CC BY
46
УДК 678.6.01
Редькина А.А., Яковлева К.А., Осипчик В.С., Кравченко Т.П., Аристов В.М.
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С УЛУЧШЕННЫМИ ПРОЧНОСТНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ НА ОСНОВЕ АБС СОПОЛИМЕРОВ
Редькина Александра Андреевна, заведующая лабораторией кафедры технологии переработки пластмасс; e-mail: redkina_aleksandra@mail.ru;
Яковлева Ксения Андреевна, студентка бакалавриата 3 курса кафедры технологии переработки пластмасс; Осипчик Владимир Семенович, д.т.н., профессор кафедры технологии переработки пластмасс; Кравченко Татьяна Петровна, к.т.н., с.н.с., главный специалист кафедры технологии переработки пластмасс; Аристов Виталий Михайлович, д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой технологии переработки пластмасс; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева Россия, 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9.
В работе установлено оптимальное содержание (20 мас.%) вторичного сырья в исходном полимере. При этом наблюдалось повышение прочности при разрыве на 27% при сохранении показателя ударной вязкости с надрезом относительно исходного АБС, ударная вязкость без надреза возросла на 24%. Введение модификаторов позволило повысить относительное удлинение при разрыве и ударную вязкость получаемых смесей, наблюдалось снижение технологической усадки и снижение температуры переработки.
Ключевые слова: акрилонитрилбутадиенстирол, АБС-пластик, вторичный полимер, композиционные материалы, модификаторы, производительность процесса.
COMPOSITE MATERIALS WITH IMPROVED STRENGTH CHARACTERISTICS ON THE BASIS OF ABS COPOLYMERS
Retikina A.A., Osipchik V.S., Kravchenko T.P., Yakovleva K.A., Aristov V.M. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The optimal content (20 wt.%) secondary raw materials in the initial polymer. In this case, the improvement of the strength at break of 27% while maintaining the increased impact strength notched relative to the original ABS, the impact strength without notch increased by 24%. The introduction of modifiers allowed to increase the elongation at break and the toughness of the resulting mixtures, there was a decrease in technological shrinkage and a decrease in the processing temperature.
Keywords: acrylonitrile butadiene styrene, ABS plastic, secondary polymer, composite materials, modifiers, process performance.
За последние десятилетия значительно возрос интерес к конструкционным пластикам, а именно к поликарбонату, полиэтилентерефталату,
полибутилентерефталату, к
акрилонитрилбутадиенстиролу-АБС пластику. АБС -широко используется благодаря сочетанию высоких механических характеристик, стойкости к нагреванию и легкостью переработки, однако он имеет ряд недостатков, среди которых низкие атмосферостойкость и электроизоляционные свойства. АБС-пластики по своей природе являются экологически безвредными полимерами и обладают широким диапазоном переработки в изделия, в том числе в крупногабаритные сложной формы. Благодаря этому они успешно конкурируют с поливинилхлоридом в производстве
сантехнического оборудования, в секторе строительства, а также широко используются для изготовления телефонных, кредитных карт, детских игрушек и др. [1].
В последнее время наблюдается устойчивая потребность в создании новых типов полимерных композиционных материалов на основе АБС пластика и его смесей с повышенными упруго-прочностными характеристиками.
Из-за активного внедрения полимеров в различные отрасли промышленности возрастает и
количество твердых бытовых отходов. Для решения данной экологической проблемы применяют вторичную переработку отходов, которая также позволяет сократить количество использования первичного сырья. Однако, при этом возникает ряд сложностей:
• нестабильность технологических параметров, ввиду изменения вязкости композиций, включающих в себя вторичные полимеры;
• вторичное сырье обладает худшими механическими и технологическими свойствами в сравнении с исходными полимерами.
В настоящее время изучение вторичной переработки полимеров находится на стадии развития, поэтому возникает острая проблема использования избытка отходов при производстве полимерных материалов [2-3].
Вторичный АБС-пластик (ВАБС) - это технологические отходы вакуумформовочного производства изделий, получаемых экструзией и литьем под давлением, а именно, крупных деталей автомобилей, корпусов крупной бытовой техники, радио- и телеаппаратуры и другие. Свойства материала, подверженного
термомеханохимическому воздействию в процессе переработки, снижаются.
На первом этапе работы были исследованы следующие марки АБС-пластика, обладающие различной текучестью: 2020, 2035, БЯ400. Как видно из рисунка 1 с увеличением времени выдержки при температуре 220°С для всех марок АБС наблюдается снижение показателя текучести расплава (ПТР), более резкое снижение отмечается для марки АБС2035, что свидетельствует об увеличении вязкости расплава и возможных трудностях при переработки данной марки. Для АБС марки БЯ400 заметна плавная тенденция уменьшения ПТР, что, по-видимому, может характеризовать данную марку более термостабильной относительно марок 2020 и
2035.
О 20 40 60 80
т,ши
Рис. 1. Термостабильность различных марок АБС-пластика (1 - ЕК400, 2 - АБС2020, 3 - АБС2035)
С увеличением доли вторичного АБС в исходном полимере ударная вязкость (А) образцов без надреза увеличилась на 13 - 27%, другие прочностные характеристики, а, именно, относительное удлинение (е), прочность при изгибе (ои) и показатель текучести расплава (ПТР) несколько снижаются. Однако, для композиции с концентрацией ВАБС 20 мас.% в исходном полимере прочность при разрыве увеличилась на 27% при сохранении показателя ударной вязкости с надрезом относительно исходного АБС, также отмечается увеличение ударной вязкости без надреза на 24%. Возможно, такое повышение свойств, особенно по сравнению со вторичным АБС, обусловлено ростом эластичной фазы в ходе прошедшей деструкции и разницы молекулярной массы исходного и вторичного АБС.
Исходя из вышеприведенных данных, была выбрана оптимальная концентрация смеси - АБС+20 мас.% ВАБС, которую в дальнейшем наполняли полыми стеклянными микросферами (ПСМС), а также в качестве модификатора использовали термоэластопласт СЭБС (SEBS) - блок-сополимер стирола и термопластичных эластомеров этилена/бутадиена, который близок по химической природе с АБС и позволит повысить физико-механические характеристики смеси исходного и
Физическая модификация полимеров осуществляется путем введения добавок с последующим механическим смешением, экструдированием и получением готового компаунда с новыми свойствами [4]. Каждая стадия переработки влияет на конечные свойства полимера, поэтому были проведены исследования влияния многократной переработки на свойства изученных марок АБС-пластика. Отмечено, что только для БЯ400 физико-механические свойства плавно снижаются с ростом кратности переработки из-за уменьшения молекулярной массы, что, очевидно, является следствием термомеханохимической деструкции.
Таким образом, данная марка АБС пластика была выбрана для разработки композиций с вторичным полимером. В ходе исследования установлено оптимальное содержание (20 мас.%) вторичного сырья (ВАБС) в исходном АБС пластике (таблица 1).
вторичного АБС. Были выбраны оптимальные концентрации добавок, которые ранее в работах кафедры подтвердили эффективность при введении в поликарбонат: 0,5 мас.% ПСМС и 2 мас.% СЭБС
[5].
Введение модификаторов позволило повысить относительное удлинение при разрыве и ударную вязкость получаемых смесей. Как известно, введение полых стеклянных шариков в небольших количествах обеспечивают эффект «скольжения», положительно влияя на свойства конечного материала и производительность переработки.
При введении каждой добавки в отдельности в полимерную матрицу наблюдается рост показателей физико-механических свойств. Установлено, что при совместном введении в смесь исходного полимера и вторичного добавок ПСМС и СЭБС в концентрации 0,5 мас.% и 2 мас.% соответственно, наблюдается синергетический эффект, в результате которого ударная вязкость без надреза увеличилась на 27%, а с надрезом в 2,5 раза при незначительном изменении предела текучести при растяжении. Важным показателем, полученным в данной работе, явилось снижение технологической усадки, что позволит обеспечить высокую размерную стабильность при производстве изделий различными методами переработки (таблица 2).
Таблица 1. Свойства смеси первичного и вторичного АБС-пластика
Композиция А, кДж/м2 Мпа е, % Он, МПа ПТР, г/10 мин
Без надреза С надрезом
АБС 59 24 26 24 60 9
ВАБС 51 21 31 12 53 8
АБС+10%ВАБС 75 22,5 22 16 57 8
АБС+20%ВАБС 73 24 33 12 58 7
АБС+30%ВАБС 66,5 21 20 11 57 5
Таблица 2. Свойства смеси АБС и ВАБС при введении модификаторов
Композиция А, кДж/м2 Мпа £, % МПа Ут, % ПТР, г/10 мин
Без надреза С надрезом
АБС 59 24 28 22 60 0,81 9
АБС+20%ВАБС 75 24 33 12 58 0,87 7
АБС+20%ВАБС+ 0,5%ПСМС 58 47 33 17 58 0,42 10
АБС+20%ВАБС+2%СЭБС 70 57 29 25 55 0,31 8
АБС+20%ВАБС+ 0,5%ПСМС+2%СЭБС 81 59 29 30 56 0,37 9
ВАБС+10%суперконц. 70,5 42 29 30 51 0,67 10,5
Как видно из таблицы 2, введение добавок в виде суперконцентрата (на основе первичного полимера) во вторичный АБС (последняя строка) позволило облегчить процесс переработки и получить композицию с пониженной вязкостью и высоким комплексом свойств по сравнению с исходным полимером.
Полученные данные показателя текучести расплава (ПТР), производительности процесса переработки и линейной скорости экструдата (V) приведены в таблице 3. Введение 0,5 мас.% микросфер приводит к увеличению линейной скорости расплава композиции АБС+20мас.% ВАБС.
Таблица 3. Технологические свойства разработанных композиций
Композиция ПТР, г/10 мин Q, кг/час V, м/с
АБС 9,3 0,85 0,008
АБС+20%ВАБС 6 0,79 0,0075
АБС+20%ВАБС+ 0,5%ПСМС 7 0,82 0,0078
ВАБС+10 мас.% суперконцентрат 5,5 0,80 0,076
Производительность процесса при этом
увеличивается также при введении только 0,5мас.% ПСМС. Введение термоэластопласта в композицию снижает ПТР и технологические параметры переработки композиций. Помимо этого, было установлено, что при введении микросфер удается снизить температуру процесса переработки с 235245 оС до 220-230 оС, что, в свою очередь, позволит уменьшить энергозатраты в производственных условиях получения получаемых композиций [6-7].
Таким образом, разработанные материалы с повышенными физико-механическими
характеристиками на основе смеси исходного и вторичного АБС могут быть рекомендованы для производства некоторых технических изделий, в которых требуются менее жесткие качественные
показатели (различная тара, ящики, баки для мусора и т.п.). Возможно, основные препятствия для использования смеси вторичного АБС с исходным имеют в настоящее время скорее экономический, чем технический характер.
Список литературы
1.Барвинский И.А., Барвинская И.Е. Литье пластмасс. Справочник по литьевым термопластичным материалам. АБС., 2011. 100 с. 2.Черп О.М.,Виниченко В.Н. Проблема твердых бытовых отходов: комплексный подход.-
М.: Эколайн, 1996. С. 11-25.
3.Anandhan S., De P. P., De S. K., Bhowmick Anil K., Bandyopadhyay S. Новые термопластичные эластомеры на основе акрилонитрил-бутадиен-стирольного сополимера из отходов компьютерного оборудования и нитрильного каучука. Novel thermoplastic elastomers based on acrylonitrile-butadiene-styrene terpolymer (ABS) from waste computer equipment and nitrile rubber// Rubber Chem. and Technol. 2003. 76. N 5. PP. 1145 -1163.
4.Tao Pei, Xu Guoyang, Zhang Kaizhou, He Li Влияние стеклянного бисера на свойства сплава поливинилхлорид - акрилонитрил-бутадиенстирольный сополимер/ZPlast. Sci. and Technol. 2010. 38. N 5. PP. 50-53.
5.Запорников В.А., Осипчик В.С., Редькина А.А., Водовозов Г.А. Вторичная переработка отходов производства поликарбонатных изделий // Успехи в химии и химической технологии, 2013. XXVII (№ 3). С. 64-68.
6.Кербер М.Л., Виноградов В.М., Головкин Г.С, Горбаткина Ю.А. и др. Полимерные композиционные материалы: структура свойства, технология. - СПб: ЦОП «Профессия», 2014. 557с.
7. Oliveira M.J., Brito A.M., Costa M.C., Costa M.F. Gloss and surface topography of ABS: A study on the influence of the injection molding parameters // Polym. Eng. Sci. 2006. V. 46, № 10. P. 1394-1401.
