CC BY
24
УДК 678.5
Шабалтас Ю.А., Краснов К.В., Кравченко Т.П., Аристов В.М., Калинина Н.К.
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ СМЕСЕВЫХ ТЕРМОЭЛАСТОПЛАСТОВ НА ИХ СВОЙСТВА
Шабалтас Юлия Андреевна, магистрант 1 года кафедры технологии переработки пластмасс; Краснов Константин Владимирович, инженер-технолог ООО «Поликом»
142440, Московская обл., Ногинский район, пгт Обухово, ул. Ленина, д. 83, e-mail: k [email protected]; Кравченко Татьяна Петровна, к.т.н., с.н.с., главный специалист кафедры технологии переработки пластмасс e-mail: [email protected];
Аристов Виталий Михайлович, профессор, д.физ.-мат.н., заведующий кафедрой технологии переработки пластмасс;
Калинина Нина Константиновна, к.т.н., доцент кафедры технологии переработки пластмасс. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9.
В работе проводилось исследование влияния способов приготовления смеси на основе полипропилена, модифицированного полиолефиновыми термоэластопластами, на физико-механические и технологические свойства композиционного материала.
Ключевые слова: смеси полимеров, диспергирование, смесительное оборудование, прочностные характеристики, интенсивность процесса пластикации.
THE RELATIONSHIP BETWEEN PRODUCTION METHOD AND PROPERTIES OF BLEND THERMOPLASTIC ELASTOMERS
Shabaltas J.A., Krasnov K.V*., Kravchenko T.P., Aristov V. M., Kalinina N.K.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia *Compoly, Noginsk district, u-t s. Obuhovo, Russia
The relationship between production method and physical, mechanical and technological propreties of polypropylene modified with polyolefin based thermoplastic elastomers was studied.
Keywords: polymer blends, dispersion, mixing equipment, strength characteristics, high mixing
Важной особенностью полимерных материалов является их универсальность, так как требуемые свойства могут быть достигнуты за счет использования различных добавок, которые улучшают свойства конечной композиции [1].
Полипропилен - это дешевый материал, обладающий высокими эксплуатационными свойствами по сравнению с другими полимерными материалами, а также высокой химической стойкостью, прочностью и жесткостью. Эти свойства позволяют применять полипропилен во множестве сфер, таких как автомобильная и кабельная промышленность. Однако его применение ограничено низкой ударной прочностью и высокой степенью усадки при формовании готовых изделий. Поэтому в настоящий момент ведется активное изучение методов улучшения свойств полипропилена, в частности по увеличению его прочности. Ударную прочность можно повысить путем добавления полиолефиновых
термоэластопластов [2].
В последнее время использование неорганических антипиренов, таких как гидроксид магния и алюминия, в качестве наполнителей для полимерных композиций получило высокий интерес со стороны ученых, занимающихся разработкой негорючих полимерных материалов. Известно, что полипропилен легко воспламеняется.
Следовательно, возникает необходимость повышать его огнестойкость и стремиться к снижению выделение дыма и ядовитых газов при его горении. Однако для заметного увеличения огнестойкости содержание гидроксидов алюминия/ магния в полимерной матрице должно быть достаточно большим, поэтому контролю смешения и диспергирования необходимо уделять особое внимание.
Некоторые исследования [3] показывают, что полимер-эластомер-неорганические композиции обладают выдающимися физико-механическими свойствами. Благодаря контролируемому добавлению эластомеров и неорганических наполнителей могут быть получены композиты, обладающие свойствами, необходимыми для различных сфер применения [4].
Смешение различных добавок с полимерной матрицей как начальный этап производства композиций во многом определяет качество готовых изделий. Высокая стабильность физико-механических характеристик смеси достигается только при равномерном распределении ингредиентов в объеме.
Основным показателем качества смесей является степень диспергирования материалов, связанная со значениями деформации, определяемая
напряжениями сдвига, реализуемыми в ходе смешения.
Получение результатов лабораторных испытаний позволяет заранее предсказать аномалии, возникающие при переработке материалов на производственном оборудовании, а также устранить причины возникновения трудностей на отдельных стадиях производства [5-6].
Цель работы заключалась в установлении влияния методов смешения ингредиентов на физико-механические и технологические свойства двух полимерных смесей одинакового состава на различном технологическом оборудовании.
В качестве объекта исследования были выбраны применяемые в кабельной промышленности композиции на основе полиолефиновых термоэластопластов, полученные на двух различных типах смесительного оборудования. В состав композиций входили полиолефиновый эластомер, полипропилен и гидроксид магния, используемый в качестве антипирена.
Изготовление смесей осуществлялось на двух видах смесительного оборудования. Первая смесь была получена в лабораторном резиносмесителе JKM-DK3-5 производства "Jian Kwang Machine Industrial" при температуре 190оС с последующей грануляцией на одношнековом лабораторном экструдере JKM 65-KE с температурой по зонам от 120оС до 190оС и скоростью вращения шнека 50 об/мин. Вторая смесь получена смешением в расплаве на двухшнековом экструдере PSM 30 фирмы "Sino Alloy Machinery" при температуре по зонам 170-200оС и скоростью вращения шнеков 400 об /мин. После выхода из формующего инструмента экструдаты гранулировали, высушивали и использовали для изготовления образцов для проведения дальнейшего исследования физико-механических характеристик.
Для получения образцов смесевых композиций применялся лабораторный экструдер ЭПК 32х27 фирмы "Полипром Кузнецк". Эксперимент проводился при температурах по зонам от 135оС до 160оС. Скорость вращения шнека составляла 15 об /мин.
Исследование свойств полученных образцов осуществлялось на разрывной машине Gotech AI-7000S (Gotech Testing Machines) в соответствии с ГОСТ 270-75 по показателям прочности при разрыве и относительному удлинению.
Показатель текучести расплава был исследован на пластометре Gotech GT-7100-MI (Gotech Testing Machines) согласно ГОСТ 11645-73.
Механизм смешения компонентов можно рассматривать как деформацию многокомпонентной системы, в результате которой уменьшается толщина слоев смешиваемых материалов и увеличивается поверхность контакта между ними. Сдвиговые деформации в системе при смешении должны происходить до тех пор, пока толщина слоев не станет достаточно малой.
Во время процесса смешения и диспергирования на качественные показатели получаемой
композиции, такие как прочность при разрыве и относительное удлинение, определяющее влияние оказывает величина сдвига, возникающая в рабочих пространствах смесителя. Она зависит от различных конструктивных (геометрия фигурной части рабочих органов смесителя) и технологических (частота вращения рабочих органов смесителя, температура внутри смесительной камеры, время смешения) параметров процесса смешения.
Увеличение напряжений сдвига всегда способствует интенсификации диспергирования. Для каждой системы существует свое критическое напряжение сдвига, ниже которого смешение не происходит. При недостаточном диспергировании могут ухудшиться свойства композиций.
Для получения смеси высокого качества необходимо в процессе смешения обеспечить деформацию и напряжение сдвига, достаточные для смешения и диспергирования, но не приводящие к перепластикации смеси; определить оптимальные температурные условия процесса, от которых зависят напряжения сдвига, расход энергии при смешении, а также обеспечить высокую интенсивность процесса, определяющую
производительность.
Физико-механические характеристики
полимерных смесей зависят от гомогенности полученной смеси, определяемой параметрами смешения на конкретном оборудовании.
На рисунке 1 отображена зависимость напряжения от относительного удлинения полученных композиций.
Р, МПа
7
Рис. 1. Кривые зависимости напряжения от относительного удлинения композиций (1) и (2)
По кривым зависимости можно наблюдать заметное увеличение показателей прочности для второго образца, полученного путем смешения на двухшнековом экструдере. Так, значения предела текучести и прочности при разрыве второй композиции превышают показания первой композиции приблизительно на 20%. Показатели относительного удлинения композиций при использовании в качестве смесительного оборудования двухшнековый экструдер возрастают на 15% по сравнению с композициями, полученными на лабораторном резиносмесителе.
Сравнение показателей текучести расплава (ПТР) и физико-механических свойств двух полученных композиций представлены в таблице 1.
Таблица 1. Физико-механические характеристики и ПТР композиций_
Показатели Композиция Композиция
1 2
ПТР, г/10мин 1,5 4,3
Предел 3,5 4,5
текучести, МПа
Предел 5,0 6,5
прочности при
разрыве, МПа
Относительное 839 963
удлинение при
разрыве, %
Как видно из таблицы, для первой композиции, полученной на лабораторном резиносмесителе, наблюдается более низкие показатели физико-механических свойств по сравнению со второй композицией, полученной на двухшнековом экструдере. Возможно, это объясняется низким качеством смешения на лабораторном смесителе. В то время как экструдер, использованный для приготовления второй смеси, имеет длинный шнек (ЬЮ=40), расплав успевает достигнуть хорошей степени гомогенизации, поэтому полученные образцы имеют более однородный состав, чем композиции, полученные на резиносмесителе.
Неравномерное распределение антипирена, являющегося в данной смеси наполнителем, приводит к образованию в матрице агломератов. Если данный композиционный материал подвергается растягивающим нагрузкам, очевидно, происходит отрыв частиц наполнителя от окружающих связей компонентов матрицы. При дальнейшем растяжении образуются микрополости в направлении приложенного усилия. Границы полостей являются концентраторами напряжений, вследствие чего снижается усилие, необходимое для разрыва образца. Таким образом можно объяснить пониженные значения предела прочности при разрыве и предела текучести.
Пониженное значения ПТР первой композиции, вероятно, также связано с недостаточной степенью диспергирования наполнителя в полимерной матрице, что привело к образованию агломератов и снизило показатель текучести. Композиция, полученная на двухшнековом экструдере,
показывает более высокие значения ПТР, что говорит о высокой степени гомогенизации и равномерном распределении наполнителя в полимерной матрице.
Технологические характеристики оценивались на одно- и двухшнековом экструдерах. Исследование показали, что давление, возникающее во время процесса экструзии, для одношнекового экструдера составляет 1,84 МПа, а для двухшнекового экструдера его значение равно 1,12 МПа. Производительность процесса экструзии при смешении на одношнековом экструдере составляет 7,5 кг/ч, в то время как для двухшнекого экструдера это значение составляет 29,5 кг/ч. Можно отметить, что при меньших давлениях производительность во втором случае превышает показания для первого варианта в 4 раза, что указывает на целесообразность использования в качестве смесительного оборудования двухшнековый экструдер.
Таким образом, была показана связь между физико-механическими характеристиками материала и методами его смешения. Исследования подобного рода необходимы для разработки рекомендаций по выбору смесительного оборудования с целью повышения качества готовой продукции.
Список литературы
1. Прут Э. В. Термопластичные эластомеры: инновации и потенциал // Инноватика и экспертиза. - 2013. - №1 (10). - С. 68-75.
2. Lv L., Ding X., Gu H., Hu G. The effect of SEBS and POE on properties of polypropylene // American journal of science and technology. - 2015. -№ 2 (4). - P. 188-194.
3. Chena X., Yub J., Luob Z., Guoc S., Heb M., Zhoua Z. Study on mechanical properties and phase morphology of polypropylene/polyolefin elastomer/magnesium hydroxide ternary composites // Polym. Adv. Technol. - 2011. - № 22. - P. 657-663.
4. Liang J., Zhang Y. A study of the flame-retardant properties of polypropylene/Al(OH)3/Mg(OH)2 composites // Polymer int. - 2010. - № 59. - P. 539-542.
5. Шутилин Ю. Ф. Справочное пособие по свойствам и применению эластомеров.- Воронеж: ВГТА, 2003. - 871 с.
6. Вострокнутов Е. Г., Новиков М. И., Новиков В. И., Прозоровская Н. В. Переработка каучуков и резиновых смесей (реологические основы, технология, оборудование).- М.: Химия ,1980. -280 с.
