперсных наполнителей на модуль упругости при растяжении полимерных композитов.

Лабораторная работа № 9

Определение ударной вязкости полимерных нанокомпозитов

Ударной вязкостью называется работа удара, необходимая для разрушения образца, отнесенная к единице площади его поперечного сечения. Испытание на ударную вязкость материалов проводят по Изоду и Шарпи. Ударная вязкость по Изоду и Шарпи полимерных материалов приблизительно на два порядка меньше, чем у металлов.

Ударная вязкость определяется на стандартных образцах, изготовленных из испытуемого материала, и выражается в кДж/м2. При этом образцы из листов, плит, стержней и других подобных материалов изготавливают механичеcкой обработкой из порошкообразных, гранулированных и других сыпучих материалов – прессованием и литьем под давлением.

Литьем под давлением образцы изготавливаются в виде брусков прямоугольного сечения размерами 4×10×80 мм. При этом перед испытанием образцы кондиционируют при 23±2 °С и относительной влажности 50±5 %.

Цель работы. Изучение методики определения ударной вязкости полимерных материалов.

Исходные материалы и оборудование: образцы (бруски) по-

лимерных материалов, изготовленные на основе полученных ранее композитов, прибор для определения ударной вязкости по Изоду или Шарпи.

18

Выполнение работы

Определение ударной вязкости по Изоду проводят при помощи специиального прибора – маятникового копра Gotech TestinMachinGT- 7016-A3, по ГОСТ 19109-84. Для испытаний применяют образцы с надрезом или без надреза. Линейные размеры образцов: длина, ширина и толщина соответственно, 80, 10 и 4 мм (тип образца по ГОСТ 1910984). При необходимости надрез наносят поперек ширины образца. Образцы для испытаний изготовляют методом литья под давлением, имеют гладкую поверхность без трещин, раковин, вмятин, сколов и др. видимых дефектов. Количество образцов для каждого испытанного материала должно быть не менее 5. Используется маятник с запасом энергии 7,5 Дж. Перед испытанием образцы кондиционируют в атмосфере 23/50. Испытания проводят в атмосфере 23/50. Фиксируется дата изготовления образца, тип надреза, атмосферные условия в помещении испытания, количество испытуемых образцов, максимальная энергия маятника, значения ударной вязкости для каждого образца, среднее арифметическое значение ударной вязкости, дату испытания. Ударную вязкость вычисляют по формуле:

А = 100*а/(b*c),

где А – удельная ударная вязкость, кДж/м2; а – работа, затраченная на разрушение образца, кДж; b – ширина образца, мм; c – толщина образца, мм. Полученные результаты записывают в виде таблицы.

Ударная вязкость по Изоду полимерных нанокомпозитов

Энергия копра …, надрез …мкм, температура …, влажность …

Контрольные вопросы

1.Что характеризует ударная вязкость?

2.Методы испытания полимерных материалов на удар.

3.Влияниесвойствнаполнителянаударнуювязкостькомпозитов.

4.Образцыдляиспытаниянаудар(тип,размеры,снадрезомибез).

19

Лабораторная работа № 10

Определение показателя текучести расплава полимерных композитов

Показатель текучести расплава (ПТР) (или индекс расплава) – условная величина, характеризующая поведение полимера в вязкотекучем состоянии при переработке его в изделия методами литья под давлением, экструзии и др. Эту характеристику обычно определяют для термопластичных полимеров и композитов на их основе. ПТР выражают количеством полимера в граммах, которое проходит через стандартное сопло в течение 10 мин при определенных температуре и нагрузке.

Испытания проводят на пластометре (рисунок), который представляет собой стальной цилиндрический корпус 4, имеющий два продольных канала. Один канал служит для загрузки испытуемого материала, а другой предназначен для термопары. Диаметр втулки центрального канала 9,55±0,025 мм, длина 115 мм.

Рисунок. Схема прибора для определения ПТР полимера: 1 – груз, 2 – втулка, 3 – поршень, 4 – цилиндр, 5 – электрообогрев, 6 – сопло, 7 - подставка.

20