CC BY
63
УДК 678.742
Ней Зо Лин, М.Н. Аверьянова, В.С. Осипчик*, Т.П.Кравченко
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9 * e-mail: vosip@muctr.ru
СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОНАПОЛНЕННЫХ ПОЛИОЛЕФИНОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ
Показаны перспективы применения минеральных наполнителей для получения высоконаполненных композиций на основе полиэтилена. Показано, что для улучшения механических свойств высоконаполненных полиолефиновых композиций целесообразно введение небольшого количества сополимеров полиэтилена различного химического строения, что может привести к уменьшению дефектности структуры и улучшению свойств наполненных композиций.
Ключевые слова: полиэтилен; наполнение; сополимеры полиэтилена; совместители-модификаторы; высоконаполненные композиции.
Композиционный материал - это гетерофазный материал, отдельные фазы которого выполняют специфические функции, обеспечивая ему свойства, которых не имеет ни один из компонентов отдельно [1].
В настоящее время существует более 200 видов наполнителей для полимеров. И их количество с каждым годом увеличивается, что связано с расширением областей применения полимерных материалов. В последние годы значительно возрос интерес к минералонаполненным
композиционным материалам на основе полиолефинов, что связано с возможностью изменения их эксплуатационных свойств и снижения стоимости полимерных изделий. В зависимости от активности и дисперсности минеральных наполнителей можно получить наполненные полиолефиновые изделия разного назначения [2].
Вне зависимости от формы и размера частиц, введение наполнителя в матрицу приводит к возникновению в системе фазовой гетерогенности. С увеличением степени наполнения равномерность распределения частиц возрастает, но структурная неоднородность может сохраняться до высоких степеней наполнения.
Вместе с тем с увеличением содержания наполнителя возрастает вероятность контакта частиц наполнителя друг с другом, а в предельном случае - агломерация частиц наполнителя, что естественно сопровождается резким падением прочностных характеристик системы. Таким образом, одной из первых задач при наполнении дисперсными частицами является достижение их максимально равномерного распределения в матрице.
Предпосылками к этому являются хорошее смачивание поверхности частиц наполнителя раствором или расплавом связующего, его относительно низкая вязкость, а также
интенсивные сдвиговые деформации в процессе смешения компонентов.
Свойства термопластичных композиционных материалов (ТпКМ) определяются свойствами полимерной матрицы и наполнителя, их концентрацией в композиции, характером распределения наполнителя в матрице, природой взаимодействия на границе полимер -наполнитель. При этом наполнитель, улучшая определенные свойства композиции, может одновременно ухудшать другие ее свойства. Поэтому в каждом конкретном случае во время выбора типа, концентрации и способа поверхностной модификации наполнителя, необходимо тщательно сбалансировать эффекты, обусловленные присутствием в составе ТпКМ наполнителя и других компонентов [3].
Деформационное поведение дисперсно-наполненных композитов определяется свойствами матричного полимера, концентрацией и размером частиц наполнителя. Размер частиц обуславливает форму пор, образующихся при отслоении частиц от матрицы. Вблизи мелких частиц формируются овальные поры, а вблизи крупных - микротрещины, ромбовидные поры, поперечный рост которых приводит к быстрому разрушению материала при небольших деформациях. Для предотвращения образования опасных дефектов при получении композитов желательно использовать частицы небольшого размера [4]. Кроме того, было показано, что размер частиц наполнителя влияет на механические свойства: наполнитель способен оказывать усиливающее действие при малом размере его частиц.
Широкое распространение при наполнении полиолефинов получили минеральные
наполнители, в том числе мел. Есть несколько причин для того, чтобы использовать минеральные наполнители [5]:
1. улучшение перерабатываемости
2. направленное изменение свойств материалов готовых изделий
3. снижение сырьевой себестоимости
При модификации свойств полимеров минеральные добавки увеличивают плотность и модуль упругости, увеличивают или уменьшают ударную прочность в зависимости от формы частиц и их взаимодействия с полимерной матрицей, увеличивают теплостойкость и уменьшают усадку [6].
Известно, что для улучшения механических свойств наполненных полиолефиновых
композиций иногда вводят небольшое количество (до 10% масс.) сополимеров полиэтилена различного химического строения. Эти добавки рассматриваются как «совместители-
модификаторы» с наполнителем или «твердые
пластификаторы» [7]. При этом наблюдается так называемая искусственная аморфизация полиолефинов (например, за счет ввода сополимеров с меньшей степенью кристалличности), что может привести к уменьшению дефектности и улучшению свойств наполненных композиций.
В нашей работе в качестве добавок использовали:
- сополимеры этилена с винилацетатом СЭВА 113 и СЭВА-118 с содержанием винилацетата (10-14% и 26-30% соответственно);
-сополимер этилена с малеиновым ангидридом (марка 8002);
- тройной сополимер этилена-винилацетата и малеинового ангидрида (марка 2113);
Рис.1. Зависимости прочности (а) и разрывной деформации (б) от содержания модификаторов для наполненной композиции ПЭ-108:мел = 50:50
Максимальные значения прочности наблюдаются (рис.1) при содержании модификаторов 5-6%. Добавка 8002 неэффективна с точки зрения повышения разрывной деформации композиций. Введение 10мас.% модификаторов СЭВА-113 и 2113 позволяет увеличить уровень разрывной деформации в 2 и 4 раза соответственно: с 20 до 35% и 80%.
В литературе имеется сравнительно мало публикаций, посвященных исследованию структуры и свойств высоконаполненных композиций на основе полиэтилена. Это связано с тем обстоятельством, что уровень механических свойств таких систем, как правило, невелик и они не имеют широкого практического применения.
Таблица 1
Механические свойства высоконаполненных композицийПЭ-108+мел
В присутствии модификатора 2113 возможно увеличение степени наполнения композиции до 60 и даже до 65мас.% (табл. 1)
Показано, что использование модификаторов 2113 (сополимер ЭВА- 28% ВА с МА- 0,8%) и СЭВА-113 в количестве 5-10мас.% целесообразно для улучшения механических свойств и повышения степени наполнения композиции ПЭ-мел. Однако вследствие более низкой себестоимости и большей доступности предпочтение следует отдать СЭВА-113.
1. Таким образом, в работе проведено исследование механических свойств полиолефиновой композиции ПЭ-108:мел для кабельной техники. При этом рецептура с соотношением ПЭ-108:мел = 50:50 имеет низкую стоимость, повышенные прочностные показатели, однако относительное удлинение при этом не удовлетворяет требованиям ТУ.
2. Для повышения относительного удлинения исследовано влияние модификаторов -сополимеров этилена с винилацетатом (СЭВА-113), малеиновым ангидридом (8002), тройного сополимера этилена, винилацетата и малеинового ангидрида (2113).
3. Установлено, что введение модификаторов приводит к аморфизации полиэтилена (уменьшению энтальпии плавления) и
Мел, мас.% 2113,% ор, МПа гр, %
Без модификатора
60 - 7,0 9,7
65 - 6,1 7
В присутствии 2113
60 5 10,6 39
60 10 9,7 45
65 10 11,2 31
закономерному росту относительного удлинения характеристик в качестве основного наполненной композиции. По совокупности модификатора выбран СЭВА-113.
Ней Зо Лин аспирант кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Аверьянова Марина Николаевна студентка кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Осипчик Владимир Семенович д.т.н., профессор, заведующий кафедрой технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Кравченко Татьяна Петровна к. т.н., в.н.с. кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Микуленок И. О. Классификация термопластичных композиционных материалов и их наполнителей// Пластические массы, 2012, № 9, С. 29 - 37.
2. Кербер М. Л., Виноградов В. М., Головкин Г. С. и др. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. Пособие //- СПб.: Профессия, 2008 - 560 с.
3. Контарева Т. А., Кенекьян А. С., Синевич Е. А., Серенко О. А. Особенности деформационного поведения дисперсно-наполненных композитов на основе полиэтилена и частиц резин при повышенных температурах//Пластические массы, 2012. №11. С. 37 - 45.
4. Соломко В. П. Наполненные кристаллизующиеся полимеры. - Киев: Наукова думка, 1980. 264 с.
5. Власов С. В., Кандырин Л. Б., Кулезнев В. Н. и др. Основы технологии переработки пластмасс: учебник для вузов - М.: Химия, 2004. 600 с.
6. Осипчик В. С., Чалая Н. М., Казанчян А. Э., Краснов К. В., Аверин Р. М. Оценка эффективности модифицирования ПЭ высокой плотности термоэластопластами и органобетонитами // Пластические массы, 2010, № 10.С.28-32
7. Крыжановский В. К., Бурлов В. В., Паниматченко А. Д., Крыжановская Ю. В. Технические свойства полимерных материалов. - Спб.: Профессия, 2005. 248 с.
Nay Zaw Lin, Averiyanova Marina Nikolaevna, Osipchik Vladimir Semenovich*, Kravchenko Tatyana Petrovna
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: vosip@muctr.ru
STRUCTURAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF HIGHLY FILLED POLYOLEFIN COMPOSITION
Abstract
The prospects for the use of mineral fillers to produce highly filled composites based on polyethylene. It was shown that to improve the mechanical properties of highly filled polyolefin compositions expedient incorporation of a small amount of polyethylene copolymers of different chemical structure, which may lead to reduced defects of structure and improved properties of the filled compositions.
Key words: polyethylene; filling; polyethylene copolymers; pluralists modifier; highly filled compositions.
