Самоармированные полимерные композиты на основе политетрафторэтилена

Перспективным направлением в области переработки полимерных материалов является разработка самоармированных полимерных композитов, представляющих относительно новую группу композиционных материалов. Метод самоармирования позволяет комбинировать материалы одного полимера с различными молекулярными, супрамолекулярными и структурными особенностями. При этом высокие адгезионные и механические свойства самоармированных композитов обусловливаются образованием гомогенной системы с отсутствием межфазной границы. Вместе с тем самоармирование рассматривает возможность использования полимерных отходов для создания высокопрочных композитов, что обеспечивает снижение экологической нагрузки. Целью проведенного исследования являлось изучение фазового состава и свойств самоармированных полимерных композитов на основе политетрафторэтилена. Самоармированные композиты готовили смешением порошков промышленного и переработанного политетрафторэтилена, а затем подвергали компрессионному формованию и свободному спеканию. Методом рентгенофазового анализа рассчитывали степень кристалличности полученных материалов (41–68%). Результаты динамического механического анализа показали, что при введении порошка регенерированного политетрафторэтилена в промышленный политетрафторэтилен модуль упругости значительно увеличивается (до 2,0–3,1 ГПа). Исследование деформационно-прочностных характеристик показало возможность использования до 30 масс.% переработанного политетрафторэтилена, полученного путем механического истирания, для создания композитов с хорошими эксплуатационными свойствами. Итоги работы также иллюстрируют факт того, что фазовое состояние материала зависит от способа переработки полимерных отходов и является определяющим для теплостойкости и механических свойств полученных самоармированных полимерных композитов.

1. Keskisaari A., Butylina S., Kärki T. Use of construction and demolition wastes as mineral fillers in hybrid wood–polymer composites // Journal of Applied Polymer Science. 2016. Vol. 133, no. 19. DOI: 10.1002/app.43412.

2. Singh M.K., Mohanty A.K., Misra M. Upcycling of waste polyolefins in natural fiber and sustainable filler-based biocomposites: a study on recent developments and future perspectives // Composites Part B: Engineering. 2023. Vol. 263. P. 110852. DOI: 10.1016/j.compositesb.2023.110852.

3. Babu K., Mensah R.A., Shanmugam V., Rashedi A., Athimoolam P., Aseer J.R., et al. Self-reinforced polymer composites: an opportunity to recycle plastic wastes and their future trends // Journal of Applied Polymer Science. 2022. Vol. 139, no. 46. P. e53143 DOI: 10.1002/app.53143.

4. Kmetty Á., Bárány T., Karger-Kocsis J. Self-reinforced polymeric materials: a review // Progress in Polymer Science. 2010. Vol. 35, no. 10. P. 1288–1310. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2010.07.002.

5. Swolfs Y., Zhang Q., Baets J., Verpoest I. The influence of process parameters on the properties of hot compacted self-reinforced polypropylene composites // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2014. Vol. 65. P. 38–46. DOI: 10.1016/j.compositesa.2014.05.022.

6. Ku H., Wang H., Pattarachaiyakoop N., Trada M. A review on the tensile properties of natural fiber reinforced polymer composites // Composites Part B: Engineering. 2011. Vol. 42, no. 4. P. 856–873. DOI: 10.1016/j.compositesb.2011.01.010.

7. Andrzejewski J., Przyszczypkowski P., Szostak M. Development and characterization of poly(ethylene terephthalate) based injection molded self-reinforced composites. Direct reinforcement by overmolding the composite inserts // Materials & Design. 2018. Vol. 153. P. 273–286. DOI: 10.1016/j.matdes.2018.04.084.

8. Zhao Z.H., Chen J.N. Preparation of single-polytetrafluoroethylene composites by the processes of compression molding and free sintering // Composites Part B: Engineering. 2011. Vol. 42, no. 5. P. 1306–1310. DOI: 10.1016/j.compositesb.2011.01.005.

9. Törmälä P. Biodegradable self-reinforced composite materials; manufacturing structure and mechanical properties // Clinical Materials. 1992. Vol. 10, no. 1-2. P. 29–34. DOI: 10.1016/0267-6605(92)90081-4.

10. Zhang M., Tian X., Cao H., Liu T., Zia A.A., Li D. 3D printing of fully recyclable continuous fiber self-reinforced composites utilizing supercooled polymer melts // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2023. Vol. 169. P. 107513. DOI: 10.1016/j.compositesa.2023.107513.

11. Корнопольцев В.Н., Аюрова О.Ж., Дашицыренова М.С., Ильина О.В., Могнонов Д.М. Получение, исследование и применение композитов на основе фторполимерных отходов // Журнал прикладной химии. 2021. Т. 94. N 7. С. 818–823. DOI: 10.31857/S004446182107001X. EDN: OQUWJS.

12. Ayurova O., Kornopoltsev V., Khagleev A., Kurbatov R., Mishigdorzhiyn U., Dyakonov A., et al. Wear-resistant elasto meric composites based on unvulcanized rubber compound and recycled polytetrafluoroethylene // Lubricants. 2024. Vol. 12, no. 2. P. 29. DOI: 10.3390/lubricants12020029.

13. Лебедев Ю.А., Королев Ю.М., Ребров А.В., Игнатьева Л.Н., Антипов Е.М. Рентгеновское исследование кристаллической фазы в образцах политетрафторэтилена // Кристаллография. 2010. Т. 55. N 4. С. 657–662. EDN: MSQJUT.

14. Yassien K.M., El-Zahhar A.A. Investigation on the properties of gamma irradiated of polytetrafluoroethylene fibers // Microscopy: Research & Technique. 2019. Vol. 82, no. 12. P. 2054–2060. DOI: 10.1002/jemt.23377.

15. Lunkwitz K., Lappan U., Scheler U. Modification of perfluorinated polymers by high-energy irradiation // Journal of Fluorine Chemistry. 2004. Vol. 125, no. 6. P. 863–873. DOI: 10.1016/j.jfluchem.2004.01.020.

16. Brown E.N., Rae P.J., Orler E.B., Gray G.T., Dattelbaum D.M. The effect of crystallinity on the fracture of polytetrafluoroethylene (PTFE) // Materials Science and Engineering: C. 2006. Vol. 26, no. 8. P. 1338–1343. DOI: 10.1016/j.msec.2005.08.009.

17. Henri V., Dantras E., Lacabanne C., Dieudonne A., Koliatene F. Thermal ageing of PTFE in the melted state: Influence of interdiffusion on the physicochemical structure // Polymer Degradation and Stability. 2020. Vol. 171. P. 109053. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2019.109053.

18. Holt D.B., Farmer B.L. Modeling of helix reversal defects in polytetrafluoroethylene: II. Molecular dynamics simulations // Polymer. 1999. Vol. 40, no. 16. P. 4673–4684. DOI: 10.1016/S0032-3861(99)00076-2.

19. Аскадский А.А., Мацеевич Т.А. Влияние степени кристалличности на модуль упругости в высокоэластическом состоянии полимеров // Пластические массы. 2022. N 3-4. С. 11–15. DOI: 10.35164/0554-2901-2022-3-4-11-15. EDN: NJJZWP.

20. Blumm J., Lindemann A., Meyer M., Strasser C. Characterization of PTFE using advanced thermal analysis techniques // International Journal of Thermophysics. 2010. Vol. 31. P. 1919–1927. DOI: 10.1007/s10765-008-0512-z.

21. Аюрова О.Ж., Кожевникова Н.М., Корнопольцев В.Н., Могнонов Д.М. Теплофизические свойства полимерного композита политетрафторэтилен/CaF2-оксифторидное стекло // Журнал прикладной химии. 2022. Т. 95. N 3. С. 337–343. DOI: 10.31857/S0044461822030057. EDN: DEWDAL.