CC BY
184
И. Н. Мусин, И. З. Файзуллин, С. И. Вольфсон
МОДИФИКАЦИЯ ДРЕВЕСНОПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИОЛЕФИНОВ МОНТМОРИЛЛОНИТОМ
Ключевые слова: древеснополимерный комтзит, монтмориллонит, модификация.
Приведены результаты исследований влияния ввода монтмориллонита на физико-механические свойства, воспламеняемость, твердость, водопоглощение древеснополимерных композитов. Установлено влияние дозировки монтмориллонита на исследуемые показатели. Показано улучшение морфологии модифицированных дре-весно - полимерных композиций и увеличение времени каплепадения при горении.
Keywords: wood-polymer composites, montmorillonite, modification.
Results of investigations of the introduction of montmorillonite on the physico-mechanical properties, flammability, complementarity, hardness, water absorption drevesnopolimernyh composites. The effect of dose on Montmorillonita investigated parameters. Shown improvement in the morphology of modified wood - in polymeric compositions and more time dropping from the burning material.
Введение
Древесно - полимерные композиты (ДНК) находят все большее применение в строительной индустрии. Прирост производств ДНК оценивается экспертами примерно в 10 % ежегодно [1]. Это обуславливается свойствами ДНК: они поддаются механической обработке; сырьем служат отходы производств - (это обеспечивает снижение себестоимости готовой продукции, а также помогает решить проблему переработки отходов); имеется возможность эксплуатации изделий на открытом воздухе при любых погодных условиях - материал не трескается и не коробится на морозе; экологичные ингредиенты, отсутствие токсичных выделений; разнообразные и сложные конфигурации профиля; экономия на весе при производстве полого профиля (с пустотами); окраска по всему объему. Изделия из ДНК обладают свойствами сравнимыми, а порой превосходящими прочностные характеристики дерева.
ДНК состоит из полимерного связующего (как правило, ПП, ПНД или ПВХ), органического наполнителя и различных добавок [2]. В качестве связующих агентов так же используют малеинизированные полио-лефины.
Для модификации и улучшения технологичности разработаны различные промышленные добавки, призванные получать материалы с заданными свойствами.
Несмотря на преимущества ДНК обладает и рядом проблем, связанных с их изготовлением и применением. Как правило, рецептуры и технологии получения ДНК с заданным комплексом эксплуатационных и прочностных свойств является ноу-хау фирм производителей.
В связи с этим, разработка ДНК с заданными свойствами на основе полиолефинов производимых в Республике Татарстан, является актуальной задачей.
Для придания дополнительных свойств ДНК можно использовать различные модификаторы. Модификаторы усиливают прочность конечного продукта, а также помогают «держать форму» полученному изделию [3]. Так для улучшения каркасности и комплекса свойств ДНК в качестве нанонаполнителя была
выбрана наноглина татарстанского происхождения монтмориллонит (Катамин АБ). Эффективность слоистых алюмосиликатов, как нанонаполнителей полимеров, связана с их способностью к интеркаля-ции (внедрению) мономеров и полимеров в меж-слоевое простанство их частиц с последующим расслоением (эксфолиацией) на монослои нанометро-вой толщины с высокой анизотропией формы, диспергированные в полимерной матрице [4]. Наноматериалы на основе полимеров и слоистых силикатов с высокой степенью эксфолиации слоистых частиц обладают повышенными жесткостью, тепло- и термостойкостью, улучшенными барьерными свойствами (пониженной газопроницаемостью и влаго-проницаемостью), стабильностью размеров и повышенной огнестойкостью при низком содержании наполнителя, т. е. без существенного увеличения плотности и ухудшения перерабатываемости материала [5].
Экспериментальная часть
Объектом модификации был выбран ДНК на основе промышленного термопласта полипропилена марки 15251 производства ОАО «Нижнекамскнефтехим».
В качестве наполнителя применялась древесная мука хвойных пород марки 180 производства Сабинского лесхоза (далее ДМ 180). Дозировка наполнителей варьировалась в диапазоне 0-60 % масс. Ориентированный размер частиц древесной муки в основном менее 0,17 мм. Перед смешением ингредиенты подвергались сушке в термошкафу в течении 2 часов.
Для модификации использовался нанонаполнитель татарстанского месторождения монтмориллонит (Катамин АБ): катионная обменная емкость 60 мг-экв/100г; средний размер частиц - 1,70 мкм, дозировка - 0, 65 % масс.
Композиционные материалы получали в смесительной камере пластикордера «ВгаЪеМег РЬ-2000». В процессе исследования первоначальная температура в камере составляла 180°С, скорость вращения ротора от 60 об/мин, продолжительность
смешения 6 мин. Затем смесь выгружали и пропускали через холодные вальцы с зазором 1 мм.
С целью получения пластин для физикомеханических испытаний использовали экструзионную приставку пластикордера "Брабендер". Скорость вращения шнека от 60 об/мин. Температура по зонам составляла Т1=180°С, Т2=190°С, Т3=200°С, Тг=200°С.
Образцы композиций были испытаны для определения упруго-прочностных свойств на разрывной машине марки Test при комнатной температуре (23+2 °С) и скорости движения зажимов 50 мм/мин. Образцы испытывались в соответствии с ГОСТ 270-75.
Обсуждение результатов
Улучшение эксплуатационных свойств полимерных композиционных материалов является актуальным направлением материаловедения. Одним из важных задач при производстве ДПК является снижение водопоглощения и снижение горючести этих материалов [6].
Для решения данной задачи в композициях ДПК на основе полиолефинов нами в качестве модификатора использовался Катамин АБ.
При составлении рецептуры древесно-
полимерного композита (ДПК) необходимо достичь улучшения физических свойств при сохранении пере-рабатываемости. Главной привлекательной чертой нанокомпозитов глина/полимер является то, что малые количества наноглины можно использовать для усиления функциональных свойств полимера без ухудшения других ключевых характеристик.
Наноглины, кроме их основной функции в качестве усилителей с большим аспектным отношением, могут выполнять выступать в качестве синергических антипиренов. Их свойства обуславливаются слоистостью, хорошей межфазной адгезией или смачиваемостью, расслоением (диспергирование и разрушение) структуры.
Для оценки влияния ввода Катамина АБ были выбраны композиции ДПК с различным содержанием ДМ (от 0 до 60%). Результаты испытаний показали, что введение Катамина АБ позволяет увеличить максимальную степень наполнения ДПК, улучшается пе-рерабатываемость. Улучшение однородности смеси хорошо заметно на фотографиях композиции ДПК (электронная микроскопия, 300- кратное увеличение, состав композиции: 60% полипропилен, 40 % древесной муки).
Рис. 1 - Микрофотографии образцов ДПК: а) без содержания, б) с содержанием Катамина АБ
На левой фотографии отчетливо видны многочисленные незаполненные полимером пустоты. На правом образце структура материала цельная. Именно
это и делает структуру материала композитом, в котором работает и полимерная матрица и древесина. Улучшение структуры обеспечено включением в состав материала специального связующего агента, обеспечивающего хорошую связь между частицами древесины и полимера [7].
Результаты физико-механических испытаний приведены на рис. 1.
а) о [МРа]
30 40 50 60
ДМ 180,% масс.
в) твердость по Шору
ДМ 180. % масс.
Рис. 2 Влияние введения Катамина АБ на физико-механические свойства ДПК: базовая композиция отмечена светлым, темным - композиция с добавлением монтмориллонита (а - прочность при разрыве, б - относительное удлинение при разрыве) и на твердость по Шору - в) при различном содержании ДМ
Как видно, при увеличении содержания древесной муки, прочность и относительное удлинение композиций снижается. Введение монтмориллонита позволяет достичь более высоких степеней наполнения.
Но результатам физико - механических испытаний композиций наблюдается снижение прочности при разрыве и относительного удлинения с увеличением содержания наполнителя, что вполне объяснимо изменением в кристаллической фазе полимера при высоких наполнениях [8].
Для оценки улучшения каркасности оценивалась твердость образцов по Шору 180 868 (рис. 2в).
Важнейшим показателем для ДНК является водопоглощение. Данный показатель позволяет оценить эксплуатационные свойства ДНК. Вода является основным агрессивным фактором атмосферных воздействий, поскольку вызывает разбухание материала и накопление дефектов, особенно при замораживании. Большинство отечественных и зарубежных методик оценки долговечности материалов применяют методы вымачивания и кипячения в воде с последующей оценкой разбухания и потери прочности. В качестве критериев оценки водостойкости изделий из ДНК принимаются водопоглощение и разбухание при кипячении в течении 2 часов (180 62(А8ТМ Б570).
Испытуемые образцы предварительно подвергались сушке при 50°С в течении 24 часов, охлаждались до комнатной температуры и взвешивались, затем образцы помещались в кипящую воду на 30 минут, после этого охлаждались в течении 15 минут в воде при температуре 23 °С и снова взвешивались.
Ноказатель поглощения воды в процентах по отношению к массе испытуемого образца приведены на рис. 3.
ляет улучшить стойкость ДНК к атмосферным воздействиям.
Другим важным эксплуатационным фактором является стойкость к горению ДНК. Нрирода древесины и полимерных материалов такова, что крайне сложно сделать негорючими или полностью пожаробезопасными. Однако, актуальной задачей является снижение их способности к возгоранию и поддержанию горения. Для этой цели в композиции вводятся добавки, затрудняющие воспламенение и снижающие скорость распространения пламени.
Нредставлялось важным оценить влияние монтмориллонита на горючесть ДНК. Горючесть материала оценивалось по стандарту (ИЬ 94 для пластиков), который является одним из наиболее широко распространенных. Данный стандарт определяет способность материала к гашению пламени после воспламенения. Важное значение имеет время образования первых капель у горящего материала -ведь именно горящие капли являются причиной ускорения пожара.
Результаты испытаний на горючесть приведены ниже:
ДМ 180. °Ь масс.
30 40 50 60
ДМ 180. % мясс.
Рис. 4 Влияние добавки на воспламеняемость ДПК - базовая композиция отмечена светлым, темным - композиция с добавлением монтмориллонита Катамин АБ
Как видно из результатов испытаний, введение Катамин АБ в испытуемые образцы во всех случаях позволяет увеличить время образования первых капель горящего материала. Нричем при меньших дозировках древесной муки эффект введения наноглины наиболее значителен.
Заключение
Рис. 3 - Влияние добавки на водопоглощение ДПК -базовая композиция отмечена светлым, темным -композиция с добавлением монтмориллонита Ка-тамин АБ
Как видно из результатов испытаний - введение добавки Катамин АБ позволяет снизить водопо-глощение древесно - полимерных композитов. Максимальный эффект наблюдается при высоких степенях наполнения. Нри содержании древесной муки 50% масс. водопоглощение снижается в 1,5 раза. Таким образом, использование данного модификатора позво-
Таким образом, исследовано влияние ввода монтмориллонита Катамин АБ. В результате ввода данной добавки увеличивается возможность предельного наполнения - с 50 до 60 масс %. Введение нанонаполнителя Катамин АБ позволяет улучшить эксплуатационные показатели древесно - полимерных композитов. Ноказано снижение водопоглоще-ния у образцов ДНК с введением Катамин АБ и увеличение времени каплепадения у горящего материала. Результаты электронной микроскопии материала также демонстрируют улучшение морфологии модифицированных древесно - полимерных композиций.
Максимальный эффект использования данной добавки
проявляется при высоких степенях наполнения.
Литература
1. Umpleby J.D. Material choice for wood-plastic composites/ Umpleby J.D. //Wood-Plastic Composites - A Sustainable Future. International Conference, Vienna, Austria, May 14-16, 2002. - Vienna, 2002. - p. 84-91.
2. Clemons С. Elastomer modified polypropylene-poly ethylene blends as matrices for wood flour-plastic composites/ C. Clemons//Composites: Part A. - 2010. -Vol. 41.- P. 1559-1569.
3. Нигматуллина А.И. Оценка совместимости наночастиц органоглины с компонентами динамических термоэласто-пластов на основе полипропилена и бутадиен-нитрильных каучуков/ А.И. Нигматуллина, С.И. Вольфсон, Н.А. Охоти-на, С.В. Крылова// Вестник Казанского технологического университета - 2009 - № 6 - С. 204-207.
4. Вольфсон С.И. Влияние способа внедрения нанонаполнителя на свойства полимерных композиций / С. И. Вольфсон [и др. ] //Вестник Казан. технол. ун-та - 2011. - N°. 14, вып: вып. 14. - С. 186-189.
5. Вольфсон С.И. Изучение влияния органоглины на свойства динамических термоэластопластов / С. И. Вольфсон [и др.] // Журнал прикладной химии. - 2010. - Т. 83, вып: вып. 1. - С. 126-129.
6. Иванов В.П. Некоторые подходы к модификации по-лиолефиновых композиций/В.П. Иванов, Романова Е.А, Мавлетзянова Р.Р., Мусин И.Н., Кимельблат В. И., Вольфсон С.И., Хакимуллин Ю.Н.// материалы конференции: пленарные доклады 11 международной конференции студентов и аспирантов «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений». - 2005. - С. 169.
7. Ayrilmis N. Effect of thermal-treatment of wood fibres on properties of flat-pressed wood plastic composites/ Nadir Ayrilmis, Songklod Jarusombuti, Vallayuth Fueangvivat, Piyawade Bauchongkol // Polymer Degradation and Stability.- 2011.- Vol.96.-P. 138 - 822.
8. Мусин И.Н. Изучение влияния содержания наполнителей на механические свойства термопластичных эластомеров / И.Н. Мусин, И.В. Волков, В.И. Кимельблат, С.И. Вольфсон // материалы Всероссийской научно - технической конференции: Композиционные материалы в авиастроении и народном хозяйстве. - 2000. - С. 35- 40.
© И. Н. Мусин - доц. каф. ХТНЭ, зав. каф. ТОМЛН КНИТУ, imusin@kstu.ru; И. З. Файзуллин - асп. каф. ХТНЭ КНИТУ, ilnur-fz@mail.ru; С. И. Вольфсон - д-р техн. наук, проф., зав. каф. ХТНЭ КНИТУ, svolfson@kstu.ru.
