Дослідження структури і технологічних властивостей нанокомпозитів на основі поліаміду-6 та інтеркальованого монтморилоніту
Автор: Рискальчик Андрій Іванович
Кваліфікаційний рівень: магістр (ОНП)
Спеціальність: Хімічні технології та інженерія (освітньо-наукова програма)
Інститут: Інститут хімії та хімічних технологій
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2020-2021 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Армовані алюмосилікатами поліамідні нанокомпозити викликають великий інтерес з 1990-х років [1] завдяки їх високим механічним властивостям, підвищеній термостійкості, вогнестійкості, бар’єрній стійкості та іонній провідності [2]. Комплекс підвищених властивостей сприяє їх застосуванню у промисловості, особливо в автомобільній галузі [3]. Відомо, що на механізм зміцнення поліамідних нанокомпозитів суттєво впливають співвідношення компонентів, площа поверхні контакту та жорсткість нанопластинок глини, особливо за їх доброго диспергування в полімерній матриці [2]. Значне покращення властивостей поліаміду-6 (ПА6) спостерігається лише за його модифікації органічно модифікованим монтморилонітом (ММТ) або хоча б попередньо розшарованим ММТ. Використання чистого ММТ н е дає суттєвих результатів незалежно від способу одержання нанокомпозиту [4, 5]. Тому виникла ідея використати інтеркальований полівінілпіролідоном (ПВП) ММТ (int-MMT) для модифікації поліаміду з метою одержання нанокомпозиту як конструкційного матеріалу, а також для отримання сумішей з поліпропіленом. Передбачається, що використання інтеркальованого за допомогою ПВП монтморилоніту у суміші з ПА6 сприятиме підвищенню сумісності поліпропілену (ПП) з поліамідом і зростанню фізико-механічних та теплофізичних властивостей ПП як вихідної матриці, за одночасного пониження гігроскопічності матеріалу. Об’єкт дослідження: полімерні нанокомпозити на основі інтеркальованого за допомогою ПВП монтморилоніту і поліаміду-6. Предмет дослідження: закономірності одержання нанокомпозитів на основі інтеркальованого за допомогою ПВП монтморилоніту і поліаміду -6, їхня структура, термостійкість та технологічні властивості. Мета дослідження: одержати нанокомпозити на основі ПА6 та інтеркальованого полівінілпіролідоном ММТ двома методами – змішуванням компонентів в розплаві та осадженням з розчину у мурашиній кислоті, і порівняти морфологію структури, термостійкість та технологічні властивості одержаних нанокомпозитів. Експериментальні дані в роботі одержані з використанням стандартних методик та сучасних методів досліджень – фізико-механічних, теплофізичних, термометричних, спектроскопічних, мікроскопічних. Використані рентгено-графічний, термогравіметричний, диференційно термічний, ІЧ-спектроскопічний та СЕМ аналізи. В роботі розроблено новий метод модифікації поліаміду інтеркальованим за допомогою ПВП монтморилонітом, який полягає у змішуванні компонентів у розчині мурашиної кислоти. За допомогою ІЧ-спектроскопічного аналізу було підтверджено наявність ПВП у структурі одержаних з розчину у мурашиній кислоті нанокомпозитів ПА6/int-ММТ незалежно від співвідношення компонентів. Встановлено, що залежно від вмісту int-ММТ в ПА6 між компонентами нанокомпозиту відбувається різна фізична взаємодія, що на ІЧ-спектрах зразків проявляється гіпсохромними і батохромними зміщеннями характеристичних смуг поглинання. Нанокомпозити ПА6/int-ММТ, одержані з розчину, мають вищі значення ПТР і нижчу температуру розм’якшення порівняно з композитами аналогічного складу, одержаними в розплаві. Рентгенографічними дослідженнями встановлено, що одержані з розчину нанокомпозити ПА6/int-ММТ мають подібну надмолекулярну структуру до ПА6. Одночасно, дифрактограми нанокомпозитів, одержаних з розчину, суттєво відрізняються від дифрактограми аналогічного нанокомпозиту, одержаного в розплаві. З розплаву отримали розшаровані нанокомпозити з кристалічною структурою ПА6, яка характеризується батохромним зміщенням піків моноклінної та гексагональної фаз. В той же час, за результатами диференційно-термічного аналізу можна стверджувати про суттєві відмінності у структурі та властивостях нанокомпозитів ПА6/int-ММТ і чистого ПА-6, осаджених з розчину. Нанокомпозит ПА6/int-ММТ = 90/10 має вищий ступінь кристалічності та вищу на 17°С термостійкість, ніж вихідний ПА-6. СЕМ аналіз зразків нанокомпозитів, одержаних з розчину, підтвердив утворення різної структури залежно від вмісту інтеркальованого ММТ. Зокрема, за вмісту int-ММТ в ПА6 20 %мас. утворюється фібрилярна структура з рівномірно розподіленими частинками int-ММТ (розмір частинок 100-200 нм). Економічними розрахунками встановлено, що основними статтями витрат на проведення наукового дослідження є витрати на амортизацію обладнання та заробітну плату співробітників. Загальний кошторис витрат для даного дослідження становив 76142 грн. Магістерська кваліфікаційна робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаної літератури, що містить 73 назви, і додатків. Основний зміст роботи викладений на 69 сторінках друкованого тексту, вони містять 12 рисунків і 9 таблиць. Ключові слова: поліамід, монтморилоніт, полівінілпіролідон, нанокомпозити, модифікація в розчині, структура. Перелік використаних літературних джерел. 1. Kojima, Y.; Usuki, A.; Kawasumi, M.; Okada, A.; Fukushima, Y.; Kurauchi, T.; Kamigaito, O. Mechanical properties of nylon 6-clay hybrid. J. Mater. Res. 1993, 8, 1185–1189. 2. Aravind, D.; Yu, Z.Z.; Mai, Y.W.; Kim, J.K. Orientation and the extent of exfoliation of clay on scratch damage in polyamide 6 nanocomposites. Nanotechnology 2008, 19, 055708. 3. Bazmara, M.; Silani, M.; Dayyan, I. Effect of functionally -graded interphase on the elasto-plastic behavior of nylon-6/clay nanocomposites; a numerical study. Def. Technol. 2020, Available online 8 March 2020.