Модификация полипропилена металлоценовым этиленпропиленовым эластомером Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 678.5

Нгуен Минь Туан, Чалая Н.М, Осипчик В.С.

МОДИФИКАЦИЯ ПОЛИПРОПИЛЕНА МЕТАЛЛОЦЕНОВЫМ ЭТИЛЕНПРОПИЛЕНОВЫМ ЭЛАСТОМЕРОМ

Нгуен Минь Туан, аспирант кафедры технологии переработки пластических масс, e-mail: mtuan1801 @gmail.com Осипчик Владимир Семенович, д.т.н., профессор кафедры технологии переработки пластических масс, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047 Москва, Миусская пл., 9

Чалая Наталья Михайловна, к.т.н., учёный секретарь ОАО «МИПП - НПО «Пластик», Россия, Москва

Исследованы структура и механические свойства смесей на основе полипропилена и металлоценового этиленпропиленового эластомера. Введение этого эластомера в полипропилен приводит к значительному увеличению ударной вязкости и удлинения при разрыве, однако при этом снижаются жесткость и предел текучести.

Ключевые слова: полипропилен, металлоценовый этиленпропиленовый эластомер.

MODIFICATION OF POLYPROPYLENE WITH METALLOCENE ETHYLENE-PROPYLENE ELASTOMER

Nguyen Minh Tuan*, Chalaya N.M.**, Osipchik V. S*.

*D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia **JSC "MIPP - NPO"Plastic", Moscow, Russia

The structure and mechanical properties of mixtures based on polypropylene (PP) and metallocene ethylene-propylene elastomer (mEPE) are studied. The introduction of this elastomer in the PP leads to a significant increase in toughness and elongation at break, but this reduces the stiffness and yield strength. Key words: polypropylene, metallocene ethylene-propylene elastomer.

Полипропилен (1111) - один из самых используемых крупнотоннажных термопластов благодаря сочетанию в нем многих ценных эксплуатационных и технологических свойств. Однако основным недостатком ПП, помимо чувствительности к окислению из-за наличия третичных атомов углерода в цепи, является его низкая ударная прочность, особенно при низких температурах. Известный способ получения ударопрочных и морозостойких материалов на основе ПП - введение в них эластомеров (каучуков) различного типа, среди которых самыми применяемыми являются этиленпропиленовый каучук (СКЭП) и этиленпропилендиеновый каучук (СКЭПТ) [1, 2]. В последние годы благодаря развитию технологии синтеза полиолефиновых полимеров на основе металлоценовых катализаторов выпускаются многообразные промышленные эластомеры с улучшенными структурными характеристиками по сравнению с теми, которые получены на катализаторах Циглера-Натта [3]. Исследование возможности замены традиционных эластомеров этими новыми металлоценовыми эластомерами является актуальной задачей.

В связи с этим цель данной работы - изучение структуры и механических свойств смесей на основе ПП и металлоценового этиленпропиленового эластомера.

В качестве объектов исследования выбраны 1111 марки PPG1035-08 «Ставролен» (ПТР 3,2 г/10мин), металлоценовый этиленпропиленовый эластомер (мЭПЭ) марки Vistamaxx 6102 от компании ЕххоптоЬД с ПТР 2,8 г/10мин и содержанием пропилена 84% масс. (т.е. содержание этилена только 16% масс.), а также смеси на их основе с разным

содержанием эластомера (10, 15, 20, 30% масс.). Смеси (ПП+мЭПЭ) получены двухстадийным методом смешения в расплаве. Сначала изготавливали концентрат (ПП+50% масс. мЭПЭ) на лабораторном двухшнековом экструдере при температуре двух зон нагрева 210-2200С, соответственно, и скорости вращения шнека 85-90 об/мин, затем получали смеси ПП с нужным содержанием мЭПЭ на том же экструдере при аналогичных условиях.

Образцы для механических испытаний получали методом литья под давлением. Испытание на растяжение проводили на разрывной машине Р-5 «Точприбор» при комнатной температуре и различных скоростях раздвижения зажимов 2, 10, 20 и 50 мм/мин. Для определения модуля упругости использовали скорость растяжения 2 мм/мин. Ударная вязкость по Шарпи определена на образцах с надрезом при разных температурах (-30, -10 и +230С).

Морфологию исследуемых материалов изучали методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на типовых образцах, изготовленных для испытаний на ударную прочность. При этом сначала проводили хрупкое разрушение образцов после их погружения 2 часа в жидком азоте. Затем образцы (ПП+мЭПЭ) обрабатывали о-ксилолом при 500С в течение 15 мин. для того, чтобы растворить частицы эластомерной фазы, находящиеся на поверхности разрушения, и таким образом образованные полости вместо этих частиц увидеть на фоне ПП матрицы.

Показатели текучести расплава (ПТР) исследуемых материалов определены на приборе ИИРТ-А по ГОСТ 11645-73 при 2300С и нагрузке 2,16 кг.

0 (исходный ПП) 10 15 20 30 100 (исходный мЭПЭ)

ПТР, г/10мин. 3,27 (±0,08) 3,34 (±0,10) 3,39 (±0,10) 3,34 (±0,10) 3,37 (±0,10) 2,80 (±0,10)

Исходные ПП и мЭПЭ имеют близкие значения ПТР, поэтому исследуемые смеси на их основе также имеют практически одинаковые значения ПТР, что показано в таблице1.

Ударные вязкости исследуемых образцов при разных температурах представлены на рисунке 1.

ударная вязкость, по Шарли, кДж/мг

Содержание мЭПЭ, %масс.

Рис.1. Ударная вязкость исходного ПП и смесей (ПП+мЭПЭ) при различных температурах

Видно, что введение мЭПЭ приводит к значительному увеличению ударной вязкости ПП

при исследуемых температурах, особенно при содержании мЭПЭ в пределах 20-30% масс. Ударная вязкость смеси (ПП+30%мЭПЭ) при -300С почти в 2 раза выше ударной вязкости исходного ПП при +230С. Для всех исследуемых материалов ударная прочность довольно быстро снижается с понижением температуры от комнатной (+230С) до -300С.

Добавление мЭПЭ в ПП вызывает уменьшение модуля упругости и предела текучести (рис.2а и Ь), что является известной тенденцией при модификации термопластов эластомерами.

С увеличением содержания мЭПЭ также повышается удлинение при разрыве (рис.3), определенное при скорости растяжения 50 мм/мин. В работе проводили испытание на растяжение и при более медленных скоростях 10 мм/мин и 20 мм/мин. Определили, что при этих скоростях растяжения как образцы исходного ПП, так и образцы смесей (ПП+мЭПЭ) способны деформироваться до высоких значений. Образцы не разрушались даже когда достигали предела определения деформации самой разрывной машины, т.е. более 1000%.

Модуль упругости пРеДеп текучести

0 10 15 20 30 0 10 15 20 30

Содержание мЭПЭ, %масс, Содержание мЭПЭ, %масс.

Рис.2. Модуль упругости (а) и предел текучести (Ъ) при растяжении ПП и смесей (ПП+мЭПЭ)

Относительное удлинение при разрыве, %

700

■400

'<ш

Ш

230

Ш

Ш

(1

Ж Ж

Ж

Ш?/ ///.

550

Я

Ж _

Результаты морфологического исследования исходного ПП и смесей (ПП+мЭПЭ) методом СЭМ представлены на рисунке 4. Из рисунка видно, что частицы мЭПЭ равномерно распределены в ПП матрице, и размер большинства частиц находится в диапазоне менее 0,2 мкм. Это может служить одним из доказательств хорошего смешения между ПП и мЭПЭ благодаря высокому содержанию пропилена (84% масс.) в мЭПЭ.

0 10 15 20 30

Содержание мЗПЭ. %масс,

Рис.3. Относительное удлинение образцов ПП и смесей (ПП+мЭПЭ) при растяжении со скоростью 50 мм/мин

m

f

v

m.

SEI 15k V WDIOmm SS30 x10,000 1|jm

MUCTR 686S 12 Apr 2017

SEI 15kV WD10mm SS15 хЮ.ООО 1pm

MUCTR__ 6878_12 Apr 2017

Рис. 4. СЭМ фотографии поверхности разрушения образцов исходного ПП (а), смеси ПП+20%масс. мЭПЭ (Ъ) и смеси ПП+30%масс. мЭПЭ (с). Все образцы обработаны о-ксилолом при 500С в течение 15 мин

Таким образом, в работе исследованы механические свойства и структура ПП и его смесей с мЭПЭ. Показано, что введение мЭПЭ в ПП приводит к значительному улучшению его ударной прочности и удлинения при разрыве. Однако при этом снижаются модуль упругости и предел текучести при растяжении. Достаточно маленький размер большинства частиц мЭПЭ в ПП матрице может быть связан с хорошей смешиваемостью между ними благодаря высокому содержанию пропилена в мЭПЭ. В дальнейшее необходимо разработать нанокомпозиты на основе смеси (ПП+мЭПЭ) и органоглины с ожидаемым балансом ударной прочности и жесткости.

Список литературы

1. Композиты на основе полиолефинов. / Под ред. Д. Нвабунмы, Т. Кю. Пер с англ. - СПб.: Научные основы и технологии, 2014. -744 с.

2. Полимерные смеси. Том II: Функциональные свойства / под ред. Д.Р. Пола и К.Б. Бакнелла / Пер. с англ. под ред. Кулезнева В.Н. — СПб.: Научные основы и технологии, 2009. - 606 с.

3. J. Karger-Kocsis. Polypropylene. An A-Z reference. Great Britain. -Kluwer Academic Publishers, 1999. -966 р.