ТРУБНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИТЫ, СОДЕРЖАЩИЕ

448 
composite with a high level of physical and mechanical properties. It is found that the 
distribution of filler depends strongly on the size and configuration of the product. 
Key words:
polyethylene, carbon fiber, pipe composites, the physical and 
mechanical characteristics, composite, pipe 
Известно 
[1], 
что 
эффективность 
наполнителей 
полимерных 
композиционных материалов во многом определяется их поверхностными 
характеристиками. При применении в качестве наполнителей углеродных 
волокон разработчики сталкиваются с проблемой низкого уровня адгезии на 
границе раздела волокно-полимер [2]. В мировой практике можно выделить 
несколько различных способов изменения их поверхностных характеристик. В 
последнее время, в работах российских и зарубежных ученых в области 
создания композиционных углепластиков все более широкое применение 
находят способы поверхностной модификации УВ, связанные с химической 
пришивкой на их поверхность различных функциональных групп [3-4]. В 
данной работе для получения высокопрочных композитов трубного назначения 
предложено использовать УВ, на поверхности которых каталитически 
наращены углеродные нановолокна [5-7]. С учетом того, что при 
экструдировании полимерных труб используются гранулы размером 2-5 мм, 
предложено использовать рубленое углеродное волокно, длина которых 
составляет 5-6 мм.
 
В качестве полимерной матрицы использовали полиэтилен (ПЭ) марки 
ПЭ2НТ11 (ОАО «Казаньоргсинтез»). В качестве дисперсно-армирующего 
наполнителя использовали УВ марок УКН-М-5000 (ООО НПЦ «УВИКОМ»), а 
также ВМН-4ПКТ (ООО «ЗУКМ»). Прекурсором для получения обеих марок 
волокон являлись полиакрилонитрильные волокна. Длина волокон составляла 
5-6 мм, диаметр 5-8 мкм.
Для повышения адгезионных характеристик поверхность волокон марки 
ВМН-4ПКТ была модифицирована путем каталитического наращивания 
углеродных нановолокон на их поверхности. Наращивание осуществлялось 
методом газофазного осаждения углерода по механизму карбидного цикла в 

449 
лаборатории мембранных каталитических процессов Института катализа СО 
РАН под руководством к.х.н. Мишакова И.В. В качестве катализатора процесса 
использовался металлический никель, восстановленный из нитрата никеля (II) 
[8, 9]. Процесс проводили в установке роторного типа, разработанной в 
Институте катализа СО РАН [10]. Удельная площадь поверхности волокон до 
модифицирования составляла 0,3, после 0,75 м
P
2
P
/г (рис. 1). Рисунок 1 – 
Микрофотографии поверхности углеродных волокон: а – волокна марки ВМН-
4ПКТ; б – поверхностно-модифицированные волокна марки ВМН-4ПКТ 
Лабораторные 
партии 
образцов 
композитов 
изготавливали 
с 
использованием лабораторного пластикордера «Brabender». Для этого ПЭ и 
волокна смешивали в расплаве при температуре 180°С и скорости вращения 
валков пластикордера 30 об/мин. Полученную композиционную смесь 
механически измельчали до размера стандартных гранул ПЭ (2-5 мм) и 
экструдировали при температуре 180-200°С. 
Для оценки возможности экструдирования высоконаполненного 
композита на стандартном промышленном оборудовании была изготовлена 
опытная партия труб с использованием экструзионной линии ООО «Эгопласт» 
(г. Якутск). Труба была изготовлена из композита на основе ПЭ2НТ11, 
содержащего в качестве наполнителя 10 мас.% рубленого УВ УКН-М. Диаметр 
трубы составлял 63 мм, SDR 11. Труба имела удовлетворительный внешний 
вид, геометрические параметры соответствовали заданным. 
Физико-механические характеристики полиэтиленовых образцов при 
растяжении исследовали согласно ГОСТ 11262-80 на универсальной разрывной 
машине UTS-2 (Германия). Электронно-микроскопические исследование 
границы раздела фаз волокно/полимер, а также структуры матрицы и 
особенностей распределения волокон в полимере были проведены с 
использованием электронного сканирующего микроскопа JSM JEOL 7800 
(Россия). 

450 
В таблице 1 представлены результаты исследования физико-
механических характеристик композитов на основе ПЭ марки ПЭ2НТ11 и 
углеволокон в изделиях различного типа. 
Таблица 1.
Физико-механические характеристики полиэтиленовых углекомпозитов 
Композит 
σ
R
т
R
, МПа 
Е, МПа ε
R
т
R
, % 
ε
R
р
R
, % 
1 
ПЭ2НТ11 
21,2 
459,8 
9,7 
727,1 
2 
ПЭ2НТ11+10 
мас.% 
УКН-М 
(композит) 
24,2 
1674,7 
5,4 
295,0 
3 
ПЭ2НТ11+10 мас.% модиф. ВМН-
4ПКТ (композит) 
28,7 
1566,5 
5,3 
19,2 
4 
ПЭ2НТ11+10 
мас.% 
УКН-М 
(труба) 
24,4 
3423,0 
3,0 
62,5 
σ
R
т
R
– прочность при пределе текучести, Е – модуль упругости, ε
R
т
R
– удлинение при 
пределе текучести, ε
R
р
R
– удлинение при разрыве 
Видно, что прочность при пределе текучести, как лабораторных образцов, 
так и композиционной трубы выше, чем у исходного ПЭ. Образцы, содержащие 
поверхностно-модифицированное УВ, характеризуются еще более высокими 
значениями исследуемого показателя. Установлено, что введение в полиэтилен 
волокнистого наполнителя приводит к существенному повышению модуля 
упругости композита: при введении в ПЭ2НТ11 волокна марки УКН-М и 
поверхностно-модифицированного 
волокна 
наблюдается 
троекратное 
возрастание модуля упругости. При реализации свойств волокон в трубе 
модуль упругости возрастает в 7 раз. Деформационно-прочностные 
характеристики композитов существенно снижаются, однако, с учетом высокой 

451 
концентрации наполнителя, а также его дисперсности, такое снижение 
закономерно [11].
Установлено, что при одинаковой степени наполнения физико-
механические свойства лабораторного образца и трубы несколько отличаются: 
трубные образцы характеризуются более высоким модулем упругости и низким 
значением удлинения при пределе текучести. Причиной возникновения 
разницы в значениях прочностных характеристик является, вероятно, 
различный тип распределения наполнителя при экструзии в лабораторных 
условиях и на промышленном оборудовании. Более высокие значения 
прочности при пределе текучести композитов, содержащих в качестве 
наполнителя 
поверхностно-модифицированные 
волокна 
ВМН-4ПКТ, 
обусловлены, вероятно, сменой механизма взаимодействия на границе раздела 
фаз волокно/полимер. 
Для того, чтобы подтвердить выдвинутые предположения, были 
выполнены 
электронно-микроскопические 
исследования 
особенностей 
распределения наполнителя в лабораторных образцах и трубе, а также границы 

жүктеу/скачать 13,27 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: