Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА НЕОРГАНИЧЕСКОГО НАПОЛНИТЕЛЯ НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Ершова О.В. 1 Муллина Э.Р. 1 Чупрова Л.В. 1 Мишурина О.А. 1 Бодьян Л.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
В работе получены тальконаполненные и мелонаполненные композиции на основе вторичного полиэтилена высокого давления (ПЭВД) с различной концентрацией наполнителя. Экспериментально изучено влияние тонкодисперсных частиц наполнителя на показатель текучести расплава, механическую прочность, плотность исходного материала и химическую стойкость. Установлено, что мелонаполнен­ный материал имеет наибольший показа­тель текучести расплава, что говорит о легкости распре­деления частиц наполнителя в поли­мере и о лучшей технологич­ности этого материала. Наполненный тальком полиэтилен высокого давления, обладает высокой прочно­стью, термической и химической стойкостью и лучшим каче­ством поверхности готового изделия. В результате проведенных исследований показано, что введение минерального тонкодисперсного порошка в мат­рицу вторичного ПЭВД улучшает физико-механические свойства материала, придаёт ему жесткости, мень­шей усадки, а также способствует уде­шевлению готовых изделий. Отмечено, что в зависимости от назначения композиционных полимерных материалов, учета среды эксплуатации, а также с целью экономии дорогостоящего сырья можно варьировать процентное содержание исходного сырья и получать изделия с различными физико-механическими показателями, окраской и другими эксплуатационными свойствами.
вторичный полиэтилен высокого давления
минеральный тонкодисперсный неорганический наполнитель
тальк
мел
полимерные композиционные материалы
тальконаполненные композиции
мелонаполненные композиции
1. Барашков Н.Н. Полимерные композиты: получение, свойства, применение – М.: Наука, 1984. – 128 с.
2. Волков А.М., Рыжикова И.Г., Агафонова А.И., Днепровский С.Н. Минералонаполненные композиции полипропилена. Возможности совершенствования свойств малыми добавками полимерных компатибилизаторов // Пластические массы. – 2004. – № 5. – С. 22–26.
3. Ершова О.В., Катюшенко О.М., Коляда Л.Г. Определение показателя текучести расплава полимеров: Методические указания к лабораторной работе по дисциплинам «Производство полимерных упаковочных материалов» и «Химия и физика полимеров» – Магнитогорск: МГТУ, 2006. – 8 с.
4. Ершова О.В., Чупрова Л.В., Муллина Э.Р., Мишурина О.В. Исследование зависимости свойств древесно-полимерных композитов от химического состава матрицы // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 2; URL: www.science-education.ru/116-12363 (дата обращения: 20.11.2014).
5. Макаров В.Г., Помещиков В.И., Синельникова Р.М. Свойства полипропилена, наполненного тальком // Пластические массы. – 2000. – № 12. – С. 32–34.
6. Чупрова Л.В., Муллина Э.Р. Технологические особенности производства упаковки из вторичного полиэтилентерефталата (ПЭТ) // Молодой учёный. – 2013. – № 5. – С. 123–125.
7. Чупрова Л.В., Муллина Э.Р., Мишурина О.В., Ершова О.В. Исследование возможности получения композиционных материалов на основе вторичных полимеров // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 4; URL: www.science-education.ru/118-14200 (дата обращения: 05.11.2014).

Среди современных проблем, стоящих перед мировым сообществом, наиболее актуальной является проблема ухудшения качества среды обитания человека, которая связана с устойчивым ростом промышленного производства и увеличением количества твердых бытовых и промышленных отходов.

Полимерные отходы занимают одно из первых мест в составе твердых бытовых отходов, по объему образования отходов они уступают отходам из бумаги и картона, но по ежегодному приросту опережают на 4 % [6, 7].

Особенностью полимерных отходов является то, что они устойчивы к агрессивным средам, не гниют, не разлагаются, процессы деструкции в естественных условиях протекают достаточно медленно. Высокая стойкость полимерных отходов к внешней среде и постоянно уменьшающиеся ресурсы традиционного сырья, в частности, снижение запасов и повышение стоимости нефти и газа, вынуждают к повторному использованию полимерных отходов.

Самым эффективным способом утилизации отходов полимерных материалов является их вторичная переработка. Возможность использования полимерных отходов для повторного производства ограничивается их нестабильными и худшими по сравнению с исходными полимерами механическими свойствами, поэтому необходимо модифицировать полимерные отходы. Одним из способов модификации полимеров является смешивание их с другими
полимерами, т.е. создание полимерных композиций [4].

Одной из главных целей использования наполнителей яв­ля­ется снижение стоимости полимерных материалов. Именно эта цель определяет в решающей степени тот большой интерес к на­полнителям и наполненным системам, который проявляется в по­следнее время. Большое значение имеет также способность на­полнителей придавать но­вые свойства полимерным материа­лам по сравнению с неналол­ненными [5].

Наполненный полипропилен (ПП) и полиэтилен (ПЭ) зани­мают одно из первых мест среди наполненных термопла­стов. По сравнению со стирольными пластиками полипропилен при введе­нии наполнителя в меньшей степени становится хруп­ким. Благо­даря низкой плотности матрицы наполненный поли­этилен высо­кого давления (ПЭВД) тяжелее ненаполненного поливинилхлорида (ПВХ) и наполнен­ного полипропи­лена. Однако наиболее важным фактором явля­ется возможность путем наполнения перевести ПЭ в группу инже­нерных пластиков. Тальк благодаря пластин­чатой форме частиц, потен­циально является усиливаю­щим наполнителем.

К достоинствам минералонаполненного ПЭ можно отне­сти повышенную жесткость, сопротивление ползучести при по­вышен­ных температурах, улучшенную формуемость и сниже­ние усадки при формовании. Введение минерального наполни­теля снижает себестоимость изделий [2]. Однако достижение мак­симальной тех­нико-экономической эффективности возможно только при созда­нии композиции оптимального состава.

Наполненные полимеры представляют собой коллоидные дисперсные системы. Свойства этих систем определяются при­ро­дой наполнителя, полимерной матрицы, а также процессами взаи­модействия на границе раздела полимер – наполнитель [1]. Ука­зан­ные процессы могут регулироваться с помощью веществ – мо­ди­фикаторов (компатибилизаторов). Для предотвращения агрегации частиц напол­ни­теля и создания прочной связи между наполните­лем и поли­мерной матрицей широко используются модифицирую­щие до­бавки [5]. Мо­дифицирование позволяет повы­сить содержа­ние напо­лнителя в по­лимерной матрице, что в ряде случаев спо­собст­вует удешевлению изделий, улучшению каче­ства композиции и обеспечивает менее жесткие режимы ее пе­реработки.

Исследование проводилось с целью изу­чения влияния состава неорганического наполнителя на физико-химические свойства получаемых компози­ций с по­лимером на основе вторичного полиэтилена высокого давления (ПЭВД).

Для достижения поставленной цели выполнено экспериментальное определение влияния тонкодисперсных частиц наполнителя на показатель текучести расплава, плотность исходного материала и химическую стойкость.

Объектами исследования являются тальконаполненные и мелонаполненные композиции на основе вторичного полиэтилена высокого давления с концентрацией наполнителя 25 %, 50 % и 75 %.

Композиции на основе вторичного ПЭВД изготавливались на од­ношнековом экструдере. Для облегчения переработки и предот­вращения деструк­ции в композицию вводили 0,25 % тер­мостабили­затора и смазки.

Материалы и методы исследования

Проведены исследования физико-химических свойств полученных композитов: показатель текучести расплава, плотность и стойкость к действию химических сред.

Методики эксперимента

Определяемая

характеристика

Нормативный документ

Название

методики

Оценка реологических свойств полимеров и композитов на их основе

ГОСТ 11645-73

Пластмассы. Метод определения показателя текучести расплава термопластов

Метод определения показателя текучести расплава термопластов

Плотность

ASTM D 792

«Стандартный метод измерения плотности и удельной массы пластмасс с помощью вытеснения»

Определение плотности исследуемых образцов

Стойкость к действию химических сред

ГОСТ 12020 – 72

Пластмассы. Методы определения стойкости к действию химических сред.

Определение стойкости полимерной композиции к действию химических сред

1

 

Для определения вышеперечисленных свойств использовались методики, представленные в таблице.

Результаты исследования
и их обсуждение

Химическая стойкость. Для реализации своих основных функций полимерные изделия должны иметь высокие барьерные свойства, то есть обладать достаточной механической прочностью, герметичностью, химической стойкостью, иметь оптимальные показатели проницаемости по отношению к различным средам (химической стойкостью).

Под химической стойкостью материала относительно конкретной среды понимается отсутствие набухания полимерного материала в контактирующей среде, а также стабильность свойства материала под действием этой среды. Изменение физико-химических и механических свойств материала под действием агрессивной среды может привести к разрушению изделия: растрескиванию, потере формоустойчивости, герметичности, то есть к преждевременному износу.

Химическую стойкость определяли по увеличению (или уменьшению) массы образца, погруженного в одну из указанных жидкостей (этиловый спирт, бензин, моторное масло, концентрированные кислоты: соляная, серная, плавиковая) на 1 сутки, 7 суток при комнатной температуре, и выражали в процентах. Через 24 часа образцы пинцетом вытягивали из банок, вытирали досуха фильтровальной бумагой и взвешивали на аналитических весах с точностью взвешивания 0,00005 г. Время с момента извлечения образца из жидкости до момента взвешивания не превышало 5 минут (по ГОСТу). Изменение массы образца выразили в процентах. В случае увеличения массы образца после испытания расчет проводили по формуле (1)

ersch01.wmf, (1)

где X – спирто-, бензо-, маслостойкость, стойкость к агрессивным средам, %;

a – масса образца до испытания, г;

b – масса образца после испытания, г.

Результаты эксперимента показали, что водопоглощение за 24 часа вторичного ПЭВД по мере уве­личения содержания мела (от 25 % до 75 %) было незначительным и составило около 0,0218 %. В случае с тальконаполненной композицией набухания материала не наблюдалось.

Композиционный материал, наполнителем которого является мел-50 %, считается наиболее стойким ко всем средам по сравнению с вторичным ПЭВД, где концентрация наполнителя 75 %.

Тальконаполненная композиция с большей концентрацией порошка в растворе плавиковой кислоты подверглась большему набуханию. Это свидетельствует о том, что в данной среде исследуемый материал подвержен большей деструкции.

На основании проведенных исследований и полученных данных можно сделать вывод, что по мере увеличения содержания мела и талька (от 25 % до 75 %) химическая стойкость композиций ухудшается, но незначительно. Так как полученные данные стойкости композитов слишком малы, то можно сказать, что они инертны к действию воды, спиртов, бензина и кислот. Но не рекомендуется длительное воздействие на минералонаполненный композиционный материал плавиковой и соляной кислот, которые могут увеличивать скорость деструкции материала.

Плотность. Пластические массы сравнительно легкие материалы. Их плотность находится в пределах от 0,9 (ПП) до 2,35 г/мл
(фторопласты). Большинство полимеров легче металлов в 5–6 раз.

Для быстрого определения плотности полимерного материала применяют экспресс-метод. Этот метод используют на производстве.

Для проведения экспресс-испытаний были приготовлены растворы с плотностью 0,9; 0,95 г/мл (водно-спиртовые растворы) и 1,05; 1,10; 1,15; 1,20 г/мл (водные растворы хлорида кальция или хлористого цинка).

Вычисление плотности раствора проводили по формуле (2)

ersch02.wmf, (2)

где ρраствора – плотность раствора г/мл;

Мраствора – масса раствора, г;

Vраствора – объем раствора, мл.

Результаты определения плотности мелонаполненной и тальконаполненной композиций представлены рис. 1.

Плотность тальконаполненной и мелонапол­нен­ной композиций на основе вторичного ПЭВД возрастает с увели­чением со­держания минерального наполнителя.

Таким образом, на основании полученных значений плотности композиционных материалов, можно сделать вывод о значительном влиянии минеральных наполнителей на свойства полимерного материала. Увеличение плотности исследуемых материалов объясняется большой плотнос-
тью дисперсных порошков мела и талька,
2540–2600 кг/м3 и 2700–2800 кг/м3 соответственно, по сравнению с плотностью ПЭВД – 900–930 кг/м3.

er1.tif

Рис. 1. Зависимость плотности минералонаполненных ком­пози­ций
вторичного ПЭВД от содержания наполнителя

er2.tif

Рис.2. Зависимость показателя текучести расплава минера­ло­наполненных
композиций вторичного ПЭВД от содержания напол­нителя

Реологические свойства. Реологические свойства отражают особенности течения и деформации полимеров, характеризуемых структурной вязкостью среды.

Оценка перерабатываемости полимерного материала (его технологичность) включает комплекс показателей его реологических свойств, основным из которых является показатель текучести расплава (ПТР) [3].

Показатель текучести расплава является параметром, определяющим выбор способа переработки термопласта. При ПТР < 2,5 – экструзия; ПТР от 2,5 до 4 – экструзия с раздувом, ПТР 3 и более – литье под давлением. Метод оценки показателя текучести расплава стандартизован
ГОСТ 11645, которому соответствует европейский стандарт ISO 1133-76 [20]. ПТР определяют на приборе ИИРТ – 5, схема которого представлена на рис. 2.

Показатель текучести расплава (ПТР) – это количество материала, которое вытекает из капилляра стандартных размеров при определенной температуре и нагрузке за 10 минут. ПТР определяется по формуле 3.

ersch03.wmf, (3)

где m – средняя масса экструдированных отрезков, г;

t – интервал времени между двумя последовательными отсечениями, с.

Зависимость показателя текучести расплава минералонаполненного полимера представлена на рис. 2.

Из рис. 2 видно, что показатель текучести расплава ком­позиций уменьшается с увеличением содержания наполни­теля, что не значительно влияет на способ переработки исследуемого материала.

Особенно резкое снижение ПТР в случае с тальком, что можно объяснить невысокой совместимостью поверхности час­тиц талька с расплавом вторичного ПЭВД по сравнению с час­тицами мела. Решением данной проблемы является ис­пользова­ние по­верхностно-активных ве­ществ, об­лег­чающих смачивание частиц талька расплавом вто­ричного ПЭВД.

Можно сделать вывод, что мелонаполнен­ный материал имеет наибольший показа­тель текучести расплава без введения компатибилизатора, что говорит о легкости распре­деления частиц наполнителя в поли­мере и о лучшей технологич­ности этого материала.

Заключение

На основании полученных данных был сделан вывод, что оптимальной по составу является минералонаполненная композиция с концентрацией наполнителя 50 %. Такая композиция не требует особых режимов переработки и дополнительного введения модификаторов, имеет более высокий экономический эффект по сравнению с композициями, в которых концентрация талька и мела 25 %.

Рецензенты

Бигеев В.А., д.т.н., профессор, директор института металлургии, машиностроения и металлообработки, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск;

Стеблянко В.Л., д.т.н., профессор, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет
им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск.

Работа поступила в редакцию 16.12.2014.


Библиографическая ссылка

Ершова О.В., Муллина Э.Р., Чупрова Л.В., Мишурина О.А., Бодьян Л.А. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА НЕОРГАНИЧЕСКОГО НАПОЛНИТЕЛЯ НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 12-3. – С. 487-491;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=36135 (дата обращения: 14.10.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074