Афанасьева Е.С., Слепцова С.А.

Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова, Россия

Исследование влияния бентонита на эксплуатационные характеристики политетрафторэтилена

Среди слоистых алюмосиликатов для получения полимерных композитов особое место занимают минералы, обладающие выраженной анизотропией формы, высокой дисперсностью и емкостью катионного обмена. Вследствие чего слоистый алюмосиликат монтмориллонит (ММТ), способный расслаиваться на отдельные пластины толщиной порядка 1 нм и диаметром несколько сотен нм, обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с другими глинистыми минералами [1-2]. Монтмориллонит является основным компонентом бентонитовых глин – природных алюмосиликатов. Как известно, бентонитовые глины обладают превосходными адсорбционными и ионообменными свойствами, обусловленными специфическим строением каркаса кристаллической решетки и развитой межфазной поверхностью [3].

Объектами исследований являлись промышленный политетрафторэтилен (ПТФЭ, ГОСТ 10007-80), наполнитель – бентонит, Дашуковского месторождения Черкасской области (Черкасский бентонит), относящийся к подклассу слоистых силикатов. Основной компонент бентонита (60—70 %) — монтмориллонит (Al₂[Si₄O₁₀](ОH)₂´nH₂О), который представляет собой листовой силикат с расширяющейся структурной ячейкой. Общая величина емкости катионного обмена монтмориллонита составляет 73 мг-экв на 100 г минерала.

Подготовка политетрафторэтилена заключалась в просушке в печи при температуре 180°С в течение 4 часов. Высушенный ПТФЭ измельчали и просеивали через сито №1К. Бентонит высушивали в печи при температуре 190°С в течение 6 часов. Просушенный бентонит активировали в мельнице «АГО-2» в течение 2 минут.

Композиты получали путем сухого смешения полимера с наполнителем и последующим спеканием. Образцы для испытаний изготавливали по стандартным методикам (ГОСТ 10007-80).

Физико-механические свойства композитов - относительное удлинение, прочность при растяжении, модуль упругости - определяли по ГОСТ 11262-80 на испытательной машине "UTS-2" (Германия) при комнатной температуре и скорости перемещения подвижных захватов 100 мм/мин на лопатках (количество образцов на одно испытание – 3) и на испытательной машине Shimadzu AGS-J (Япония) при комнатной температуре и скорости перемещения подвижных захватов 50 мм/мин на лопатках (количество образцов на одно испытание – 3). Триботехнические характеристики - скорость изнашивания и коэффициент трения - определяли на машине трения СМЦ-2 по схеме трения «вал-втулка», при нагрузке – 0,45 МПа, скорости скольжения - 0,39 м/с. Скорость изнашивания оценивали по потере массы образцов в единицу времени. Момент трения фиксировали с помощью цифрового милливольтметра и рассчитывали коэффициент трения по формуле f_тр = 1,865 (M ‑ M_хол) при нагрузке 0,45 МПа. Структурные исследования поверхностей трения композитов проведены на растровом электронном микроскопе JSM-5400 LV «JEOL» при увеличении до 8000 раз. Рентгеноструктурный анализ проводился на дифрактометре URD-6 (Германия) с излучением CuKα (λ=1,5418 Å). Сканирование проводилось с шагом 0,05° и временем накопления в каждой точке 3 сек.

Показано, что наиболее высокими значениями относительного удлинения при одновременном увеличении его модуля упругости характеризуется композит, содержащий 5 мас.% бентонита, активированного в планетарной мельнице АГО-2. Повышение физико-механических характеристик ПТФЭ объясняется более высокими адсорбционными свойствами наполнителя, обусловливающего эффективное взаимодействие на границе раздела фаз между наполнителем и ПТФЭ. Также показано значительное повышение триботехнических характеристик композитов. Достигнуто повышение износостойкости в 1000 раз по сравнению с ненаполненным ПТФЭ при введении 7 мас.% активированного бентонита.

На основании структурных исследований поверхностей трения полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе ПТФЭ и бентонита методом растровой электронной микроскопии, можно заключить, что структура поверхностных слоев ПКМ после трения заметно отличается от структуры исходного полимера. В процессе трения происходит ориентирование структурных частиц по направлению скольжения, локализация наполнителей на поверхности материала. Обогащение поверхностей трения полимерной матрицы частицами наполнителя способствует предохранению поверхностного слоя материала от истирания.

а

б

Рис. 1. Структура поверхностных слоев ПКМ на основе ПТФЭ, наполненного бентонитом: а) ПТФЭ+2мас.% бентонита; б) ПТФЭ+5мас.% бентонита

Для выявления процессов, протекающих при формировании композиционного материала, проведены структурные исследования с использованием методов порошковой дифрактометрии. Сравнение дифрактограмм исходного ПТФЭ, бентонита и композитов на их основе, выявило формирование полимер-силикатного нанокомпозита. Формирование полимер-силикатного нанокомпозита с интеркалированием в межслойные пространства макромолекул полимера можно проследить на основании изменений интенсивности и формы пиков, соответствующих исходным компонентам. Отсутствие на рентгенодифрактограммах базальных рефлексов, соответствующих силикату, говорит о том, что его слои либо значительно удалены друг от друга, либо полностью эксфолиированы в полимере. Появление на рентгенодифрактограмме новых пиков, не соответствующих характерным пикам наносиликата, может свидетельствовать об образовании новой полимерсиликатной структуры.

Рис. 2. Рентгенодифрактограммы: красная линия – ПТФЭ, содержащего 10 мас% бентонита (АГО-2); зеленая линия – ПТФЭ, содержащего 5 мас.% бентонита (АГО-2); синяя линия – исходного бентонита (АГО-2)

Таблица 1

Результаты рентгеноструктурного анализа ПТФЭ, наполненного активированным бентонитом (АГО-2)

Композит	IК, отн.ед.	IА, отн.ед.	2θ^o	β^o	d A^o	α, %
ПТФЭ + 2 мас.% бентонита	2229,5	1036,6	18,15	0.165	4,884	79
ПТФЭ + 5 мас.% бентонита	2073,2	1198,7	17,9	0.158	4,937	75
ПТФЭ + 10 мас.% бентонита	1872,9	1148,2	18,2	0.158	4,870	74

Литература

1. Рахимова Н.А., Кудашев С.В. Получение органофильного Na⁺ - монтмориллонита, модифицированного диацетатом-ди-ε-капролактаматом меди // Химическая технология. 2010. №11. 672-676.

2. Акимбаева А.М., Ергожин Е.Е. Оценка структурных и сорбционных характеристик активированного бентонита. Коллоидный журнал. 2007. Т. 69. №4. 437-443.

3. В.П. Финевич, Н.А. Аллерт, Т.Р. Карпова, В.К. Дуплякин. Композиционные наноматериалы на основе кислотно-активированных монтмориллонитов. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И.Менделеева). 2007, m. LI, №4. 69-74.