CC BY
40
_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 10
УДК 678.742.046
Д.Ю. Шитов*, Е.С.Тихонова, П. А. Повернов, Чжо Ко Ко Тхант, Т.П. Кравченко
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, Миусская пл., д. 9 * e-mail: bee-da@mail.ru
СВОЙСТВА
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАНОНАПОЛНИТЕЛЕИ НА ПОЛИЭТИЛЕНА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
Аннотация
Показано, что введение органобентонита в ПЭВД в количестве 2 мас.%. приводит к повышению разрывного напряжения, снижению усадки, при этом наблюдается небольшое снижение ПТР.
Ключевые слова: полиэтилен высокого давления, органобентонит, прочностные показатели.
Ключевым параметром, во многом определяющим свойства и технологию получения наполненных полимерных композиционных материалов, является концентрация наполнителя, которая оказывает, пожалуй, основное влияние на физико-механические свойства полимерных композитов и технологию переработки исходных полимеров в них.
В качестве полимерной матрицы был выбран полиэтилен высокого давления, как наиболее дешевый, доступный и крупнотоннажный полимер. В качестве наполнителя был использован органобентонит, полученный модификацией №+-монтмориллонита хлористым октадециламмонием. Так как органобентониты надежно зарекомендовали себя как усиливающие наполнители для полиэтилена низкого давления и изотактического полипропилена, то есть основания предполагать их эффективность для повышения физико-механических характеристик полиэтилена высокого давления. Примечательно, что несмотря на значительное число работ, посвященных исследованию физико-механических свойств наполненных органобентонитом ПЭНД и изотактического полипропилена, механические свойства наполненного органобентонитом ПЭВД исследованы в значительно меньшей степени.
Для нахождения концентрации органобентонита, обеспечивающей наилучшее сочетание механических свойств получаемых композитов и технологических параметров их переработки, был получен и исследован ряд наполненных образцов ПЭВД, концентрация наполнителя в которых варьировалась от 1 до 7мас.%.
Как известно, увеличение концентрации наполнителя всегда приводит к затруднению переработки расплава термопластов в конечное изделие ввиду снижения показателя текучести расплава (ПТР). ПТР измеряли для расплавов исходного ПЭВД и расплавов его композиций с различными массовыми долями орагнобентонита при температуре 190оС (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость ПТР расплава ПЭВД от массовой доли органобентонита
Как видно из рисунка, в области низких массовых долей наполнителя ПТР линейно уменьшается с ростом концентрации наполнителя в соответствии с корреляционным уравнением: ПТР = 2,01 - 0^,
где: ПТР - показатель текучести расплава; w -массовая доля органобентонита в расплаве.
При концентрации наполнителя больше 3 мас.% ПТР также почти линейно снижается с увеличением массовой доли наполнителя, однако угловой коэффициент оказывается меньше, а корреляция имеет вид:
ПТР = 2,12 - 0,0875w.
Уменьшение тангенса угла наклона (он становится более отрицательным) зависимости ПТР от массовой доли органобентонита свидетельствует о возможном изменении структуры полимера с ростом концентрации органобентонита. Физической причиной такого изменения, вероятно, является укрупнение агрегатов наполнителя с ростом его концентрации и формирование локальных зон повышенной вязкости.
Изменение структуры полимера также находит отражение в наличии максимума зависимости прочности при изгибе, получаемых после охлаждения расплава композитов ПЭВД-ОБ, от массовой доли органобентонита (рис.2).
6,3 -I-,-,-1-1-,-,-,
0 1 2 3 4 5 5 7
УУ, °/о
Рис.2. Зависимость прочности при изгибе композита ПЭВД - ОБ от массовой доли органобентонита
Максимум также обнаруживается на зависимости ударной вязкости от концентрации наполнителя, причем максимальной величине ударной вязкости соответствует массовая доля органобентонита 2мас.% (рис.3).
Как видно из рисунков, снижение прочностных показателей полимера наблюдается при массовой доле органобентонита 3мас.%, тогда как максимальные значения ударной вязкости и прочности при изгибе композитов достигаются при концентрации органобентонита 2 мас.%. Вероятно, это связано с усадкой композита после охлаждения расплава, что разумеется приводит к сжатию участков полимерной матрицы между частицами наполнителя и уменьшению его концентрации, соответствующей началу агрегации частиц. Усадка исходного ПЭВД составляет 2%, а величина усадки наполненного органобентонитом ПЭВД составляет 1,7 - 1,8 % и практически не зависит от его концентрации в исследованном диапазоне ее изменения.
Напряжение, соответствующее разрыву в условиях растяжения образца, практически не зависит от концентрации органобентонита и составляет 10,1 - 10,2 МПа до достижения ее значения 5 мас. %, а далее снижается с ростом степени наполнения. При увеличении степени наполнения свыше 1мас.% разрывное удлинение композитов ПЭВД - ОБ монотонно уменьшается, что очевидно связано с ограничением сегментальной подвижности за счет адсорбционного взаимодействия полимера с поверхностью органобентонита. Однако в области малых степеней наполнения (до 1 мас.%) ПЭВД органобентонитом наблюдается прирост разрывного удлинения (рис. 4).
18,1
м
А 18
17,9
А 17,8
О
% 17,7
I
X 1АЬ
I
я в 17,5
я 17,4
рЛ
1/,3
0 1 2 3 4 5 6 7
W,%
Рис. 3. Зависимость ударной вязкости композита ПЭВД -ОБ от массой доли органобентонита
170
5
но
100 -----1-|-|---1
01231567 IV, %
Рис. 4. Зависимость удлинения при разрыве композита ПЭВД - ОБ от массой доли органобентонита
Как видно из полученных зависимостей, наибольшее значение ударной вязкости и прочности при изгибе композитов ПЭВД, наполненных органобентонитом, достигается при степени наполнения 2 мас.%. При этом разрывная прочность исходного ПЭВД сохраняется, усадка снижается, наблюдается достаточно высокое разрывное удлинение - 150%. ПТР расплава ПЭВД, содержащего 2 мас. % органобентонита, лишь немного уменьшается по сравнению с исходным полимером. Поэтому оптимальной степенью наполнения ПЭВД органобентонитом следует считать 2 мас. %. При этом композиты ПЭВД, содержащие 2 мас.% органобентонита, превосходят по своим физико-механическим свойствам часто используемые композиты ПЭВД ,наполненные 30% масс. мела, асбеста или шлама (таблица 1).
Наполнение ПЭВД органобентонитом оказывается также оправданным экономически, так как его стоимость не превышает 130 рублей за килограмм.
Таблица 1. Свойства композитов ПЭВД, содержащих различные наполнители
Наполнитель Массовая доля наполнителя, % Прочность при разрыве, МПа Относительное удлинение при разрыве, % ПТР, г/10мин
Органобентониг 2 10,1 150 1,9
Мел 30 9,2 60 1,35
Шлам 30 9,3 45 1,3
Асбест 30 10,1 55 -
Поскольку физико-механические свойства полимеров определяются равномерностью композиционных материалов на основе наполненных распределения частиц наполнителя, их способностью
к агломерации и термодинамическом крайней мере, высокую равномерность
совместимостью полимера и наполнителя, то распределения частиц наполнителя и подавление
необходимо установление оптимального способности частиц наполнителя к агломерации.
технологического режима, способного обеспечить, по
Частота вращения шнеков, оо мин
Рис.5. Зависимость ударной вязкости от частоты вращения шнека при различных давлениях пластикации: 1 - 5; 2 - 15; 3 - 20 бар. Система ПЭВД - 2 мас. % ОБ.
Изготовление образцов осуществляли на литьевой машине при трех различных давлениях пластикации - 5, 15 и 20 бар, при этом для каждого давления пластикации были исследованы частоты вращения шнеков: 40, 100, 150 оборотов в минуту.
Полученные зависимости ударной вязкости от частоты вращения шнеков при различных
давлениях пластикации (рис. 5) обнаруживают максимум при частоте вращения шнека 100 об/мин. Наблюдаемый прирост ударной вязкости композитов ПЭВД-ОБ при увеличении числа оборотов шнека до 100 об/мин связан с более равномерным распределением наполнителя по объему расплава.
Шитов Дмитрий Юрьевич, аспирант кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Тихонова Екатерина Сергеевна, студент кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Повернов Павел Алексеевич, студент аспирант кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Чжо Ко Ко Тхант, магистрант кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Кравченко Татьяна Петровна, к.т.н., в.н.с. кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Shitov Dmitryi Yurevich*, Tikhonova Ekaterina Sergeevna, Povernov Pavel Alekseevich, Kravchenko Tatyana Petrovna, Chjo Co Co Tkhant
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: bee-da@mail.ru
STUDY OF THE EFFECT OF NANOFILLERS ON THE PROPERTIES OF HIGH-PRESSURE POLYETHYLENE
Abstract
It is shown that the introduction of organobentonit to LDPE in an amount 2 mass.%. leads to increased tensile strength , reduced shrinkage with a slight decrease in viscosity.
Key words: high-density polyethylene , organobentonit , strength characteristics
