CC BY
17УДК 678.743.22
Samuilova Evgeniia O., Markova Ekaterina V., Uspenskaya Mayya V.
THE STUDY OF THE INFLUENCE OF GASOLINE ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF WOOD-PLASTIC COMPOSITES BASED ON POLYVINYL CHLORIDE
ITMO University, Kronverkskiy pr-t, 49, St. Petersburg, 197101, Russia. e-mail: [email protected]
In this study, the gasoline resistance of wood-polymer composites based on plasticized and unplasticized polyvinyl chloride (PVC) was studied. It was shown that the resistance of the obtained composite materials to the exposure to gasoline, as wel as their deformation and strength characteristics, depend on the components of the polymer composition. It was found that the strength of the obtained wood-polymer composites during piercing varies slightly and decreases by 11-14% for all series of samples, however, the relative elongation during piercing depends on the composition of the samples and the nature of the components. So, the samples containing polyhydroxybutyrate after exposure to gasoline become two or three times more elastic, whereas the samples containing gasoline-soluble dioctylphthalate, become 80% less elastic.
Keywords: composites, wood-polymer composites, polyvinyl chloride, polyhydroxybutyrate, mechanical characteristics, petrol resistance.
Введение
Поливинилхлорид (ПВХ), являясь одним из основных в мире полимеров, широко используется в производстве упаковочных и бытовых товаров, потребляемых во всем мире, благодаря возможности его вторичного использования, а также получения на его основе различных композиционных материалов путем применения модификаторов и наполнителей. Исследования жизненного цикла ПВХ показало, что изделия на его основе обладают хорошей энергоэффективностью и высокой теплоизоляционной ценностью, а также не требуют больших затрат на их обслуживание [1].
Как известно, ПВХ является химически стабильным полимером, поэтому изделия на его основе отличаются долговечностью и устойчивость к воздействию многих факторов внешней среды. Вместе с тем, такие изделия практически не поддаются вторичной переработке, а накапливаются на свалках и полигонах после окончания срока их эксплуатации, что влечет за собой увеличение объема полимерных отходов и негативно сказывается на окружающей среде [2-4].
Самуйлова Евгения Олеговна, Маркова Екатерина Витальевна, Успенская Майя Валерьевна
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ
БЕНЗИНА НА
МЕХАНИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
ДРЕВЕСНО-ПОЛИМЕРНЫХ
КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ
ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Кронверкский пр-т, 49, Санкт-Петербург, 197101, Россия. e-mail: [email protected]
В ходе работы была изучена бензостойкость древесно-полимерных композитов на основе пластифицированного и непластифицированного поливинилхлорида (ПВХ). Показано что устойчивость полученных композиционных материалов к воздействию на них бензина, а также их деформационно-прочностные характеристики зависят от состава полимерной композиции. Установлено, что прочность при прокалывании полученных древес-но-полимерных композитов после изменяется незначительно и снижается на 11-14% для всех серий образцов, вместе с тем относительное удлинение при прокалывании зависит от состава образцов и природы компонентов. Так образцы, содержащие в своем составе полигидроксибутират, после воздействия на них бензина становятся эластичнее в два-три раза, тогда как образцы, содержащие в своем составе растворимый в бензине диоктилтерефталат, становятся менее эластичными на 80%.
Ключевые слова: композиты, древесно-полимерные композиты, поливинилхлорид, полигидроксибутират, механические характеристики, бензостройкость.
Дата поступления - 4 июня 2019 года
Одним из возможных способов уменьшения потребления ПВХ является создание на его основе композитов, с добавлением нетоксичных материалов, например, древесной муки (ДМ), опилок, биополимеров и т.п. Таким образом, создание древесно-полимерных композитов (ДПК) на основе ПВХ, обладающих эксплуатационными характеристиками близкими к оным, присущим материалам на основе «чистого» ПВХ является актуальной задачей для исследования [5, 6].
Одной из основных характеристик, которой должны обладать изделия на основе ПВХ является их устойчивость к воздействию агрессивных сред, в частности масло- и бензостойкость [7]. В связи с этим, в настоящей работе было исследовано влияние бензина на механические характеристики древесно-полимерных композитов на основе ПВХ и полигидрок-сибутирата (ПГБ), наполненных частицами древесной муки различного состава [8-9].
Объекты и методы исследования
Для приготовления древесно-полимерных композитов использовались промышленные композиции производства «Клёкнер Пентапласт Рус» на основе непластифицированного ПВХ (далее - ПВХ(н)) и ПВХ пластифицированного диоктилтерефталатом (далее -ПВХ(п)). В работе также были использованы: гранулированный полигидроксибутират (ПГБ) марки «Kaneka Aonilex X131A» и растительные наполнители: еловая мука (ЕМ); древесная мука без лигнина марки «Arbocel» (ДМБЛ) и рисовая шелуха (РШ). Пленки получали методом вальцевания расплава смеси компонентов на цилиндрических вальцах, при скорости вращения вальцов 24 оборота в минуту и температуре 175 °С.
В ходе работы были получены две серии образцов. Первая серия представляла собой композитные полимерные пленки на основе непластифициро-ванного ПВХ, полигидроксибутирата и древесной муки в соотношении ПВХ/ПГБ/ДМ: 70/20/10, 60/20/20, 50/20/30. Вторая серия - на основе пластифицированного ПВХ и древесной муки с соотношением компонентов ПВХ/ДМ: 80/20 и 60/40.
Для проведения испытаний на бензостойкость полученные образцы композитов нарезались на пластины размером 20х50 мм, помещались в стеклянные колбы с притертой крышкой и заливались 200 мл бензина стандарта АИ-95 с последующим выдерживанием в течение 7 суток. По истечение времени образцы доставали, высушивали, взвешивали и подвергали механическим испытаниям на прокол.
Анализ прочностных характеристик пленок выполняли на анализаторе текстуры TA.XTplus с использованием насадки с держателем для пленки XTP/FSP и сферического зонда P/SS 05мм. Скорость опускания зонда составляла 1 мм/сек.
Прочность (предел прочности) при прокалывании определялся как максимум механического напряжения стр (МПа) при прокалывании образца материала.
°P=Ff (1)
где Fp - максимум нагрузки образца в процессе прокалывания, Н; Sp - площадь распределения нагрузки, мм2.
Относительная деформация ер (%) образца полимерного материала, выше которого происходило прокалывание, рассчитывалась по следующей формуле (2):
^У а2 + д 2 + г _ ^
- 1) • 10 0%
(2)
где а = 6,25 мм - линейный размер образца между зондом и краем отверстия рабочей зоны держателя плёнки; а = 5мм - радиус нагружаемой окружности образца до испытания; С - расстояние, пройденное зондом до точки прокалывания, мм; г = 2,5 мм - радиус наконечника зонда.
Для определения степени набухания древес-но-полимерных композитов в среде бензина подготовленные образцы взвешивались на аналитических весах до и после воздействия бензина.
Определение степени набухания полимерных пленок в среде бензина проводилось гравиметрическим методом по следующей формуле (3).
Q =
т-т0
100%
(3)
где Q - степень набухания образца, %; т - масса набухшего образца, г; т0 - исходная масса образца, г.
Результаты и обсуждения
Ниже представлены результаты исследования бензостойкости новых древесно-полимерных композитов (ДПК) на основе пластифицированного и непластифицированного ПВХ различного состава.
Экспериментальные данные по изменению массы полимерных композитов двух серий различного состава после выдерживания в бензине в течение 7 суток, представлены в таблицах 1 и 2, соответственно.
Как видно из экспериментальных данных, представленных в таблицах 1 и 2, образцы ПВХ композиций различного состава, ведут себя по-разному при воздействии на них агрессивной среды - бензина.
Для первой серии (табл. 1) характерно набухание ПВХ образцов в среде бензина, что связано с набуханием полигидроксибутирата в составе композита. Для образцов второй серии (табл. 2) характерна потеря массы в пределах 19,5-21,5 %. Это обусловлено, прежде всего, вымыванием межпластового пластификатора - диоктилтерефталата, растворимого в бензине.
Таблица 1. Результаты бензостойкости образцов древесно-полимерных композитов на основе
Композиция Код образца то, г т, г Q, %
70 %ПВХ(н)/20 % ПГБ/10 % ЕМ С1.Ф1 0,39 0,44 12,23
60 %ПВХ(н)/20 % ПГБ/20 % ЕМ С1.Ф2 0,37 0,41 11,37
50 %ПВХ(н)/20 % ПГБ/30 % ЕМ С1.Ф3 0,42 0,47 11,89
70 %ПВХ(н)/20 % ПГБ/10 % ДМБЛ С1.Ф4 0,49 0,55 10,93
60 %ПВХ(н)/20 % ПГБ/20 % ДМБЛ С1.Ф5 0,44 0,49 11,47
50 %ПВХ(н)/20 % ПГБ/30 % ДМБЛ С1.Ф6 0,42 0,47 11,47
70 %ПВХ(н)/20 % ПГБ/10 % РШ С1.Ф7 0,47 0,52 11,69
60 %ПВХ(н)/20 % ПГБ/20 % РШ С1.Ф8 0,44 0,50 11,70
60 %ПВХ(н)/20 % ПГБ/30 % РШ С1.Ф9 0,44 0,49 11,49
Зависимости прочности и относительного удлинения, исследуемых ДПК, на основе ПВХ от состава и доли наполнителя, а также воздействия агрессивной среды представлены на рисунках 1-4 и в таблице 2.
В результате проведенного исследования прочности при прокалывании установлено, что воздей-
ствие агрессивной среды бензина, не оказывает существенного влияния на прочность при прокалывании для древесно-полимерных композитов на основе ПВХ, уменьшая её значение в среднем на 11-14 %, независимо от состава композита.
Таблица 2. Результаты бензостойкости образцов древесно-полимерных композитов на основе пластифицированного ПВХ.
Композиция Код образца то, г т, г Потеря массы, %
100 %ПВХ (п) С2.Ф1 0,67 0,53 -21,47
80 % ПВХ(п)+20 % ЕМ С2.Ф2 0,61 0,48 -21,11
60 % ПВХ(п)+40 % ЕМ С2.Ф3 0,61 0,49 -20,16
80 % ПВХ(п)+20 % ДМБЛ С2.Ф4 0,65 0,51 -22,58
60 % ПВХ(п)+40 % ДМБЛ С2.Ф5 0,59 0,47 -20,96
80 % ПВХ(п)+20 % РШ С2.Ф6 0,59 0,47 -20,88
60 %ПВХ(п)+40 % РШ С2.Ф7 0,61 0,49 -19,66
Рис. 1. Изменение прочности при прокалывании для первой серии образцов (столбец 1 - значения до воздействия бензина, столбец 2 - после воздействия бензина)
Рис. 2 Изменение прочности при прокалывании для второй серии образцов (столбец 1 - значения до воздействия бензина, столбец 2 - после воздействия бензина)
Рис. 3 Изменение степени относительного удлинения при прокалывании для первой серии образцов (столбец 1 - значения до воздействия бензина, столбец 2 - после воздействия бензина)
Однако, изменение значений относительного удлинения при проведении экспериментов по бензостойкости, показало, что определяющим фактором является состав древесно-полимерного композита. Для образцов первой серии на основе непластифицирован-ного ПВХ установлено увеличение относительного удлинения в 2-3 раза, что, скорее всего, связано с пла-
С2.Ф1 С2.Ф2 С2.ФЗ С2.Ф4 С2.Ф5 С2.Ф6 С2.Ф7 Код образца
Рис. 4 Изменение степени относительного удлинения при прокалывании для второй серии образцов
стифицирующими действиями растворителя в процессе набухания.
Для образцов второй серии на основе пластифицированного ПВХ показано уменьшение относительного удлинения на 75-80 % при проведении эксперимента, что может быть обусловлено, прежде всего, вымыванием из композита диоктилтерефталата и упрочнением структуры.
Таблица 2. Значения прочности при прокалывании и относительного удлинения образцов ПВХ _композитов до и после воздействия бензина
Код образца о, МПа £, %
до после до после
С1.Ф1 2,84 2,27 19,93 79,71
С1.Ф2 1,44 1,35 13,42 28,42
С1.Ф3 1,48 1,29 12,56 20,17
С1.Ф4 2,80 2,46 16,82 44,96
С1.Ф5 1,78 1,68 12,35 31,69
С1.Ф6 1,62 1,22 13,18 23,11
С1.Ф7 2,63 2,48 22,06 66,27
С1.Ф8 2,24 1,81 14,18 40,31
С1.Ф9 1,87 1,45 15,55 23,32
С2.Ф1 5,65 7,09 274,08 231,41
С2.Ф2 2,42 2,55 124,21 28,64
С2.Ф3 1,47 1,75 62,15 15,04
С2.Ф4 2,95 2,94 114,77 28,12
С2.Ф5 1,73 1,83 71,08 14,10
С2.Ф6 2,55 2,03 77,11 25,15
С2.Ф7 1,54 1,61 53,01 13,32
Заключение
В результате проведенного исследования показано, что устойчивость древесно-полимерных композитов на основе пластифицированного и непластифи-цированного ПВХ к воздействию среды бензина, зависит от природы и состава композита. Так присутствие в составе древесно-полимерного композита компонента, растворимого в бензине, диоктилтерефталата, влечет за собой снижение устойчивости исследуемых материалов к воздействию агрессивной среды в размере пропорциональном количеству данного компонента.
Определено, что воздействие бензина, не оказывает существенного влияния на прочностные характеристики древесно-полимерных композитов на основе непластифицированного ПВХ, снижая значение прочности при прокалывании в среднем на 11-14 %. Изменение значений относительного удлинения образцов до и после воздействия бензина подтвердило, что определяющим фактором является исходный состав полимерного композита. Для образцов первой серии на основе немодифицированного ПВХ установлено увеличение относительного удлинения в 2-3 раза, что, скорее всего, связано с набуханием композита в среде растворителя. Для образцов второй серии на основе пластифицированного ПВХ показано уменьшение относительного удлинения на 75-80 %, что может быть обусловлено, прежде всего, вымыванием из композита диоктилтерефталата.
На основании выше изложенного можно сделать вывод о возможности применения древесно-полимерных композитов на основе непластифициро-ванного ПВХ в условиях, не исключающих применение бензина, так его наличие не приводит к существенному снижению эксплуатационных характеристик, таких как прочность при прокалывании. Использование дре-весно-полимерных композитов, содержащих в своем составе диоктилтерефталат, не рекомендовано для использования в условиях, сопряженных с воздействие бензина и его паров на ДПК.
Литература
1. Ахмадеева О.А., Урусова А.С. Проблемы обращения полимерных отходов в Российской Федерации // Молодой ученый. 2016. № 8. С. 486-488.
2. Гроссман Ф. Руководство по разработке композиций на основе ПВХ М.: Научные основы и технологии, 2009. 550 с.
3. Крыжановский В. К., Кербер М.Л., Бурлов В.В., Паниматченко А.Д. Производство изделий из полимерных материалов / под общ. ред. В.К. Крыжанов-ского. Санкт-Петербург: Профессия, 2008. 460 с.
4. Шиллер М. Добавки к ПВХ. Состав, свойства и применение / Пер. с англ. яз. под ред. Н.Н. Тихонова СПб.: Профессия, 2017. 400 с
5. Галимов Э.Р., Мухин А.М, Галимов Н.Я, Шибаков В.Г. Композиционные материалы на основе поливинилхлорида, дисперсных наполнителей и полимерных модификаторов. Набережные Челны: Кам. гос. инж.-экон. академия, 2012. 170 с.
6. Клёсов А. Древесно-полимерные композиты. СПб.: Научные основы и технологии, 2010. 736 с.
7. Файзуллина Г.Ф, Мазитова АК, Габитов А.И., Маскова А.Р, Хуснутдинов Б.Р, Фаттахова А.М. Разработка новых пластификаторов поливинилхлорида // Нефтегазовое дело. 2014. № 12-1. С. 120-127.
8. Ratanawilai T, Taneerat K. Alternative polymeric matrices for wood-plastic composites: Effects on mechanical properties and resistance to natural weathering // Construction and Building Materials. 2017. V. 172. P. 349-357.
9. Srubar W. V,, Blliington S.L. A micromechanical model for moisture-induced deterioration in fully biore-newable wood-plastic composites // Composites: Part A. 2013. V. 50. P. 81-92.
References
1. Ahmadeeva O.A., Urusova A.S. Problemy obrashcheniya polimernyh othodov v Rossijskoj Federacii // Molodoj uchenyj. 2016. № 8. S. 486-488.
2. Grossman F Rukovodstvo po razrabotke kompozicij na osnove PVH M.: Nauchnye osnovy i tekhnologii, 2009. 550 s.
3. Kryzhanovskij V.K, Kerber M.L, Burlov V. V,, Panimatchenko A.D.Proizvodstvo izdelij iz polimernyh materialov / pod obshch. red. V.K. Kryzhanovskogo. Sankt-Peterburg: Professiya, 2008. 460 s.
4. SHiller M. Dobavki k PVH. Sostav, svojstva i primenenie / Per. s angl. yaz. pod red. N.N. Tihonova SPb.: Professiya, 2017. 400 s
5. Gaimov E.R., Muhin A.M., Gaiimov N.YA, SHi-bakov V.G. Kompozicionnye materialy na osnove poli-vinilhlorida, dispersnyh napolnitelej i polimernyh modi-fikatorov. Naberezhnye CHelny: Kam. gos. inzh.-ekon. akademiya, 2012. 170 s.
6. Klyosov A. Drevesno-polimernye kompozity. SPb.: Nauchnye osnovy i tekhnologii, 2010. 736 s.
7. Fajzulina G.F, Mazitova A.K, Gabitov A.I., Maskova A.R, Husnutdinov B.RFattahova A.M.Raz-rabotka novyh plastifikatorov polivinilhlorida // Nefte-gazovoe delo. 2014. № 12-1. S. 120-127.
8. Ratanawilai T, Taneerat K Alternative polymeric matrices for wood-plastic composites: Effects on mechanical properties and resistance to natural weathering // Construction and Building Materials. 2017. V. 172. P. 349-357.
9. Srubar W. V,, Blliington S.L. A micromechanical model for moisture-induced deterioration in fully biore-newable wood-plastic composites // Composites: Part A. 2013. V. 50. P. 81-92.
