Гапоненко В.Р.   Полубояров В.А.   Коротаева З.А.   Жданок А.А.   Горбунов Ф.К.   Бердникова Л.К.   Зобов К.В.   Бардаханов С.П.  

Усиление полиуретановых композитов наноразмерными частицами

Reporter: Горбунов Ф.К.

Усиление полиуретановых композитов наноразмерными частицами

Гапоненко В.Р.*, Полубояров В.А.**, Коротаева З.А.**, Жданок А.А.**, Горбунов Ф.К.**, Бердникова Л. К.**, Зобов К.В.*, Бардаханов С.П.*
*Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, Новосибирск
**Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, Новосибирск

Главным преимуществом полиуретановых (ПУ) композиций является возможность придания им самых различных качеств. Как эластомер, полиуретан отлично сохраняет геометрию и способен возвращаться к первоначальному состоянию много раз. По этому показателю данный материал опережает главного конкурента – резину. По сравнению с резиной он имеет более высокую износостойкость и эластичность, не восприимчив к маслам, меньше пачкается, медленнее стареет, быстрее принимает форму после деформации и лучше переносит механическое воздействие. Наряду с достоинствами ПУ композиции обладают следующими недостатками: плохо выдерживают нагрузки на скручивание; эластичность и прочность материала зависят от температуры; проявляют низкую устойчивость к воздействию термической и термоокислительной деструкции; они являются горючим полимером; характеризуются отсутствием одновременной стойкости к температурным изменениям, воздействию агрессивных сред и механических нагрузок.
Основным направлением регулирования свойств ПУ является его модификация путем наполнения порошками твердых материалов. Актуальной задачей, по-прежнему, является поиск путей улучшения эксплуатационных свойств полимеров за счет создания на их основе полимерных композиционных материалов. Ранее в работах [1, 2] авторами было изучено изменение физико-механических характеристик полимерных материалов в результате введения малых добавок нанодисперсных керамических частиц. Данные частицы выступают в качестве зародышей кристаллизации полимерной матрицы и тем самым изменяют размер зерна полимера. Уменьшение зерна полимера приводит к увеличению прочностных свойств материалов. Данная зависимость свойств описывается законом Холла-Петча [3, 4].
В настоящей работе, в качестве модификаторов литьевых полиуретанов горячего отверждения были предложены добавки нанодисперсных частиц диоксида кремния марки Таркосил, полученные методом испарения электронным пучком.
Для получения литьевого полиуретана (ЛПУ) использовали преполимер СКУ ПФЛ-100 и отвердитель МОСА. Исходные компоненты (преполимер (82 масс. %) и отвердитель (18 масс. %), разогретые до температуры (60оС и 110оС, соответственно), смешивали до гомогенного состояния с последующей дегазацией в вакуум-камере. Полученную смесь выливали в специальную форму открытого типа для получения образцов в виде лопаток. Дальнейшая полимеризация полиуретана происходит при температуре 100оС в течение 6 часов.
Для исследования влияния нанодисперсных частиц на свойства полимерного композита использовали два образца диоксида кремния T50 и T80, удельная поверхность которых (Sуд) составляла 32,3 и 84,3 м2/г, соответственно. Для модифицированных образцов с добавками T50 максимальное увеличение прочности при разрыве наблюдается при концентрации 0,005 и 0,01 масс. % (на 12,2 и 7,2%, соответственно). При этом удлинение при разрыве увеличивается на 49 и 50,1; напряжение при удлинении 100% – на 15,2 и 13,1; напряжение при удлинении 200% – на 11,8 и 8,7%, соответственно, по сравнению с исходным образцом. При концентрациях добавок в пределах 0,02-0,1 масс. % также наблюдается значительное удлинение при разрыве (25,6-24,6%). Напряжение при удлинении 300% – в переделах контрольного образца или ниже.
Для модифицированных образцов с добавками T80 максимальное увеличение прочности при разрыве наблюдается при концентрации 0,05, 0,01 и 0,005 масс. % (на 30,8, 12,9 и 9,9%, соответственно). При этом удлинение при разрыве увеличивается на 25,4, 41,0 и 48,6%; напряжение при удлинении 100% – на 20,2, 14,1 и 9,1%; напряжение при удлинении 200% – на 18,1, 13,4 и 7,1% соответственно; напряжение при удлинении 300% для образца, содержащего 0,05 масс. % – на 12,5%. Следует отметить значительное увеличение напряжения при удлинении 200 и 300% для образца с концентрацией добавки 0,1 масс. % – на 17,3 и 13,7% соответственно, а для образцов с концентрацией добавок 1-10% наблюдается значительное увеличение напряжения при удлинении 200% (29,9-34,6%).
Аналогичные исследования проводились для композиций, наполненных микропорошками карбида кремния. В продолжение работы планируется сравнительное изучение свойств ПУ, наполненных нанопорошками карбидов кремния и вольфрама, которые уже получены методом испарения электронным пучком
С. П. Бардаханов, В.Р. Гапоненко и К.В. Зобов признательны Российскому фонду фундаментальных исследований и Правительству Новосибирской области за поддержку (грант № 19-43-54013). Частично исследование проводилось в рамках Программы фундаментальных научных исследований Российских государственных академий наук (2013–2020 годы, проект № АААА-А17-117030610128-8, 0323-2019-0008). Эксперименты проводились с использованием промышленного ускорителя электронов ЭЛВ-6 в Институте ядерной физики (УНУ ЭЛВ-6).
Список литературы
1. Горбунов, Ф.К. Влияние размеров зерна на прочностные характеристики пенополиуретанов / Ф.К. Горбунов, В.А. Полубояров, Е.В. Волоскова, А.В. Кадимова // Известие ВУЗов. Технология легкой промышленности, 2017. – №1. – С. 109-113.
2. Structure and mechanical properties of casting polyurethane before and after modification by ceramic nanoparticles / F. K. Gorbunov, V. A. Poluboyarov, A. I. Saprykin, L. K. Berdnikova // Materials Today: Proceedings. - 2019. - Vol.12, pt. 1. - P. 66-69. - DOI: 10.1016/j.matpr.2019.03.065.
3.  Hall, E. O. Deformation and ageing of mild steel / E. O. Hall // Proceedings of the Physical Society of London. – 1951. – ser. B. – V. 64. – № 1. – P. 747-753.
4. Petch, N. J. The cleavage strength of polycrystals / N. J. Petch // Journal Iron and Steel Institute. – 1953. – V. 174. – P. 25-28.


To reports list