Поведение наномодифицированного полиамида-6 в тепловом поле

Abstract

Исследовано комплексное влияние наноразмерных частиц диоксида титана (TiO2) и оксида цинка (ZnO) в сверхмалых концентрациях (0,005–0,015 мас. %) на поведение полиамида-6 (ПА-6) в условиях теплового воздействия. Методом анализа кинетики нагрева и охлаждения установлено статистически значимое увеличение эффективной температуропроводности модифицированных композитов. Наибольший эффект наблюдался для образца с 0,015 мас. % TiO2: его суммарный нагрев за 120 с превысил показатель чистого ПА-6 на 7,4%, а скорость охлаждения оказалась выше на 17,9%. Параллельно оценена устойчивость композитов к термоокислительному старению при 160°C. Установлено, что введение наночастиц снижает пиковые значения коэффициентов старения, рассчитанных по механическим характеристикам, и способствует сохранению более высоких абсолютных значений прочности после длительного теплового воздействия. Наибольший стабилизирующий эффект продемонстрировали частицы TiO2 в дозировке 0,015 мас. %. Полученные результаты можно объяснить синергией нескольких факторов: формированием межфазных взаимодействий (силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи) на границе полимер – наночастица, приводящих к увеличению степени кристалличности и созданию перколяционных сеток для фононного переноса, а также созданием диффузионного барьера для кислорода и ограничением подвижности макромолекул в аморфных областях. Показано, что наномодифицирование ПА-6 сверхмалыми добавками TiO2 и ZnO является эффективным способом целенаправленного улучшения его теплофизических свойств и эксплуатационной стабильности при воздействии повышенных температур.

A comprehensive study has been conducted on the influence of nanoscale titanium dioxide (TiO2) and zinc oxide (ZnO) particles in ultralow concentrations (0.005–0.015 wt. %) on the behavior of polyamide-6 (PA-6) under thermal exposure. Analysis of the heating and cooling kinetics revealed a statistically significant increase in the effective thermal diffusivity of the modified composites. The most pronounced effect was observed for the sample containing 0.015 wt. % TiO2: its total temperature increases over 120 s exceeded that of neat PA-6 by 7.4%, while its cooling rate was 17.9% higher. In parallel, the resistance of the composites to thermo-oxidative aging at 160°C was evaluated. It was established that the incorporation of nanoparticles reduces the peak values of aging coefficients calculated from mechanical characteristics and promotes the retention of higher absolute strength values after prolonged thermal exposure. The most significant stabilizing effect was demonstrated by TiO2 particles at a concentration of 0.015 wt. %. The obtained results can be explained by the synergy of several factors: the formation of interfacial interactions (van der Waals forces, hydrogen bonds) at the polymer – nanoparticle boundary, leading to an increase in the degree of crystallinity and the creation of percolation networks for phonon transport, as well as the formation of a diffusion barrier for oxygen and the restriction of macromolecular mobility in the amorphous regions. It is demonstrated that nanomodification of PA-6 with ultralow additions of TiO2 and ZnO is an effective method for the targeted improvement of its thermophysical properties and operational stability under elevated temperatures