CC BY
16I ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
УДК 678(075)
ПОРОШКОВО-ПОЛИМЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СОЗДАНИИ ВОЛОКНОНАПОЛНЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ИСЛАМОВ БАХТИЁР ХАЙДАРОВИЧ
Доцент кафедры физики и электротехники, Ташкентский институт текстильной и легкой
промышленности, Ташкент, Узбекистан
УЛУКМУРАДОВ АБРОР НАФАСОВИЧ
Заведующей кафедры физики и электротехники, Ташкентский институт текстильной и легкой
промышленности, Ташкент, Узбекистан
МАМАЕВА ДИЛДОРА АХМАДЖАНОВНА
Старший преподователь кафедры физики и электротехники, Ташкентский институт текстильной
и легкой промышленности, Ташкент, Узбекистан
МАМАДАЛИЕВА МУАЗЗАМХОН АБДУМАННОН КИЗИ
Ассистент кафедры физики и электротехники, Ташкентский институт текстильной и легкой
промышленности, Ташкент, Узбекистан
Аннотация. В работе рассматриваются формирование композитов на основе смесей порошков высокодисперсного полиэтилена, полистирола, натурального шелка и шерсти, целлюлозы, которые обладают хорошими физика-механическими свойствами и пригодны для использования материалов с заданными свойствами. В работе изложены также сведения о композитах, принципы создания полимерных композиционных материалов. Приводятся основные технологические методы получения композиционных материалов и методы формования изделий на их основе. Содержатся данные об особенностях структуры и свойствах полученных полимерных композитов: дисперсно-наполненных, армированных волокнами, смесях полимеров. Результаты исследования свидетельствует также, что разработка новых технологических процессов позволит максимально использовать ресурсный потенциал отходов, минимизировать количество отходов, направляемых на захоронение, с целью снижения негативного воздействия отходов на окружающую среду, расширить ассортимент материалов технического, бытового и специального назначения
Ключевые слова: полимеры, полистирол, полиэтилен, полимерные системы, волокна, натуральный шелк, шерсть._
Большую значимость в решении ряда практически важных задач приобретает создание нового класса высокоэффективных материалов, отвечающих современным требованиям научно-технического прогресса. В частности к ним следует отнести полимерные композиционные материалы, которые обладают уникальными физико-механическими свойствами. Получение композиционны материалов с высокими эксплуатационными свойствами, это в свою очередь требует дальнейшего совершенствования существующих и разработки новых высокопроизводительных технологических процессов переработки полимеров. Дальнейший прогресс в области переработки пластических масс связан с резким повышением
производительности перерабатывающего оборудования, сокращением трудоёмкости в производстве изделий и повышением их качества [1-3].
Среди сложных по составу комбинированных полимерных материалов все большую роль приобретает полимер-полимерные смеси. Получение таких смесей позволяет улучшить свойства индивидуальных полимеров. Решение поставленных задач невозможно без применения новых прогрессивных методов переработки, к числу которых относятся различные виды обработки полимеров в порошковые материалы [4-6].
В связи с этим, получение порошковых полимерных материалов и использование порошков различных волокнистых материалов с разными размерами частиц при создании композитов очень перспективно, так как:
-во-первых, высокая дисперсность частиц позволяет обеспечить их равномерное распределение в матрице, за счет чего можно достичь улучшенных физико-механических свойств;
-во-вторых, высокая степень гомогенизации смеси компонентов облегчает технологический процесс их дальнейшей переработки;
-в-третьих, получение же порошков из полимерных отходов является одним из путей решения проблемы переработки полимеров, т.е. имеет важное практическое значение как с позиции охраны окружающей среды, так и с точки зрения сокращения расхода первичных полимеров [7-10].
Как правило, ни исходный полимерный материал, который обычно получают в виде гранул, ни, тем более, вторичный полимер, не могут быть напрямую использованы в технологиях, основанных на тонкодисперсных порошках. В связи с этим, для измельчения полимерных отходов было разработано большое число различных типов оборудований
В настоящее время известны два промышленных способа получения порошков: механическое измельчение, которое, в зависимости от природы полимера, может быть реализовано как в присутствии хладагентов, так и при комнатной, либо повышенной температуре, и осаждение из растворов [11-13].
Практически все способы получения механическим путем порошковых материалов основаны на двух физических принципах: ударном воздействии, приводящем к разрушению (для достаточно твердых и хрупких материалов) и резании (для относительно мягких и пластичных тел), которые осуществляются в шаровых, молотковых, струйных вибромельницах -диспергаторах и т.п [14-16].
Для механического измельчения отходов полимеров разработано большое число различных типов оборудования. При выборе того или иного типа необходимо учитывать ряд факторов, главными из которых являются: физическое состояние полимера (упругое, вязко - упругое, высокоэластическое) в условиях измельчения, вид полимерных отходов, их размеры и количество, необходимая степень измельчения и конечный размер дробленого материала. В случае, когда требуется измельчать очень крупные отходы, их предварительно режут, используя дисковые пилы, ленточнопильные станки на более мелкие куски, которые потом могут измельчаться на стандартном оборудовании. Для повышения производительности стадии измельчения часто необходимо проводить предварительное уплотнение отходов, особенно тех, которые обладают низкой насыпной плотностью (отходы пенопластов, пленочные обрезки и т.п.). Для этого, как правило, используются дисковые уплотнители.
Общим недостатком используемых технологических процессов измельчения является их низкая эффективность, высокие энергозатраты, громоздкость, низкое качество получаемых продуктов и высокий уровень шума. Более того, при использовании традиционных технологий
измельчения полимерных отходов энергия образования новой поверхности составляет незначительную долю от величины всей работы, затрачиваемую на разрушение. Подавляющую часть работы составляет работа упругой и пластической деформации. После разгрузки в результате разрушения упругая энергия полностью рассеивается в тепло.
В конце прошлого века был открыт способ высокотемпературного измельчения вторичных полимеров, получивший название метод упруго-деформационного измельчения полимеров, позволяющий получать тонкодисперсные порошки, в том числе одних из самых крупнотоннажных полимеров - полиэтилена низкой плотности (ПЭНП), в условиях сдвиговых деформирований термопластов и их смесей в области температур вблизи фазового перехода (кристаллизации) [17-20].
Суть этого способа измельчения состоит в использовании поля механических сил, при котором среда подвергается воздействию со сдвигом. Процесс сводится к "накачиванию" упругой энергии в материал, запасаемой им при действии высокого давления. При сдвиговом деформировании энергия затрачивается на образование новых поверхностей. Измельчение довольно просто реализуется в экструдерах, снабженных материальным цилиндром, внутри которого вращается шнек с винтовой нарезкой, подающий материал в специальную роторную головку, установленную в конце машины. В силу этого процесс иногда называют экструзионным измельчением. Метод позволяет варьировать средний размер получаемого порошка путем изменения температурного режима и величины зазора между измельчающим ротором и цилиндром.
В качестве перспективных компонентов разрабатываемых композиционных материалов использовали: полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), полистирол (ПС) и волокнистые отходы натуральных волокон (натуральный шелк, шерсть, кенаф, целлюлоза). Проведена разработка способа получения и исследование физико-химических и механических свойств полученных материалов на их основе. В данном случае, выбор компонентов обусловлен следующими причинами, во-первых, полиэтилен и полистирол давно и надолго заняли в промышленности место доминирующих материалов. Благодаря своим свойствам они имеют большой спрос и по динамике роста производства опережают многие материалы с аналогичными техническими характеристиками; во-вторых, использование отходов природных волокон в композиционном материале определяется особенностями физико-химического строения, структуры и свойств этих природных полимеров, а также открывает широкие возможности решения вопросов утилизации данных материалов.
Экспериментальная часть
В работе использовали первичный ПЭНП марок 16803-020; 10803-020; 15303-003; 15803020; ПЭВП марки 20906-040, ПС марки "Д", отрезки природных волокон (шелк, шерсть, целлюлоза) и соответствующие им вторичные полимеры.
Исходные порошки получены двумя способами. Первый способ заключается в механическом смешении отдельных готовых порошков термопластов и волокон. Второй способ основан на предварительном высокотемпературном сдвиговом совместном измельчении гранул ПЭНП, ПЭВП, ПС и волокнистых материалов в определенном соотношении компонент. Высокодисперсные порошки ПЭНП, ПЭВП, ПС и смесь с волокнистыми материалами получены в условиях одновременного воздействия высокого давления и сдвиговой деформации в роторном диспергаторе методом упруго-деформационного измельчения. Температуру в зонах сжатия, пластикации и измельчения варьировали в зависимости от измельчаемых материалов от 1 40 до 40оС.
Оптические исследования образцов проводили на поляризационном микроскопе МИМ-15 в поляризованном свете, а также в проходящем и отраженном свете и металлографическом микроскопе МИМ-8, позволяющим поучать микрофотографии изучаемых объектов при увеличении до 103. Электронно-микроскопические исследование образцов проводили с помощью электронного сканирующего микроскопа "5М-35С" фирмы "1ео1" (Япония. Степень увеличения электронного микроскопа, менялось от 100 до 5000.
Обсуждение результатов В данном процессе следует, отметим, что для всех исследуемых четырех образцов полимеров, т.е. из первичного ПЭНП, ПЭВП, ПС а также их смесей, из вторичного ПЭНП, ПЭВП, ПС а также их смесей с волокнистыми материалами методом упруго-деформационного измельчения удалось получить порошковые материалы. Однако, их дисперсность существенно различалась друг от друга.
Рассмотрим структуру и морфологию образовавшихся в процессе измельчения порошковых частиц от состава, полученных измельчением смесей. В отличие от ПС и ПЭВП, все исследованные смеси ПС/ПЭНП, и ПЭВП/ПЭНП, а также их смеси с природными волокнами при переработке в роторном диспергаторе, образовали порошки с достаточно малым размером частиц. Это образовалось во всех случаях, когда в них содержали ПЭНП.
В режиме, при котором температуру в зонах сжатия и пластикации поддерживали 140 и 120оС и соответственно в зоне диспергирования до 40 оС, из чистого ПЭВП, при очень высоких нагрузках на вал ротора диспергатора, и соответственно больших энергозатратах удавалось получить из ПЭВП рыхлый, войлокоподобный материал, состоящий из переплетенных и частично связанных друг с другом коротких волокон, а из ПС - очень грубые порошки, содержащие большое количество частиц с размером порядка 0,5-1,5 мм. Образование в последнем случае столь крупных частиц по-видимому связано с тем, что измельчение ПС в роторном диспергаторе сопровождается слипанием, прессованием образовавшихся частиц в более крупные агломераты.
Таблица 1.
Изменение среднего размера частиц порошков, полученных из смесей ПС/ПЭНП, ПЭВП/ПЭНП
в зависимости от массовой доли ПЭНП.
Содержание ПЭНП в смеси масс. %. Средний размер порошков, мкм в смеси ПЭНП/ПС Средний размер частиц порошков, мкм в смеси ПЭНП/ПЭВП Средний размер частиц порошков, мкм в смеси ПЭНП/волокна
90 30 35 90
70 45 55 150
50 55 60 250
30 65 95 550
10 110 210 700
В таблице 1. приведены данные о среднем размере частиц порошковых материалов. полученных из смесей ПС/ПЭНП и ПЭВП/ПЭНП в широком интервале их составов
Как видно из приведенных в таблице 1 данных по мере снижения ПЭНП в смеси средний размер частиц порошковых материалов постепенно увеличивается. Особенно сильно проявляется эта тенденция, когда содержание ПЭНП в смесях становится менее 30 масс %. Последнее связано вероятно с тем обстоятельством, что при низком содержании ПЭНП, в смесях ПС/ПЭНП, и
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
ПЭВШПЭНП непрерывную фазу образуют ПС и ПЭВП соответственно. В пользу такой трактовки свидетельствует также данные о фракционном составе порошков данных смесей. Отметим, что для порошковых материалов из смесей ШЭВШ/ШЭНШ характерна высокая пористость. Этот вывод подтвержден также на основании результатов исследований удельной поверхности порошков полученных порошков.
Эти результаты и результаты электронно-микроскопических исследований вполне согласуются со сделанными на основании определения среднего размера частиц порошков вывод о том, что качество полученных порошков сильно зависит от того, какой полимер в смесях ПС/ПЭНП и ШЭВШ/ШЭНШ образует непрерывную фазу.
Таким образом совместная переработка ПЭНП и ПЭВП, а также их смесей, из вторичного ПЭНП и ПЭВП а также их смесь с волокнистыми материалами, из первичного ПЭНП и ПС, а также их смесей, из вторичного ПЭНП и ПС, а также их смесь с волокнистыми материалами в роторном диспергаторе не только приводит к существенному изменению среднего размера частиц, но и обеспечивает весьма равномерное распределение волокна по объему получаемого порошкового продукта.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:
1. Бодьян Л.А., Варламова И.А., Гиревая Х.Я., Калугина Н.Л., Гиревой Т.А. Исследование композиционных материалов на основе вторичного полимерного сырья // Современные наукоемкие технологии. - 2015. - № 2. - С. 15-18.
2. Islamov B.Kh, FattahovM. A. Viscosity properties of aqueous solutions of natural silk waste compositions//The American Journal of Engineering and Technology 2022.V. 04, pp.1-4.
3. Носков Д. В. Модификация вторичных полимеров // журн. Химия и химическая технология. Саратов.: СГТУ, 2003, вып. №46.
4. Артеменко С.Е.,Глухова Л.Г.,Лютов В.А.,Лобадин В.Я.Комплексная система использования отходов производства вискозных волокон//Химические волокна, 2006г-с51-53.
5. Горбаткина Ю.А. Адгезионная прочность в системах полимер-волокно // - Москва, Химия.1987.
6. Исламов Б.Х., Рахмон-Заде Я.З., Ахмедов А.М. Исследование структурных изменений в процессе разрушения полимеров // Вестник ТашГТУ. Т, 2017 г. №4. С.108-110.
7. Islamov B.Kh., Umarov A.V., Boymuratov F.T. Phase transition in hyrolyzed samples of natural silk // Texas Journal of Multidisciplinary Studies. USA. 2022. Vol. 12, Pp. 29-31.
8. Яковлев, А. Д., Здор В. Ф., Каплан В. И. Порошковые полимерные материалы и покрытия на их основе. Л.: Химия. 1979. 256 с.
9. Заявка. Великобритания. №»2044126. Способ и устройство для криогенного измельчения, опубл. 15.10.80. №»4783 // ВНИИПИ; Изобр. в СССР и за рубежом. 1981
10. Клейман С. Я. и другие. Установка для получения порошкообразных термопластов // Пласт. массы. 1985. №5. С. 52-53.
11. Заявка. Великобритания № 2044126. Способ и устройство для криогенного измельчения, опубл. 15.10.80. № 4783// ВНИИПИ, Изобр. в СССР и за рубежом. 1981.
12. Заявка. Франция. № 2463642. Дробилка для резины, опубл. 03.04.81// ВНИИПИ, Изобр. в СССР и за рубежом. 1981. № 8.
13. Заявка. Франция. № 2474893. Способ и установка для измельчения пластмассы и резины, опубл. 07.08.81// ВНИИПИ, Изобр. в СССР и за рубежом. 1981. № 8.
14.Салихова Н.И. Получение высокодисперсных порошков из первичных и вторичных полиолефинов высокоскоростным резанием // Пласт, массы.-1985.-№4.-с.35-37.
15. Акопян Е.Л. Упруго деформационное измельчение термопластов // Докл. АН СССР. - 1986Т. 291,№ 1,- С 133.
16. Шубина Н.И., Гиревая Х.Я. Композиционные материалы на основе вторичного полимерного сырья // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. - 2013. - Т. 1. - № 71. - С. 282-285
17. Akhmetkhanov R.M., Kolesov S.V., Nagumanova E.I., Kabalnova N.N., Zaikov G.E. // Journal of Applied Polymer Science, 99, 6, 2885-2887 (2005).
18. Ахметханов Р. М., Минскер К. С., Заиков Г. Е. О механизме тонкого диспергирования полимерных продуктов при упруго-деформационном воздействии // Пластические массы. 2006. №8. С. 6-9.
19. Ениколопян Н. С., Фридман Н. С. К вопросу о механизме упруго - деформационного измельчения полимерных материалов // Докл. АН СССР. 1986. Т. 290. №2. С. 379.
20. Вольфсон С. А., Никольский В. Г. Твердофазное деформационное разрушение и измельчение полимерных материалов. Порошковые технологии // Высокомолекулярные соединения. Б. 1994. Т. 36. №6. 1040 с.
