CC BY
13
УДК 678.5
Нгуен Минь Туан, Чалая Н.М., Осипчик В.С., Совык Д.Н., Нгуен Конг Тинь
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЛИТЬЕВЫХ ОБРАЗЦОВ НАПОЛНЕННЫХ КОРОТКИМИ БАЗАЛЬТОВЫМИ ВОЛОКНАМИ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ СМЕСЕЙ ПОЛИПРОПИЛЕНА И МЕТАЛЛОЦЕНОВОГО ЭТИЛЕНПРОПИЛЕНОВОГО ЭЛАСТОМЕРА
Нгуен Минь Туан, аспирант кафедры технологии переработки пластмасс, e-mail: [email protected]; Осипчик Владимир Семенович, д.т.н., профессор кафедры технологии переработки пластмасс; Нгуен Конг Тинь, студент IV курса бакалавриата кафедры технологии переработки пластмасс; Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева; Россия,125047 Москва, Миусская пл., 9.
Чалая Наталья Михайловна, к.т.н., с.н.с., учёный секретарь ОАО «МИПП - НПО «Пластик», Москва, Россия. Совык Дмитрий Николаевич, к.ф.-м.н., научный сотрудник института общей физики им. А. М. Прохорова РАН
Показано, что для наполненных короткими базальтовыми волокнами композитов на основе смесей полипропилена и металлоценового этиленпропиленового эластомера в приповерхностных слоях литьевых образов волокна ориентируются предпочтительно в направлении течения расплава, но располагаются случайно в центре образцов. Частицы эластомера металлоценового этиленпропиленового эластомера равномерно распределены в матрице полипропилена.
Ключевые слова: полипропилен, металлоценовый этиленпропиленовый эластомер, базальтовое волокно, литье под давлением.
STRUCTURE INVESTIGATION OF INJECTION MOLDING SPECIMENS OF SHORT BASALT FIBERS FILLED COMPOSITES BASED ON MIXTURES OF POLYPROPYLENE AND METALLOCENE ETHYLENE-PROPYLENE ELASTOMER
Nguyen Minh Tuan, Chalaya N.M., Osipchik V. S., Sovyk D. N., Nguyen Cong Tinh D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia JSC "MIPP - NPO"Plastic", Moscow, Russia Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences
It is shown that for short basalt fibers filled composites based on mixtures ofpolypropylene (PP) and metallocene ethylene-propylene elastomer (mEPE) in the near-surface layers of injection molding specimens, the fibers are oriented preferably in the direction of melt flow, but they are located randomly in the center of the samples. The mEPE elastomer particles are evenly distributed in the PP matrix.
Key words: polypropylene, metallocene ethylene-propylene elastomer, basalt fiber, injection molding.
Исследование наполненных короткими базальтовыми волокнами композитов на основе смесей полипропилена (ПП) с эластомером различного типа является актуальной задачей с целью создания материалов, обладающих одновременно высоким модулем упругости и улучшенной ударной вязкостью. Базальтовое волокно (БВ) также является потенциальным кандидатом для замены стекловолокна во многих областях применения [1]. В нашей предыдущей работе [2] показана эффективность металлоценового этиленпропиленового эластомера (мЭПЭ) с низким содержанием этилена в качестве модификатора ударопрочности для ПП. Однако при этом снижаются жесткость и прочность при растяжении, что можно компенсировать добавлением коротких базальтовых волокон. Механические свойства изделий из композитов ПП/эластомер/БВ в основном зависят от структурных факторов, таких как: характер распределения и диспергирования частиц эластомера и БВ, степень их ориентации в ПП матрице, которые определяются не только природой исходных компонентов, способом их модификации, но и методами и условиями процессов
компаундирования и переработки. Поэтому в настоящей работе нас интересовала формируемая структура в получаемых методом литья под давлением образцах композитов ПП/мЭПЭ/БВ, в которых также добавлен малеинизированный полипропилен (МАПП) в качестве
компатибилизатора.
В качестве исходных компонентов были выбраны ПП марки PPG1035-08 «Ставролен», эластомер мЭПЭ марки Vistamaxx 6102 «ЕххоптоЫЬ с содержанием этилена 16%масс. (т.е. с высоким содержанием пропилена - 84%масс.), рубленные базальтовые волокна марки КВ02 «Каменный век» с диаметром волокна 10-22 мкм и средней длиной волокна 3,2 мм. В качестве компатибилизатора применили МАПП марки Бххе1ог РО 1020 «ЕххоЬтоЬП».
Композиты ПП/мЭПЭ/БВ/МАПП получали методом компаундирования в расплаве на лабораторном двухшнековом экструдере с температурным профилем 210-220-210°С (2 зоны нагрева и головка, соответственно) и скоростью вращения шнека 85-90 об/мин. Выходящие стренги проходили через водяную ванну для охлаждения,
затем их гранулировали и сушили. Были приготовлены и исследованы композиты ПП/мЭПЭ/БВ/МАПП с составом 66/20/10/4 и 52/20/20/8, в которых фиксировали содержание мЭПЭ-20%масс. и отношением БВ к МАПП = 5/2.
Образцы в виде бруска (размером 60х6х4 мм) для исследования структуры получали методом литья под давлением на термопластавтомате KuASY со следующим режимом: температурный профиль цилиндра 190-210-235 °С, температура формы 400С, давление впрыска 1110 бар, время выдержки под давлением - 10 с., время охлаждения - 30 с.
Структуру образцов исследовали на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) JEOL 1610LV в центре коллективного пользования РХТУ им. Д. И. Менделеева.
Для изучения характера распределения и ориентации волокон, образцы (в виде бруска) были разрушены при комнатной температуре (230С) как перпендикулярно, так и параллельно направлению течения расплава в форме, а затем проводили сканирование поверхностей разрушения методом СЭМ.
На рисунках 1 и 2 представлены СЭМ микрофотографии литьевого образца композита ПП/мЭПЭ/БВ/МАПП с составом 52/20/20/8 в случае плоскости разрушения, параллельной направлению течения расплава в форме. Проводив фокусирование в приповерхностных слоях образца (рис. 1) видно, что в этих слоях волокна ориентируются предпочтительно в направлении течения расплава.
Это объясняется тем, что при впрыске расплава композита в форму при высоких напряжениях сдвига волокна ориентируются в направлении течения расплава, и эта ориентация сохраняется в приповерхностных слоях благодаря быстрому затвердеванию расплава из-за близости к стенке формы.
При фокусировании на центральных областях образца (рис. 2) видно случайное расположение волокон. Это связано с тем, что центральные слои расплава испытывают при течении меньшие напряжения и охлаждаются медленнее, чем поверхностные слои из-за малой теплопроводности полимера [3]. Поэтому в этих областях релаксация напряжений успевает происходить во время выдержки под давлением и охлаждения в форме, что приводит к случайному расположению волокон.
Хаотичность расположения коротких БВ в центре образца также видно на рисунке 3, когда плоскость разрушения перпендикулярна
направлению течения расплава. При этом были обнаружены волокна, большая часть которых лежит на поверхности разрушения (т.е. перпендикулярна направлению течения расплава). Также наблюдали небольшие круги, которые являются либо кончиками волокон, ориентированных параллельно направлению течения расплава, либо следами волокон после разрушения или вырывания из матрицы. Более того хорошо видны вырванные из матрицы части волокон, расположенных под наклоном к направлению течения расплава.
Направление течения расплава Направление течения расплава
Рис. 1. СЭМ микрофотография приповерхностных слоев литьевого образца (бруска) композита ПП/мЭПЭ/БВ/МАПП с составом 52/20/20/8 в случае плоскости разрушения, параллельной направлению течения расплава (образец разрушен
атность увеличения 50 и 100, соответственно
Направление течения расплава Направление течения расплава
Рис. 2. СЭМ микрофотография центральной области литьевого образца (бруска) композита ПП/мЭПЭ/БВ/МАПП с составом 52/20/20/8 в случае плоскости разрушения, параллельной направлению течения расплава (образец разрушен
при 230С): А, В - кратность увеличения 50 и 100, соответственно
Направление течении ра сл лана п ер пен ди кул я рно Направление течения ра с л л а н а перпендикулярно
плоскости изображения плоскости изображения
Рис. 3. СЭМ микрофотографии центральной области литьевого образца (бруска) в случае плоскости разрушения, перпендикулярно направлению течения расплава (образце разрушен при 230С): А, В - композиты ПП/ мЭПЭ/ БВ/
МАПП с составом 66/20/10/4 и 52/20/20/8, соответственно
Для изучения морфологии эластомерной фазы сначала образец (в виде бруска) был хрупко разрушен после погружения 2 часа в жидком азоте. Затем поверхность разрушения обрабатывали о-ксилолом при 500С в течение 15 мин, чтобы растворить частицы эластомера. Таким образом, образованные полости вместо этих частиц можно увидеть на фоне ПП матрицы при сканировании этой поверхности методом СЭМ. Это видно на рисунке 4, на котором представлены микрофотографии полимерной области между волокнами для образцов композитов ПП/мЭПЭ/БВ/МАПП с составом 66/20/10/4 (рис. 4-А) и 55/20/20/8 (рис. 4-В). При этом было
обнаружено, что частицы эластомера равномерно распределены в ПП матрице.
В исследуемых композитах зафиксировано содержание эластомера мЭПЭ - 20%масс. и отношение БВ к МАПП = 5/2, поэтому с увеличением содержания БВ от 10 до 20%масс. естественно снижается содержание ПП матрицы, и, впоследствии также снижается отношение ПП к мЭПЭ, т.е. увеличивается отношение эластомера мЭПЭ к ПП матрице. Последнее повышает вероятность агломерации капель расплава мЭПЭ в ПП матрице при компаундировании, что приводит к увеличению размера его частиц, форма которых при этом также становится более нерегулярной (рис. 4В).
□
SEI 1 SkV WD12mm SS30 н1Е,000 1pm
MUCTR 0041 1£ Jar> 201B
и £p
SEI 15kV W1J1 ¿-lini 5530 x 15.000 1 |J 11
MUCTR 004T 12 Jen 2013
Рис. 4. СЭМ микрофотографии полимерной области между волокнами на поверхности разрушения литьевого образца
(бруска) после хрупкого разрушения и обработки поверхности разрушения о-ксилолом при 500С в течение 15 мин. (плоскость разрушения перпендикулярно направлению течения расплава): А, В - композиты ПП/ мЭПЭ/ БВ/ МАПП с
составом 66/20/10/4 и 52/20/20/8, соответственно
Таким образом, для исследуемых композитов ПП/мЭПЭ/БВ/МАПП в приповерхностных слоях литьевых образцов короткие БВ чаще всего ориентируются в направлении течения расплава, но в центральной части образца располагаются хаотично. В то же время частицы эластомера мЭПЭ равномерно распределены в ПП матрице, хотя характер диспергирования мЭПЭ сильно изменяется при варьировании состава композитов, что в дальнейшем требует более подробного исследования.
Список литературы
1. Vikas G. A Review on Properties of Basalt Fiber Reinforced Polymer Composites / G. Vikas, M. Sudheer // American Journal of Materials Science, -2017. -Vol. 7. -p. 156-165.
2. Нгуен Минь Туан, Н. М. Чалая, В. С. Осипчик. Структура и физико-механические свойства смесей полипропилена и металлоценового этиленпропиленового эластомера // Пластические массы. -2017. - № 9-10. - С. 12-16.
3. Борнитков В. Г. Основы технологии переработки пластических масс: Учебное пособие для вузов. -Л.: Химия. - 1983. - 304 с.
