CC BY
45
УДК 687.042
JI. А. Попова, Н. Р. Прокопчук, В. В. Яцеико
Белорусский государственный технологический университет, Минск, Республика Беларусь
ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОГО СТАРЕНИЯ НАПОЛНЕННЫХ КОМПОЗИЦИЙ ПОЛИЭТИЛЕНА
The main purpose of the given work is the study of stability polymeric composite materials to influence of the raised temperature in presence of oxygen of the air. The particular stress in the work is put on the study of change deformation-strength properties of filled polyethylene's compositions during the long impact of high temperature. For deceleration of the destructive processes on the stage of preparation was entered substance, promoting of preservation the initial properties of compositions.....Irganox 1010. The article shows the effectiveness of the action Irganox
1010 in compositions with talc.
Целью данной работы являлось исследование устойчивости полимерных композиционных материалов к воздействию повышенной температуры в присутствии кислорода воздуха. Особое внимание в работе уделено изучению изменения деформационно-прочностных свойств наполненных композиций ПЭ, подверженных длительному воздействию повышенной температуры. Для замедления процессов деструкции в исследуемые композиции на стадии их приготовления вводилось вещество, способствующее сохранению исходных свойств композиций - Irganox 1010. В статье описана эффективность действия Irganox 1010 в композициях, содержащих тальк.
Одним из методов модификации полимеров является введение в полимерную матрицу наполнителей. Наполнители вводят в полимеры с целью: создания новых полимерных материалов с комплексом ценных эксплуатационных свойств; улучшения технологических свойств и перерабатываемо-сти наполненных полимеров; удешевления материалов; утилизации отходов и решения экологических задач; получения декоративных эффектов. В процессе хранения и эксплуатации полимеры и изделия из них, в том числе и наполненные, подвержены процессам старения, приводящим к изменению свойств. Для защиты от преждевременного старения в полимерах используются стабилизирующие добавки. Представляло интерес исследование влияния совместного действия наполнителей и стабилизаторов на деформацион-но-прочностные свойства полимерных композиций.
Объектом исследования служил полиэтилен высокого давления марки 15803-020, в качестве минерального наполнителя был использован тальк (Fintalk 2-U.R), который используется для наполнения полимеров. В качестве стабилизатора служил Irganox 1010 производства фирмы Ciba [1], который относится к стабилизаторам фенольного типа и широко используется при производстве пластмасс.
Композиции полиэтилена готовили смешением наполнителя с расплавом полимера с последующим добавлением стабилизатора. Наполнитель вводили в состав полимера в количестве 10-30% масс, на вальцах в соответствии с [2]. Технологические параметры вальцевания были постоянны для всех композиций и обеспечивали получение гомогенизированной массы. Стабилизатор вводили в интервале 0,1-1% масс. Из полученного вальцован-
нох-о материала прессовались пленки толщиной 120 мкм. Из пленок вырезались стандартные образцы для испытаний на разрывной машине РМИ-60. В соответствии с ГОСТ 11262-80 определялись прочность при растяжении и относительное удлинение при разрыве до и после старения. Термостарение образцов осуществлялось в термошкафу при температуре 90°С в течение 24, 48, 72 и 96 часов.
Для прогноза совместимости стабилизатора с полиэтиленом использовался параметр растворимости Гильдебранда 8 [3]. Показателем совместимости полимера и стабилизатора согласно расчетам является разность параметров растворимости полимера и стабилизатора. Условием хорошей совместимости выступает неравенство: (6Р - 6П) < 8 (Дж/см3) 1Ниже представлены результаты расчета параметра Гильдебранда: (17,7-16,9) = 0,8< 8 (Дж/см3) . Таким образом можно предположить хорошую совместимость используемого стабилизатора с полимером.
Экспериментальные свойства композиций полиэтилена, содержащего 10% масс, наполнителя при различном содержании стабилизатора представлены на рисунке 1.
-и) шит -мяьйша
~14Ш'тт
4Ф1Ж»
ч--
Вршшршм
« а в 2 »
-И).ИИЙЮЯ» -*-Ш№та»
^ЛЫатт *JBШmm> чьйийаии ^риккщьяа
Рис. 1. Изменение Деформационно-прочностных характеристик композиций ПЭ, содержащих тальк 10% масс., после старения при температуре 90°С
Из рисунка 1 видно, что с увеличением продолжительности старения происходит резкое изменение деформационно-прочностных свойств наполненных композиций, не содержащих стабилизатор. При сравнении кривых, полученных для чистого полиэтилена и полимера, содержащего наполни-
гель, очевидно, что старение наполненного полиэтилена происходит более интенсивно. При использовании Ь^апох 1010 наблюдается стабилизирующий эффект, что выражается в сохранении значений относительного удлинения при разрыве, а также прочности при растяжении даже после 96 часов старения.
На рисунке 2 представлены экспериментальные свойства для композиций полиэтилена, содержащих 20% масс, талька.
Рис. 2. Изменение деформационно-прочностных характеристик композиций ПЭ, содержащих тальк 20% масс., после старения при температуре 90°С
Из экспериментальных кривых видно, что с увеличением содержания наполнителя до 20% масс, изменение деформационно-прочностных свойств происходит более интенсивно. Например, после 96 часов старения наполненных нестабилизированных композиций происходит полная потеря прочностных свойств, в то время как при содержании наполнителя 10% масс, прочность при растяжении составляет 10 МПа. При использовании стабилизатора наблюдается сохранение и некоторое увеличение прочностных свойств.
При использовании 30% масс, наполнителя в связи с хрупкостью образцов относительное удлинение невозможно было зафиксировать, что, возможно, объясняется избыточным количеством наполнителя, т.к. связующее, не может обеспечивать равномерность нагружения и одновременность рабо-г'ы всех частиц наполнителя в полимере. Значения прочности при растяжении представлены на рисунке 3.
Из рисунка видно, что использование стабилизатора позволяет не только предотвратить развитие процессов деструкции в полимере, но и приводит к
увеличению прочности по сравнению с композициями, не содержащими стабилизатор. Возможно, стабилизатор распределяется в областях наиболее подверженных деструкции, а именно в поверхностном слое полимер-наполнитель.
Ер* МЖ сгзрешт, ч ■
Рис. 3. Изменение деформационно-прочностных характеристик композиций ПЭ, содержащих тальк 30% масс., после старении при температуре 90°С
Необходимо отметить, что с увеличением содержания наполнителя происходит повышение прочностных характеристик композиций с одновременных ухудшением деформационных свойств. Прочность при растяжении достигает максимального значения при содержании наполнителя в количестве 30% масс. Значения относительного удлинения при разрыве при увеличении содержания наполнителя до 30% масс, принимают нулевые значения.
Табл. Значения ПТР исследуемых композиций
Композиция ПТР, г/10 мин.
Время экспозиции, ч
0 24 48 72 96
ПЭ чистый 2,49 2,04 2,01 2,06 2.33
ПЭ+20%масе. талька 1,54 1,79 2,11 2,15 2,93
ПЭ+20%масс. галька, 0,3% масс. Ьдапох 1010 1,47 1,44 1,44 1,44 1,46
Оценка термоокислительной устойчивости наполненных систем производилась по изменению показателя текучести расплава (ПТР) в процессе теплового старения. Полученные экспериментальные результаты для композиций, содержащих 20% масс, талька представлены в таблице.
С увеличением времени старения для ПЭ значения ПТР сначала уменьшаются, что свидетельствует о протекании процессов сшивки макромолекул, а затем, наоборот, увеличиваются, что говорит о преобладании процессов деструкции в полимере. Полученные данные объясняют изменения деформационно-прочностных свойств полиэтилена, которые характеризуются резким падением свойств после 48 часов старения.
Для полиэтилена, содержащего 20% масс, талька, с увеличением времени старения композиций наблюдается постепенное возрастание значений ПТР. Это может быть связано с интенсивным протеканием процессов деструкции в полимере. Под воздействием температуры и кислорода воздуха происходит разрыв макромолекул полимера, при этом наблюдается уменьшение длины макромолекул, снижение вязкости расплава, что свидетельствует о необходимости стабилизации полимера.
Значения ПТР для наполненных стабилизированных композиций талька свидетельствуют о том, что с увеличением времени старения не происходит каких-либо заметных изменений. Это.может являться свидетельством эффективности действия стабилизатора, предотвращающего процессы деструкции в полимере.
Установлено, что старение наполненных композиций полиэтилена протекает более интенсивно, чем чистого полиэтилена. Поэтому, наполненные композиционные материалы, содержащие тальк, используемые в условиях повышенной температуры, должны подвергаться обязательной Стабилизации.
Показано, что на свойства композиционного материала оказывают совместное действие и наполнитель, и стабилизатор. Введение наполнителя приводит к формированию переходного слоя, в котором связующее переходит в систему тонких пленок, окружающих частицы наполнителя. Ориентация макромолекул связующего способствует повышению прочности матрицы в таких пленках. Стабилизатор распределяется в поверхностном слое наполненной системы, который наиболее подвержен деструкции, таким образом предохраняя полимерную композицию от разрушающего длительного воздействия повышенной температуры в присутствии кислорода воздуха.
Эффект стабилизации 1г§апох 1010 проявляется в повышении прочности тальконаполненных стабилизированных композиций, что подтверждается сохранением прочностных характеристик даже после 96 часов старения, в то время, как для дестабилизированных композиций происходит резкое падение значений прочности при растяжении. Также подтверждением этого выступают данные по определению ПТР исследуемых композиций, которые не изменяются при увеличении времени старения до 96 часов.
Выявленные особенности теплового старения тальконаполненных композиций полиэтилена вызывают интерес для проведения дальнейших исследований, как с использованием талька, так и с применением других наполнителей.
Библиографические ссылки
1.Химические добавки к полимерам: Справочник. [Под ред. И. П. Масло-вой]; 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1981. 264 с.
2. Наполненные стабилизированные композиции полиолефинов / Л. А. Попова [и др.] // Труды БГТУ. Сер. IV, Химия и технология орган, в-в., 2008. Вып. XVI. С. 71-74.
3. Кондратенко В. И. Аскадский, А. А. Компьютерное моделирование полимеров. Т.1. Атомно-молекулярный уровень. М.: Научный мир, 1999. 544 с.
