CC BY
50
УДК 678.029.46
В. А. Седых, кандидат технических наук, доцент (ВГУИТ);
А. Ю. Воротягин, технический директор (ЗАО «Фабрика Игрушка», Воронеж);
Е. С. Кузнецова, магистрант (ВГУИТ);
Е. П. Усс, кандидат технических наук, ассистент (БГТУ)
СВОЙСТВА НАПОЛНЕННЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ ЭМУЛЬСИОННОГО ПВХ
Установлено влияние содержания мела на технологические и технические свойства пластизо-ля и пластиката эмульсионного ПВХ, используемого при изготовлении детских игрушек. Изучена реология наполненного мелом пластизоля и пластиката. Исследована стабильность наполненных мелом пластизолей. Приведены упруго-прочностные свойства наполненных пластикатов ПВХ.
Set influence of chalk on the technological and technical properties of plastisol and compounds of PVC emulsion used in the manufacture of children's toys. Studied rheology filled with chalk plastisol and compounds. We studied the stability filled with chalk plastisols. Given the elastic-strength properties filled with plasticized PVC.
Введение. В настоящее время эластичные детские игрушки изготавливают методом ротационного формования пластизоля на основе эмульсионного поливинилхлорида, пластифицированного диоктилфталатом (ДОФ).
Для снижения себестоимости и уменьшения выпотеваемости ДОФ на поверхность изделия отечественных игрушек, по сравнению с игрушками китайского производства, возникла необходимость введения наполнителя - мела разных производителей (белгородского месторождения РФ и производства Турции), отличающихся размером частиц.
Целью работы являлась оценка влияния стабильности пластизолей, содержащих мел в количестве 5-20 мас. % на технологические свойства ПВХ при сохранении физико-механических показателей получаемого пластиката.
Основная часть. Изучение реологии наполненного мелом пластизоля. Исследовались реологические характеристики пластизолей без мела и с нарастающим содержанием мела с помощью вискозиметра Брукфильда БУ-Б, полученных на лабораторном смесителе и пилотной установке ЗАО «Фабрика Игрушка».
Оценивали тип коллоидной дисперсии по изменению вязкости при различном числе обо-
ротов шпинделя 863 (1,5-12,0 об./мин). Оценку влияния скорости вращения (п, об./мин) шпинделя вискозиметра и содержания мела на вязкость пластизолей (п, мПа • с) осуществляли по величине показателя кратности изменения вязкости (А, мПа • с/об./мин) линейного уравнения регрессии п = А • п + В от скорости вращения шпинделя вискозиметра (табл. 1).
Для свежеприготовленного пластизоля без мела и содержащего до 10 мас. % мела вязкость практически не зависела от скорости вращения шпинделя (А минимален и составил от 10 до 43 мПа • с/об./мин), т. е. пластизоль характеризовался свойствами идеальной жидкости.
Установлено, что с ростом продолжительности хранения пластизолей в пределах 0-48 ч и более независимо от содержания мела в интервале 5-20 мас. % показатель А увеличивался от 10 до 17 440 мПа • с/об./мин.
Зависимость величины А от содержания мела в процессе хранения более сложная. Для свежеприготовленного пластизоля (0 ч выдержки), содержащего 15 мас. % мела, наибольшее абсолютное значение А равнялось 1310 мПа • с/об./мин, а через 48 ч А = 17 440 мПа • с/об./мин.
Таблица 1
Влияние скорости вращения шпинделя вискозиметра, продолжительности выдержки пластизоля и содержания мела на показатель кратности А изменения его вязкости из линейного уравнения
регрессии п = А ■ п + В
Время, ч А, мПа • с/об./мин В, мПа • с
без мела 5 мас. % 10 мас. % 15 мас. % 20 мас. % без мела 5 мас. % 10 мас. % 15 мас. % 20 мас. %
0 -43 -43 -10 -1310 -1177 1356 1356 2824 13 070 18 713
24 -5287 -21600* -3451 -7239 -1034 469 450 96 230 34 096 56 756 20 966
48 ** ** -9362 -17 440 -2427 ** ** 65 910 86 230 31 726
* Грубые измерения. Выше предела измерения.
Через 24 ч хранения пластизоль с 5 мас. % мела характеризовался наибольшим А, достигающим 21 600 мПа • с/об./мин, а через 48 ч -17 440 мПа • с/об./мин.
Полученные значения показателя кратности свидетельствуют о том, что увеличение содержания мела с 15 до 20 мас. % при введении в ПВХ в свежеприготовленном пластизоле привело к появлению свойств псевдопластичной жидкости.
Обнаружено, что состаренный в течение 24 ч и более пластизоль независимо от содержания мела характеризовался свойствами псевдопластичной жидкости, так как с ростом скорости вращения шпинделя (от 1,5 до 12,0 об ./мин) вязкость уменьшалась (А достигал 1034-7239 мПа • с/об./мин).
Показано, что влияние содержания мела в интервале от 10 до 20 мас. % на кратность изменения вязкости имеет несколько иной характер. Увеличение содержания мела с 10 до 15 мас. % усиливало псевдопластичные свойства пластизо-лей через 24 ч и более выдержки. Так, через 24 ч выдержки пластизоля с 15 мас. % мела показатель А составил 7239 против 3451 мПа • с/об ./мин для пластизоля с 10 мас. % мела с при увеличении скорости вращения шпинделя. Следовательно, при 1,5-кратном росте содержания мела в 2 раза увеличился А.
Через 48 ч выдержки пластизоля эта тенденция роста показателя кратности А сохранялась и составила 17 400 против 9362 мПа • с/об ./мин соответственно.
Дальнейшее увеличение содержания мела в пластизоле до 20 мас. % привело к уменьшению А с ростом скорости вращения шпинделя вискозиметра. Так, через 24 ч выдержки А снизился до 1034, а через 48 ч выдержки -до 2427 мПа • с/об./мин. Это объяснялось высоким уровнем расчетной начальной вязкости (п = 0 об./мин) наполненного пластизоля, характеризуемого показателем В, равным 56 756 и 86 230 мПа • с по причине повышенной сорбции пластификатора поверхностью мела и, как следствие, дефицитом пластификатора на поверхности частиц ПВХ. Таким образом, в результате исследований установлено, что ско-
рость вращения шпинделя вискозиметра и дозировка мела оказывают влияние на изменение вязкости пластизоля.
Исследование стабильности наполненных мелом пластизолей. Содержание мела существенно влияет на стабильность к старению (жизнеспособность) пластизоля, наполненного мелом. С целью оценки стабильности коллоидной дисперсии (пластизоля, наполненного мелом) через 24 ч хранения отбирались навески пла-стизоля с верха и глубины 7 см для определения золы. По разбросу содержания образовавшейся золы оценивали разброс содержания мела (табл. 2) и, косвенно, степень расслоения коллоидной дисперсии. Установлено, что в интервале содержания мела 5-15 мас. % его разброс, и следовательно, стабильность дисперсии пластизоля наименьшие.
Таким образом, наибольшая стабильность выявлена для пластизолей, содержащих 20 мас. % белгородского мела на ПВХ.
Изучение реологии наполненного мелом пластиката. Практический интерес представляют реологические свойства получаемого из пластизоля пластиката ПВХ. С этой целью расплав пластикатов измельченных игрушек при 180°С выдавливался через калиброванное сопло реометра 8шаЛКЬео-1000 с программным обеспечением «CeastVIEW 5,94-4Б» с нарастающей скоростью сдвига (и) от 0 до 1,6 с-1.
Согласно коэффициентам уравнения регрессии ^Ппл = Спл • lgu + £пл (табл. 3), вязкость расплава пластиката уменьшалась независимо от содержания мела с увеличением скорости сдвига, а уровень напряжения сдвига увеличивался с увеличением содержания мела в пластикате с 5 до 20 мас. %. Следовательно, расплав пластиката ПВХ, так же как пластизоль, являлся псевдопластичной жидкостью.
Влияние содержания мела в интервале от 5 до 20 мас. % на показатель кратности снижения вязкости от скорости сдвига Сдл = 0,9-1,1 практически не обнаружено.
С увеличением содержания мела в пластикате его расчетная максимальная вязкость увеличивалась пропорционально коэффициенту £>ш с 3,5 до 3,9.
Таблица 2
Влияние содержания мела в дисперсии пластизоля на ее вязкость и расслоение по золе (в слое высотой 7 см)
Содержание мела, мас. % на ПВХ Содержание золы, мас. % (верх/низ) Вязкость (n = 1,5 об./мин) мПа • с
фактическая через 0 ч/24 ч расчетная через 0 ч
5 0,9/0,8 1600/63 830 1526
10 2,9/1,9 9170/31 260 18 276
15 3,1/2,3 11 600/46 390 27 462
20 3,8/3,9 19 840/29 670 25 873
* По уравнению регрессии
Таблица 3
Влияние содержания мела и скорости сдвига расплава пластиката на показатель кратности изменения вязкости ппл [Па • с] пластиката Спл
Содержание мела в пластизоле, мас. % на ПВХ Коэффициенты уравнения регрессии ^"Лпл = Сш ^и +
с
5 -1,1 3,5
10 -1,0 3,7
15 -0,9 3,8
20 -1,0 3,9
Таким образом, псевдопластичный характер течения расплава пластиката не меняется при введении мела.
Упруго-прочностные свойства наполненных пластикатов. Эластичность по отскоку пласти-катов, содержащих от 5 до 20 мас. % белгородского мела, составила 11-18% (табл. 4). Применительно к пилотным образцам увеличение содержания белгородского мела в игрушках от 15 до 20 мас. % снижало эластичность по отскоку до 11-13%. С ростом содержания в пластикате от 5 до 20 мас. % белгородского мела выявлен незначительный рост твердости (от 49 до 58 у. е. против 45 у. е.) пластиката без мела.
Введение 20 мас. % гидрофобизированного мела турецкого производства не привело к росту твердости (44 у. е.) при сохранении высокой эластичности. Это объяснялось отсутствием взаимодействия поверхности мела, покрытого
гидрофобизирующим составом, с матрицей ПВХ, набухшего в ДОФ.
На твердость изделий из пластиката, полученных методом ротационного формования, помимо содержания и качества мела влияло и расположение плоскости изделия (табл. 5). Наибольшая твердость поверхности изделия в виде кубика с толщиной стенок 6 мм выявлена на нижней плоскости (48-54 у. е.), средняя величина твердости (48-52 у. е.) - на боковых плоскостях и наименьшая (42-50 у. е.) - на верхней плоскости. Это связано с особенностями конструкции ротационно-формовочной машины, где показатель центробежного фактора различается по осям литьевой формы изделия.
Образцы с различным содержанием мела испытывались на прочность, относительное и остаточное удлинение при разрыве, сопротивление раздиру (табл. 6).
Таблица 4
Влияние содержания белгородского мела на твердость и эластичность по отскоку пластикатов, подвергнутых прессованию
Номер Содержание мела, Твердость Эластичность
рецепта мас. % на ПВХ по Шору А, у. е. по отскоку, %
1 0 45 17
2 5 50 16
3 10 49 17
4 15 58 18
5 20 54 18
6 10 - 18
7 15 57 11
8 20 56 13
9 20т 44 18
Таблица 5
Влияние содержания белгородского мела и расположения формуемой поверхности изделия
на твердость пластиката
Расположение плоскости изделия Твердость по Шору А (у. е.) поверхности изделия при содержании мела, мас. % на ПВХ
5 10 15
Верх 42-46 48-50 42-44
Низ 52 48-50 52-54
Сбоку 50-52 48-52 50-52
Примечание. Для приготовления рецептур № 1-8 использовали белгородский мел, а № 9 - гидрофобизированный мел турецкого производства. Рецепты № 1-5 - лабораторных, а № 6-9 - пилотных образцов ЗАО «Фабрика Игрушка».
Таблица 6
Влияние содержания белгородского мела на упруго-прочностные показатели пластикатов
Номер Содержание мела, мас. % на ПВХ Прочность при разрыве, МПа Деформация, % Сопротивление раздиру, кН/м
при разрыве остаточная
1 0 6,7 389 46 22,3
2 5 5,6 330 24 22,6
4 15 2,7 340 20 8,3
5 20 2,0 236 16 3,8
6 10 3,3 315 18 17,3
7 15 6,6 336 30 27,2
8 20 4,7 248 16 23,0
9 20т 1,4 204 12 4,8
Примечание. Для приготовления рецептур № 1-8 использовали белгородский мел, а № 9 - гидрофобизированный мел турецкого производства. Рецепты № 1-5 - лабораторных, а № 6-9 - пилотных образцов ЗАО «Фабрика Игрушка».
С ростом содержания белгородского мела прочность образцов, полученных в лабораторных условиях, снижалась. Для изделий, полученных на пилотной установки (рецепт по п. 6-9), аналогичной зависимости не установлено.
В свою очередь, для образцов, содержащих 20 мас. % мела турецкого производства, выявлена аномально низкая прочность при разрыве 1,4 МПа.
С ростом содержания мела от 0 до 20% относительное и остаточное удлинение при разрыве как для лабораторных, так и для пилотных образцов, а также сопротивление раздиру лабораторных образцов уменьшалось от 22,3 до 3,8 кН/м.
Для пилотных образцов зависимость сопротивления раздиру от содержания мела в интервале 10-20 мас. % изменяется по кривой с максимумом на 27,2 кН/м при содержании белгородского мела 15 мас. % на ПВХ. Следует отметить аномально низкое сопротивление раздиру образцов, наполненных 20 мас. % турецкого гид-рофобизированного мела вследствие отсутствия взаимодействия поверхности частиц мела с поверхностью матрицы ПВХ, набухшего в ДОФ.
Ухудшение упруго-прочностных показателей лабораторных пластикатов, содержащих от 10 до 20 мас. % белгородского мела, по сравнению с пилотными связана с невозможностью обеспечения в лабораторных условиях сдвиговых усилий, близких к развиваемым в промышленной установке.
Заключение. Таким образом, установлено влияние содержания мела на технологические и технические свойства пластизоля и пластиката эмульсионного ПВХ, используемого при изготовлении детских игрушек.
Подтверждено, что в процессе хранения пластизолей их вязкость увеличивалась. Введение белгородского мела в пластизоль в количестве 10-20 мас. % на ПВХ увеличило начальную вязкость пластизолей, но уменьшило скорость роста вязкости в процессе хранения в течение 48 ч.
Установлено, что с ростом содержания мела в интервале 5-15 мас. % разброс его содержания увеличился по причине недостаточной начальной вязкости пластизоля. Наибольшая стабильность выявлена для пластизолей, содержащих 20 мас. % белгородского мела с большей начальной вязкостью.
С увеличением скорости сдвига вязкость расплавов наполненных мелом пластикатов уменьшалась независимо от содержания мела, что характерно для псевдопластичных жидкостей. Для изделий, полученных методом ротационного формования наполненных мелом пластикатов, характерны различия в твердости по плоскостям изделия по причине несовершенства конструкции ротационно-формовоч-ной машины.
Показано, что с ростом содержания белгородского мела от 5 до 20 мас. % прочность и относительное удлинение при разрыве образцов игрушек снижались. Уровень сопротивления раздиру наполненных пластикатов зависел от интенсивности перемешивания маточной смеси.
Замена белгородского мела на мел турецкого производства в игрушках привела к аномальному падению твердости, прочности при разрыве, сопротивлению раздиру при сохранении эластичности по отскоку по причине отсутствия поверхностного взаимодействия мела и ПВХ.
Поступила 05.03.2013
