CC BY
50
УДК 678.073.029
А.А. Редькина*, В.А. Запорников, В.С. Осипчик, А.И. Кочетков, О.И. Кладовщикова
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9 (1-я Миусская ул., д. 3) * e-mail: redkina_aleksandra@mail.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НАПОЛНЕННОГО ПОЛИКАРБОНАТА С УЛУЧШЕННЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
Изучено влияние органического наполнителя и полимерных добавок на свойства поликарбоната (ПК) и смесей на его основе. Установлено, что армирование ПК органическим наполнителем значительно повышает деформационно - прочностные характеристики и препятствует усадке, тем самым повышая размерную стабильность изделий. Добавление в композицию модификатора улучшает совместимость наполнителя с поликарбонатом, повышая его механические характеристики. Таким образом модификация ПК выбранными добавками позволяет изменить свойства материала в нужном направлении и расширить области его применения. Эти материалы могут быть рекомендованы для изготовления изделий сложной конфигурации и для тонкостенных изделий.
Ключевые слова: композиционный материал; поликарбонат; органический наполнитель; модификатор.
На сегодняшний день поликарбонат является одним из перспективных материалов для исследований и разработок. Поликарбонат (ПК) -прозрачный аморфный конструкционный термопластичный материал. Выдерживает кратковременный нагрев до 153°С и циклические перепады температур от -253 до +100°С. Интервал температур длительной эксплуатации: от -100 до 115-130°С. Температура стеклования: 140-155°С [1,2].
ПК обладает высокой жесткостью и прочностью в сочетании с очень высокой стойкостью к ударным воздействиям, в том числе при повышенной и пониженной температурах. Базовые марки имеют высокий коэффициент трения. ПК- биологически инертен, подвергается стерилизации, нетоксичен, обладает хорошими оптическими свойствами. ПК не стоек к действию УФ-излучения (в результате уменьшается ударопрочность и относительное удлинение) [1,3].
Согласно литературным данным, несмотря на наличие комплекса уникальных свойств, ПК имеет ряд своих недостатков, таких как: низкие трещиностойкость и адгезия, а также трудность переработки из-за высокой вязкости расплава [4].
Поэтому очень часто поликарбонат применяют в сочетании с другими соединениями. Используя различные добавки и модификаторы в составе новых композиционных материалов на основе поликарбоната, полученные продукты могут использоваться в различных областях. Специфическое целевое назначение каждой добавки и модификатора определяет требование к его структуре и свойствам, что обуславливает в свою очередь выбор при введении той или иной
концентрации добавок, общей рецептуры и технологии производства [5].
Таблица 1 Свойства поликарбоната
Наименование показателя Lexan 124R (PC)
Плотность, г/см3 1,24
Показатель текучести
расплава, г/10 мин при 10
2800С; 2,16 кг.
Предел текучести при 56
растяжении, МПа, не менее
Прочность при разрыве, 46
МПа, не менее
Относительное удлинение при разрыве, %, не менее >50
Изгибающее напряжение
при 50% прогибе, МПа, не 74
менее
Ударная вязкость по Шарпи
на образцах с надрезом, 20
кДж/м2
Температура размягчения 148
по Вика, 0С, не менее
Температура размягчения
при напряжении изгиба 1,8 130
МПа
Водопоглощение после 24 0,2
часов пребывания в воде, %
Усадка при литье, % 0,5-0,7
Температура переработки, 0С 260-290
Были проведены исследования влияния различных добавок на характеристики поликарбоната (свойства используемой марки
отображены в таблице 1). Для этого были созданы композиции на основе ПК с разным процентным содержанием добавок: использовались
волокнистый органический наполнитель, АБС пластик и модификатор. Для установления наиболее характерных смесей с улучшенными характеристиками в данной работе был проведен ряд исследований.
На первом этапе работы был определен показатель текучести расплава (ПТР), который необходим для сравнительной характеристики сырья и ориентировочного выбора способа переработки.
С увеличением количества органического наполнителя в составе композиций на основе поликарбоната ПТР падает, это может быть связано с ростом вязкости расплава, что способствует трудности при переработке.
Еа, кДж/мол
400 350 300 250 200 150 100
4,6
4,8
Lexan
анИрч
5,2
5,4
Органический наполнитель 10%
Рисунок 1. Зависимость энергии активации вязкого течения от нагрузки Также были исследованы кривые вязкого течения расплава (рисунок 1). По характеру этих кривых можно сказать, что органический наполнитель и полимерная матрица (ПК) активно взаимодействуют между собой, что также объясняет трудности при переработке.
На следующем этапе работы на атомно-силовом микроскопе (АСМ) NTEGRA Prima (NT-MDT, Россия, Зеленоград) исследовалась структура, образующаяся при наполнении. Режим сканирования АСМ - контактный. Были взяты образцы исходного ПК марки Lexan124R, а также наполненного органическим наполнителем. ПК
имеет не сетчатую структуру, поэтому относится к термопластам и может многократно расплавляться, повторно перерабатываться из отходов в новые изделия [3].
Снимки исходного ПК и наполненной системы органическим наполнителем, модификатором представлены ниже(рис.2,3).
Рисунок 2. Структура ПК Ьехап124К
На снимках хорошо видны ламелии аморфного поликарбоната, которые представляют его несетчатую надмолекулярную структуру.
Рисунок 3. Структура ПК наполненная 10% органического наполнителя и 3 % модификатора
Также можно увидеть, как волокна стремятся ориентироваться по направлению течения. За счет этого структура композиции становится более прочной и тем самым объясняет увеличение упругопрочностных характеристик материала, таких как прочность на разрыв и изгиб (полученные данные указаны в таблице 2).
Таблица2.
Зависимость свойств от концентрации органического наполнителя
Композиция Прочность при изгибе, МПа Прочность при разрыве, Мпа Относительное удлиненна, % Усадка, % ПТР, г/10 мин
Медленная скорость испытания Быстрая скорость испытания Медленная скорость испытания Быстрая скорость испытания
ПК+2,5% орг. наполнитель 88,81 57,6 70 13,34 1631 0,47 15,1
ПК+5% орг. наполнитель 90,88 59,1 72 13,1 15 0,46 18,6
ПК+10% орг. наголнитель 109,61 70,3 9134 13,1 15,2 0,25 12
ПК+10% орг. наполнитель+ модификатор 3% 100.17 53,6 7,24 11,6 14,7 0,34 12,5
ПК+5%АВ&-пластик + орг. наполнитель 10% 109,88 66,1 84,1 12,1 14,2 0,27 17
При добавлении АБС-пластика в композиции повышается ударная вязкость. По-видимому, это происходит из-за увеличения эластичных блоков в структуре материала. Увеличение органического наполнителя вызывает обратный эффект, понижая ударную вязкость. Это хорошо согласуется с данными АСМ, показывающими различие структуры исходного ПК и наполненного органическим наполнителем.
На втором этапе работы была исследована технологическая усадка, которую измеряли на образцах, изготовленных методом литья под давлением (рис. 4). Хорошо заметно, что введение органического наполнителя значительно снижает усадку, что повышает размерную стабильность изделий при переработке.
Технологическая усадка с увеличением наполнения поликарбоната падает. Это связано с тем, что волокна, распределяясь в полимерной
матрице, образуют сетчатую структуру, заполненную связующим, и препятствуют усадке материала[6-8].
10
15
Содержание органического наполнителя, масс.%
Рисунок 4. Зависимость технологической усадки от содержания органического наполнителя в композиции
%
ПК 1_ехап
ПК+Органический наполнитель 10 %
ПК + Органический наполнитель 10% + Модификатор 3%
ПК+АБС-пластик 5%
12 3 Сутки 4
Рисунок 5. Водопоглощение полученных композиций
Заключительным этапом исследования стало усадке
повышая размерную
испытание на водопоглощение (рис. 5). Согласно литературным данным, максимальное
водопоглощение ПК, погруженного в воду при 25 С, составляет 0,42%, что хорошо согласуется с полученными нами данными. На графике видно, что при добавлении модификаторов процент водопоглощения меняется незначительно. Но в сравнении с исходным поликарбонатом (верхняя кривая) полученные данные наполненных композиций меньше в 2 раза.
Выводы по исследовательской работе: Разработаны новые композиционные материалы на основе поликарбоната с улучшенными технологическими
характеристиками.
Изучено влияние органического наполнителя и полимерных добавок на свойства поликарбоната и смесей на его основе.
Установлено, что армирование поликарбоната органическим наполнителем значительно повышает деформационно - прочностные характеристики поликарбоната и препятствует
тем самым стабильность изделий.
Показано, что модификация поликарбоната органической добавкой ухудшает реологические свойства поликарбоната, в результате чего увеличивается вязкость расплава, вероятность протекания деструктивных процессов и затрудняется процесс переработки.
Установлено, что введение модификатора увеличивает ударные характеристики и эластичность материала.
Показано, что добавление в композицию модификатора улучшает совместимость наполнителя с поликарбонатом, повышая его механические характеристики.
Модификация поликарбоната выбранными добавками позволяет изменить свойства материала в нужном направлении и расширить области его применения. Эти материалы могут быть рекомендованы для изготовления изделий сложной конфигурации, а также для
тонкостенных изделий.
0
5
6
Редькина Александра Андреевна аспирант кафедры технологии переработки пластмасс, РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Запорников Вячеслав Андреевич аспирант кафедры технологии переработки пластмасс, РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Осипчик Владимир Семенович д.т.н., профессор, заведующий кафедрой технологии переработки пластмасс, РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Кочетков Александр Иванович студент кафедры технологии переработки пластмасс, РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Кладовщикова Ольга Ивановна студентка кафедры технологии переработки пластмасс, РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Смирнова О.В., Ерофеева С.Б. Поликарбонаты. - М.: Химия, 1975. 288 с.
2. Шнелл Г. Физика и химия поликарбонатов. - Пер. с англ - М.:Химия, 1967. 230 с.
3. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие / М.Л, Кербер, В.М. Виноградов, Г.С. Головкин и др.; под ред. А. А. Берлина. - СПб.: Профессия, 2008. 560 с.
4. Кравченко Т.П., Горбунова И.Ю., Осипчик В.С., В. А. Технология получения композиционных материалов на основе армированных полимеров: учебн.пособие// М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2013. 80 с.
5. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционые материалы. - 2е изд. - СПб.: Научные основы и технологии, 2010. 882 с.
6. Костиков В.И., Варенков А.Н. Сверхвысокотемпературные композиционные материалы. - М.: Интернет Инжиниринг, 2003. 560 с.
7. Мелешко А.И. Композитный мир, 2006. №3.С. 17-19
8. Бушуев А.С. Конструкции из КМ , 2004. №1. С.45-51
Redkina Aleksandra Andreyevna* , Zapornikov Vyacheslav Andreyevich, Osipchik Vladimir Semenovich, Kochetkov Aleksandr Ivanovich, Kladovschikova Olga Ivanovna
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
* e-mail: redkina_aleksandra@mail.ru
INVESTIGATION OF FILLED POLICARBONATE WITH IMPROVED PROCESSABILITY
Abstract
The influence of organic filler and polymer additives on the properties of polycarbonate (PC) , and mixtures on their based, were studied. It has been established that PC organic filler reinforcement significantly improves the deformation - the strength characteristics and prevents shrinkage, there by increasing the dimensional stability of the products. Addition of the modifier in the composition improves the compatibility of the filler with the polycarbonate, improving its mechanical characteristics . Thus modification of selected additives PC allows you to change the properties of the material in the right direction and to expand its use. These materials can be recommended for the manufacture of complex configuration for thin-walled parts.
Key words: composite material; polycarbonate; organic filler; modifier.
