CC BY
5
УДК 678.742
Давидьянц Н.Г., Кравченко Т.П., Мжачих И.Е., Лукашов Н.И., Чалая Н.М.
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ СВОЙСТВ НАПОЛНЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВТОРИЧНОГО ПОЛИСТИРОЛА
Давидьянц Никита Григорьевич - студент бакалавриата 4 курса кафедры технологии переработки пластмасс; nekit199dav@gmail.com.
Кравченко Татьяна Петровна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник., ведущий инженер
кафедры технологии переработки пластмасс; kravchenkopolimer@gmail.com.
Мжачих Иван Евгеньевич - соискатель кафедры технологии переработки пластмасс;
Лукашов Николай Игоревич - аспирант кафедры технологии переработки пластмасс;
Чалая Наталья Михайловна - кандидат технических наук, доцент кафедры технологии переработки
пластмасс;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
Композиционные материалы на основе вторичного полистирола с добавками наполнителей в различных пропорциях получали методом смешивания в расплаве. Исследованы механические свойства смесей вторичного полистирола с органоглиной-монтмориллонитом и термоэластопластами. Анализ полученных результатов показал, что ударная вязкость композиций повышается при сохранении прочности при растяжении, повышается термостойкость.
Ключевые слова: полистирол, стирол-этилен-бутилен-стирольный термоэластопласт, модификация, экструдирование, механические свойства.
DEVELOPMENT OF METHODS FOR IMPROVING THE PROPERTIES OF FILLED MATERIALS BASED ON RECYCLED POLYSTYRENE
Davidyants N.G., Kravchenko T.P., Mzhachikh I.E., Lukashov N.I., Chalaya N.M. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
Composite materials based on secondary polystyrene with additives offillers in various proportions were obtained by mixing in a melt. The mechanical properties of mixtures of secondary polystyrene with organogline-montmorillonite and thermoplastics are investigated. The analysis of the obtained results showed that the impact strength of the compositions increases while maintaining the tensile strength, and the heat resistance increases. Keywords: polystyrene, styrene-ethylene-butylene-styrene thermoelastoplastic, modification, extrusion, mechanical properties.
Введение
Полистирол (ПС) является одним из наиболее широко используемых термопластов в нескольких отраслях промышленности, таких как пищевая (упаковка и хранение), бытовая техника, автомобилестроение и пенопластовая
промышленность. Высокая жесткость, прочность и прозрачность, нетоксичность, хорошая стойкость к растворению, превосходный блеск поверхности, хорошая технологичность, хорошая
обрабатываемость, низкая стоимость - вот некоторые из благоприятных характеристик полистирола. Одним из основных недостатков полистирола является его хрупкость, что ограничивает возможности применения этого материала в инженерных целях, а также низкая температура тепловой деформации [1]. Одним из путей решения этой проблемы является внедрение глобул каучука в стекловидную матрицу термопласта для улучшения механических свойств композиции посредством модификации ее морфологии. Также известно влияние органомодифицированной наноглины на механические свойства полистирола, что было предметом многих исследований. Органоглина может изменять механизм деформации и, следовательно, механические свойства
полистирола. Частицы органоглины могут выступать в качестве мест зарождения зародышей в полистироле [2].
Целью работы является разработка методов повышения свойств полистирола путем его наполнения органоглиной - монтмориллонитом (ММТ) и термоэластопластами, в том числе стирол-этилен-бутилен-стирольным эластопластом с привитым малеиновым ангидридом (мСЭБС), который представляет собой фазу частиц каучука и может выступать в качестве упрочняющего агента в полимерной матрице. Он также может играть роль совместителя между полистирольной матрицей и органоглиной. В последнее время со стороны индустриальных и исследовательских сообществ проявляется значительный интерес к блок-сополимерам, обусловленный многообразием путей, благодаря которым блок-сополимеры улучшают инженерные свойства разрабатываемых композитов
[3].
Отдельный сегмент современного рынка -рециклинг полистирола [4-5]. Многие компании в России и мире специализируются на покупке полистирольных отходов с дальнейшей переработкой и продажей или использованием вторичного полистирола. Как правило, для этого
применяется технология экструдирования очищенных отходов с последующим дроблением и получением вторичного гранулированного материала, пригодного для изготовления изделий [6].
Экспериментальная часть
Композиции приготавливали следующим образом: вторичный ПС и модификаторы взвешивали на электронных весах с точностью до 0,1 г. После этого компоненты засыпали в емкость, где смесь перемешивали механическим способом типа «пьяная бочка». Приготовленную композицию засыпали в цилиндр двухшнекового экструдера модели TSH-25 фирмы «Nanjing Chuangbo Extrusion Equipment Co», Китай. Экструдирование материала на основе вторичного ПС производили при температуре 180-210 °С. Расплав из головки экструдера выходил в виде стренг (прутков), которые охлаждали в воде и гранулировали при помощи роторной ножевой дробилки.
Гранулы перерабатывали на литьевой машине KuASY 105/32—I с номинальным объемом впрыска 52 см3, диаметром шнека 36 мм, расстояние между колоннами 280 мм, временем запирания/раскрытия три секунды. Литьевая машина имеет четыре зоны обогрева, мощность электрообогрева составляет 3000 Вт. Литьевая машина питается от сети 380 В. В трех первых зонах литьевой машины поддерживалась
температура 175, 200 и 230 °С соответственно при времени компрессии десять секунд и времени охлаждения восемь секунд. В результате получали образцы в форме брусков длиной 50 мм, шириной 6 мм и высотой 4 мм с точностью до 0,3 мм и лопаток длиной 150 мм, шириной 10 мм и высотой 4 мм с точностью до 0,3 мм.
Определение показателя текучести расплава вторичного полистирола и композиций на его основе осуществляли на приборе ИИРТ-М при температуре 200 °С и нагрузке 5,0 кг с использованием капилляра длиной (8±0,025) и внутренним диаметром (2,095±0,005) мм. Определение технологических и эксплуатационных свойств полученных
композиционных материалов проводилось по стандартным методикам согласно требованиям соответствующих ГОСТ. Исследования методом термогравиметрического анализа (ТГА) проводили на приборе Дериватограф-К (МОМ, Венгрия) при скорости нагревания 10 °С/мин на воздухе на образцах массой ~25 мг.
Одним из методов повышения деформационно-прочностных свойств вторичного ПС является использование СЭБС в качестве модификатора и наполнителя органоглины-монтмориллонита (ММТ). В таблице 1 представлены результаты показателя текучести расплава изученных композиций (ПТР).
Таблица 1. Значения показателей текучести расплава композиций
Композиция ПС ПС+5 мас.% СЭБС ПС+5 мас.% мСЭБС ПС+1 мас.% ММТ ПС+1 мас.% ММТ+5 мас.%мСЭБС
ПТР, г/10 мин 3,6 4,1 4,7 4,3 4,5
Как видно из таблицы, совместное введение модификатора и наполнителя позволяет существенно увеличить текучесть композиции по сравнению с исходным вторичным полистиролом, что улучшает перерабатываемость вторичного полимера.
Одной из важных характеристик ПС ввиду его хрупкости является ударная вязкость. Результаты ее изменения для исследованных композиций представлены на рисунке 1 (диаграмма).
9 S.4
в
Л Б ЪА
3.8 ■
1 2 3 4 5
Рис. 1 Ударная вязкость с надрезом композиций: 1-ПС.; 2-ПС+1 мас.%ММТ; 3-ПС+5мас.% СЭБС; 4-ПС+5мас.%мСЭБС; 5-ПС+1 мас.%>ММТ+5 мас.% мСЭБС
Как видно из рисунка 1, при добавлении всего 1 мас.% ММТ ударная вязкость в композиции возрастает почти в 1.5 раза по сравнению с вторичным ПС. Введение модификатора термоэластопласта приводит к еще большему увеличению данного показателя. Совместное введение нанонаполнителя и малеинизированного СЭБС позволило увеличить ударную прочность более чем в 2 раза. Можно предположить, что такие изменения связаны с морфологией эластомерной фазы мСЭБС: размер частиц эластомера уменьшается в присутствии органоглины ММТ в системах полимер-эластомер-органоглина.
Повышение степени расслаивания частиц глины в модифицированной композиции приводит к улучшению дисперсности эластомерной фазы благодаря усилению «барьерного эффекта» частиц монтмориллонита, препятствующих слиянию частиц расплава эластомера при переработке, что приводит к увеличению ударных и эластичных свойств композиции.
На рисунке 2 (диаграмма) показано изменение прочностных показателей изученных композиций, из которого видно увеличение прочности при растяжении (МПа) при введении наполнителя и некоторое снижение прочности модифицированных композиций по сравнению с исходным полимером.
Также наблюдалось небольшое снижение относительного удлинения при разрыве (с 5,0 до 4,4%).
34.5
34
32.5 32.4
32.1 31.9
12 3 4 5
Рис. 2 Прочность при растяжении композиций: 1-ПС; 2-ПС+1 мас.%ММТ; 3-ПС+5мас.% СЭБС; 4- ПС+5 мас.%мСЭБС; 5- ПС+1 мас.%0ММТ+5 мас.% мСЭБС
Изучена термостойкость полученных
композиций методом дифференциально-
термического анализа (ТГА) (рис.3).
Т,°с
Рис.3. Кривые ТГА и ДТГкомпозиций:1- ПС; 2-ПС+1% ММТ; 3- ПС+1% ММТ + 5% мСЭБС
Как видно из рисунка 3, основные процессы изменения массы протекают для образца с наполнителем и модификатором при более высоких температурах, что говорит о повышении термостойкости. Кривые ДТГ-скорость деструкции
приблизительно одинакова для всех трех партий и наблюдается при температуре 410 °С.
Заключение
Показана эффективность применения блок-сополимера стирол-этилен-бутилен-стирола в качестве модификатора ударопрочности для вторичного полистирола. Введение 5 мас.% мСЭБС во вторичный полимер приводит к значительному повышению ударной вязкости за счет хорошей смешиваемости вторичного полимера и термоэластопласта в расплавленном состоянии благодаря наличию стирольных мономеров в молекулярных цепях термоэластопласта,
аналогичных молекулам полистирола. Совместное введение ММТ и мСЭБС в композицию на основе вторичного полистирола позволяет получить оптимальное соотношение прочности и ударной вязкости при достаточном сохранении величины удлинения при разрыве и повышении термостойкости.
Список литературы
1.Петрова Г.Н., Бейдер Э.Я. Ударопрочные полимерные смеси на основе полистирола // Пластмассы. - 2013. - №10. - С. 27-37.
2.Arora Artee, Choudhary Veena, Sharma D. K. Effect of clay content and clay/surfactant on the mechanical, thermal and barrier properties of polystyrene/organoclay nanocomposites // J. Polym. Res. - 2011. - V.18. - №4. - P. 843-857.
3.Xiaoming S.A, Lei Z.B., Runzeng W.C., Xinggang C. D., Man A.E., Yi S.F. Study on Preparation and Properties of Polystyrene/styrene-ethylene/butylene-styrene Composites // Advanced Materials Research. -2011. - Vols. 284-286. - P. 1886-1889.
4. Maharana T., Negi Y.S. Mohanty B. Recycling of Polystyrene Polymer // Plastics Technology and Engineering. - 2007. -№ 46. -рр. 729-736.
5. Vilaplana, F. Ribes-Greus, A. Karlsson, S. Degradation of recycled high-impact polystyrene: Simulation by reprocessing and thermooxidation // Polym. Degrad. Stab. - 2006. -№ 91. -P. 2163-2170.
6. Абрамов В.В., Чалая Н.М. Вторичная переработка полимерных отходов: анализ существующих методов // Полимерные материалы. -2010. - №11. - С.25-29.
