Научная статья на тему 'Влияние дисперсного наполнителя на термостойкость полипропилена'

Влияние дисперсного наполнителя на термостойкость полипропилена Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
614
170
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Теряева Татьяна Николаевна, Касьянова Ольга Викторовна

Представлены результаты исследования термостойкости полимерного композиционного материала (ПКМ) на основе полипропилена и нового минерального наполнителяохры. Приведена оценка влияния содержания и условий подготовки наполнителя на поведение ПКМ при повышенных температурах. Илл.3. Табл.1. Библиогр. 22 назв.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Влияние дисперсного наполнителя на термостойкость полипропилена»

УДК 678.046.39 (742.3)

О.В. Касьянова, Т.Н. Теряева

ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ НА ТЕРМОСТОЙКОСТЬ ПОЛИПРОПИЛЕНА

В настоящее время полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе полипропилена (1111) с минеральными наполнителями, такими как тальк, каолин, карбонат кальция, широко используются как для производства товаров народного потребления (профили, декоративноотделочные материалы), так и для изделий технического назначения (детали мотоблоков, аккумуляторных батарей, трубы) [1,2]. Интерес к дисперсным минеральным наполнителям связан, прежде всего, с тем, что они не только придают определенные свойства исходной полимерной матрице, но и создают наиболее благоприятные условия для переработки (в отличие от волокнистых). Поэтому поиск эффективных дисперсных наполнителей природного происхождения, имеющих большой сырьевой ресурс, низкую стоимость и доступность, является актуальной задачей на сегодняшний день в производстве ПКМ.

Известно, что введение наполнителя в полимер приводит к существенным изменениям физико-химических и механических характеристик получаемых композиционных материалов. Многие исследователи, в первую очередь, связывают это с изменением подвижности макромолекул в граничных слоях, влиянием поверхности наполнителя на характер взаимодействия с полимером [3,4]. Безусловно, данный факт оказывает также существенное влияние на поведение ПКМ при повышенных температурах. Большинство методов переработки термопластов (литье под давлением, экструзия, вальцевание, прессование) в изделия предусматривает нагрев, плавление или переход в вязкотекучее состояние полимера. Кроме того, большинство полимеров, в том числе и ПП, в реальных условиях эксплуатации работают, как правило, не при комнатных, а при повышенных температурах.

Термостойкость ненаполненных полимеров зависит от строения, энергии связи атомов в главной цепи, степени кристалличности (с увеличением степени кристалличности скорость поглощения кислорода уменьшается), наличия заместителей, по мере увеличения числа которых энергия связи С - С в цепи уменьшается [5-7]. На термостойкость наполненных полимеров влияют условия получения ПКМ, распределение и размер частиц, наличие примесей, содержащихся в неорганических минеральных наполнителях. Так окислы алюминия (А12О3), никеля (№О) незначительно снижают термостойкость ПП, а Ре2О3, СиО, Си2О

- заметно [8]. Для повышения термостойкости ПКМ поверхность наполнителя предварительно модифицируют, с целью её гидрофобизации -

блокирования активных поверхностных групп примесей, снижающих стабильность [9].

Кроме того, при повышенных температурах в наполненных полимерах возникают значительные напряжения из-за существенного различия в термических коэффициентах расширения полимеров и наполнителей, и, как следствие, это сказывается на характере поведения полимера при высоких температурных.

Строение макромолекулы 1111 (наличие в структуре группы СН3) обусловливает способность полимера к частичной термоокислительной деструкции уже в процессе переработки: скорость поглощения кислорода 1111 при температуре 150°С почти в 12 раз выше, чем у полиэтилена [10-13]. Атом водорода в ПП при третичном углеродном атоме более активен и отрывается легче, чем атом водорода при вторичном. В результате этого разрыв связей в полимерной цепи происходит преимущественно с переносом атома водорода. На начальной стадии окисления происходит увеличение концентрации низкомолекулярных фракций с кислородосодержащими группами: гидроперекис-ными -ООН, карбоксильными СООН, карбонильными >С=О, гидроксильными -ОН [14-17].

В литературе имеются данные термического анализа ненаполненного 1111 [13,15,16], которые указывают на следующие наиболее характерные переходы: 160°С - 169°С - плавление изотактиче-ского ПП; 200°С - 270°С - начальная стадия окисления; 375°С - окисление ПП, сопровождающиеся потерей массы; 380°С - 410°С - деструкция.

В данной работе представлены результаты исследования поведения ПКМ на основе ПП с минеральным наполнителем охрой при нагревании, в зависимости от условий подготовки и содержания наполнителя. Охра является новым и перспективным минеральным дисперсным наполнителем для термопластов [18,19].

Исследования проводили, используя дифференциально-термический анализ (ДТА), который позволяет выявить структурно-химические особенности полимера в процессе нагревания (кристаллизация, плавление, окисление); деривативно-термогравиметрический (ДТГ), регистрирующий скорость изменения массы образца; термогравиметрический анализ (ТГА), характеризующий потерю массы исследуемого образца;. Данными методами анализа можно достаточно объективно оценить влияния наполнителя и его содержания на свойства ПКМ [20]. Кривые ДТА, ДТГ, ТГ снимали на дериватографе «р-1500Б» системы Ф. Паулик, И. Паулик, Л. Эрдей.

Объекты исследования: ПП марки 21030-16П (ТУ 2211-051-05796653-99) с показателем текучести расплава (ПТР) 3,6 г/10 мин., наполненный 0,68; 11,6 % объёмных (об.) охрой термообработанной при температуре 105°С (охра^) и

0,72; 10,82 % (об.) охрой термообработанной при температуре 300°С (охра300). Время и температура термообработки выбрано согласно результатам ДТА и кинетики сушки охры [19]. Охра^

имеет удельную поверхность 0,0974 м2/г, размер частиц составляет 26-36 мкм, охра300, соответственно, 0,12 м2/г и 16-28 мкм [21]. Элементный состав охры (марка О-2 (ТУ 301-10-019-90)) месторождения которой имеются в Кузбассе: О -43,904 %; С - 0,18 %; Р - 0,28 %; 8 - 0,016 %; Бе

- 12,31 %; 81 - 20,94 %; А1 - 15,4%; Си - 0,03 %; N1 - 0,003%; - 0, 64 %; К - 0,26 %; Сг -

0,003 %; Са - 1,4 %; Мп - 0,13 %; С1 - 0,001 %.

Композиции ПП с охрой, получали предварительным смешением с последующей экструзией на лабораторном экструдере фирмы «Брабендер» при температуре 230°С и числе оборотов шнека 20-30 об/мин. Содержание охры в композициях определяли выжиганием полимера при 450°С.

Образцы для исследования представляли гранулы диаметром 2-2,5 мм и длиной 3-4 мм, испытания проводили в платиновом тигле без крышки (на воздухе), скорость нагрева материала 10 град /мин. В качестве эталона использовали а-А12О3. Для расчета теплоты плавления использовали в качестве эталона бензойную кислоту (масса эталона 190 мг) [20].

Дериватограммы ненаполненного ПП и ПП+0, 68 % охры105 представлены на рис.1- 2.

На кривой ДТА (рис.1) ненаполненного ПП при температуре 160°С фиксируется эндотермический пик, свидетельствующий о плавлении полимера. Небольшой экзотермический пик при тем-

пературе 272°С характеризует начальную стадию окисления полимера, а при температуре 332°С процесс окисления ПП приобретает автокаталити-ческий характер. Результаты исследования исходного ПП методом ТГА подтверждают, что после плавления полимера наблюдается его частичное окисление, вследствие присоединения кислорода при температуре 272°С масса образца увеличилась на 3 %, а при температуре 279°С масса резко уменьшилась. При температуре 402°С потеря массы исследуемого образца составляет 50 %. При температуре 410°С (кривая ДТГ) скорость деструкции ненаполненного ПП достигает максимального значения.

Введение охры в ПП изменяет поведение ПКМ при повышенных температурах. Так при содержании в ПКМ 0,68 % (об.) охрыю5 (рис.2.) в области температур 232-248°С наблюдается экзотермический пик на кривой ДТА, который отсутствует у ненаполненного ПП, что говорит о снижении температуры начала окисления. На кривой ТГ в диапазоне температур 150-332°С масса образца увеличилась на 4,5 %. Температура, при которой потери массы составили 50 % - 383°С.

Ранее было исследовано, что частицы охры105 имеют гидратированную воду, которая выделяется при Т>150°С, соответственно данный факт отражается на термическом поведении ПКМ с охрой, предварительно термообработанной при температуре 105°С [19]. На кривых ДТА у ПКМ с ох-

рой105 появляются экзотермические пики при температуре 248°С (ПП+0,68 % охры105) и 230°С (ПП + 11,6 % охры105, (рис.3.4)), свидетельствующие об окислении полимера. На кривой ТГ (рис.2) при температуре 274°С наблюдается резкое уменьшение массы исследуемого образца. Отсутствие пиков окисления у композиций с содержанием наполнителя 0,72 % (об.) (рис.3.3) в интервале тем-

образца 305 мг).

Рис. 2. Дериватограмма полипропилена +0,68 % (об.) охры105(масса образца 300 мг).

Рис.3. Кривые ДТА. 1 - ПП; 2 - ПП+0,68 % (об.) охры105; 3 - ПП+0,72 % (об.) охрызт; 4 - ПП+11,6 %

(об.) охры105; 5 - ПП+10,82 % (об.) охры300.

ператур 230-270°С свидетельствует о термостойкости ПКМ с охрой300.

Следует отметить, что на кривой ДТГ (рис.2) при температуре 286°С и 315°С появляются плато, что говорит о замедлении скорости процесса деструкции. По-видимому, частицы охры создают барьерный эффект, препятствуя выделению летучих продуктов разложения и участвуют в процессе структуирования (образуются связи между поверхностью частиц охры и частями полимерной цепи). В большинстве случаев, как было отмечено выше, первичными продуктами окисления ПП являются гидропероксиды, которые в дальнейшем распадаются с образованием других кислородосодержащих соединений. Реакции с участием гидропероксидных групп и радикалов приводят к разрыву молекулярной цепи, т.е. к деструкции полимера [10,11,13]. Преобладание процесса структуирования (сшивки) над деструкцией в ПКМ с охрой, возможно, связано с тем, что гидроперекиси не являются основным источником инициирования кинетических цепей. Можно

предположить, что находящиеся на поверхности охры активные группы взаимодействуют со свободными алкильными макрорадикалами в макромолекуле ПП. Дальнейшее нагревание образца приводит к тому, что процесс деструкции превалирует над процессом сшивки (рис.2, кривые ДТА, ДТГ) из-за высокой скорости, что сопровождается (рис.2) уменьшением массы образца и возрастанием скорости разложения полимера.

О характере протекания деструкции можно судить по энергии активации термоокислительной деструкции (Еа), которая характеризует кинетику процесса. Данная характеристика определена по методике [20] и представлена в табл.1.

С возрастанием содержания наполнителя (ох-ры105) в ПКМ наблюдается уменьшение энергии активации термоокислительной деструкции. Так для ПКМ состава ПП+0,68 % охры105 снижение составило 18,24 % , а при наполнении 1111+ 11,6 % (об.) - 24,5 %. При содержании до 1 % (об.) охры300 в ПП Еа практически не изменяется, однако с увеличением содержания наполнителя до

Таблица 1

Термические характеристики*

ПКМ Еа, кДж/мольК ДН, Дж/г Тп, °С То, °С С ° нн ° О Т50 % , °С

ПП 93,2 91,8 160 279 422 410 402

ПП + 0,68 % охры105 76,2 88,26 156 274 427 409 383

ПП + 11,6 % охры105 70 96,8 158 250 417 414 400

ПП + 0,72 % охры300 92,4 99,64 156 279 430 410 401

ПП + 10,82 % охры300 78 101,26 160 274 432 416 405

*Еа - энергия активации термоокислительной деструкции; ДН - теплота плавления; Тп - температура плавления; То - температура начало потери массы исследуемого образца; Тд - температура деструкции; Тд*. - температура максимальной скорости деструкции; Т50 % - температура разложения 50 % массы образца.

10,82 % (об.) наблюдается снижение на 16,3 % по сравнению с ненаполненным 1111 (табл.1). Уменьшение Еа связано, по-видимому, с дефектностью на границе раздела фаз, увеличивается количество дефектов (пустот) в структуре композиции (плотность полимерной матрицы снижается [22]) из-за образования агрегатов частиц наполнителя и неполного смачивания твердой поверхности полимерным связующим. Благодаря этому, различные элементы структуры ПКМ становятся более доступными для проникновения кислорода и отвода газообразных продуктов разложения. Кроме того, на снижение Еа оказывает влияние наличие в составе охры оксидов металлов (железа, кремния).

Полученные данные термического анализа позволяют определить энергию межмолекулярного взаимодействия в ПКМ, которая характеризуется теплотой плавления (ДН) (табл.1). Анализ приведенных данных показывает, что при малом содержании охры105 в ПП снижается теплота плавления на 4 %. Охра105 хуже взаимодействует с ПП, образуются пустоты между частицами наполнителя и полимерной матрицей [21,22]. У ПКМ с ох-рой300 отмечено увеличение теплоты плавления с возрастанием содержания наполнителя. Так при содержании 0,72 % (об.) ДН увеличилась на 8,54 %, а при 10,82 % увеличение ДН составило 10,3 %. Следовательно, макромолекулы в ПКМ с охрой300 имеют меньшую подвижность в силу образования большого количества связей между полимерной цепочкой и поверхностью охры.

В целом о поведении ПКМ на основе ПП с минеральным наполнителем при повышенных температурах можно судить по кривым ДТА исследуемых образцов (рис.3). Основные температурные переходы представлены в табл.1. Как видно из табл.1 , небольшое содержание 0,68 % (об.) охры105 и 0,72 % (об.) охры300 незначительно (на

2-4°С) снижает температуру плавления (рис.3.2 и рис.3.3). По-видимому, введение охры способствует образованию более однородной мелкодисперсной структуры. Известно, что при дроблении вещества возрастает свободная поверхностная энергия, которая особенно велика у малых по размеру кристаллов. Поэтому они плавятся при температурах более низких, чем крупные кристаллы.

Характер изменения Тдест и Тд*. с увеличением содержания охры термообработанной при температурах 105°С и 300°С отличается незначительно. Так увеличение содержания охрыц^ от 0,68 до 11,6 % (об.) в ПП вызывает снижение Тдест (рис.3) примерно на 2 %. В композициях с охрой300 Тдест возросла на 2,5 %, а Тд*. на 1,5 % по сравнению с ненаполненным ПП. В целом процесс разложения композиций протекает в несколько стадий, на кривой ДТА (рис.3) появляются дополнительные пики термодеструкции, свидетельствующие о степени сложности структурно-химической организации ПКМ.

Таким образом, введение охры в ПП оказывает незначительное влияние на температуру плавления, начало деструкции и максимальную скорость деструкции. Предварительная термообработка охры, при различных температурах, позволяет получить наполнители, оказывающие различное влияние на термическое поведение ПКМ. С точки зрения эксплуатационных свойств изделий из ПКМ на основе ПП с минеральным наполнителем охрой и технологии переработки рекомендуется использовать охру, термообработанную при температуре 300°С, так как ПКМ с охрой300 более термически стабилен, о чем свидетельствуют полученные экспериментальные данные.

Авторы выражают благодарность профессору Трясунову Б. Г. за помощь в проведении термического анализа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Макаров, В. Г. Промышленные термопласты / В. Г. Макаров, В. Б. Коптенармусов / Справочник.

- М.: АНО «Издательство »Химия», «Издательство »КолосС», 2003.- 208 с.: ил.

2. Буряк, В. П. Зарубежный рынок полипропилена / В. П. Буряк, А. В. Буряк // РЖ.- 2001.- № 9. -

19Т.17. Полимерные материалы: изделия, оборуд., технол. 2000.- № 2.- С.1- 4. Рус.

3. Липатов, Ю. С. Физико-химические основы наполнения полимеров / Ю. С. Липатов. -М.: Хи-

мия. 1991. - 245 с.

4. Шленский, О. Ф. Влияние строения и молекулярной подвижности полиолефинов на их термическую стойкость / О. Ф. Шленский, Е. Б. Крентцель, И. Х. Мусяев и др. // Пластические массы. -1999.-№ 3. - С. 12-18.

5. Тагер, А. А. Физикохимия полимеров / А. А. Тагер. -М.: Химия.1978.- 544 с.

6. Брык, М. Т. Деструкция наполненных полимеров / М. Т. Брык. -М.: Химия, 1980.-192 С. - ШВМ

5-7245-0332-8. - 1БВМ 5-7245-0332-8.

7. Цейтлин, Г. М. Термические превращения полимеров / Г. М. Цейтлин // Химическая технология.

- 2000. - №3.- С.- 27-34.

8. Кирюшкин, С. Г. Подбор антиоксидантов для системы полимер+металл / С. Г. Кирюшкин [и др] // Пластические массы. .- 1982.- № 5.- С. 55-56.

9. Фойгт И. Стабилизация синтетических полимеров против действия света и тепла / И. Фойгт пер. с англ./под ред. Б. М. Коварской. -Л.: Химия, 1972.-544 с.

10. Грасси, Н. Деструкция и стабилизация полимеров / Н. Грасси, Дж. Скотт пер. с англ. -М.: Мир,

1988.- 446 с., ил.

11. Грасси, Н. Химия процессов деструкции полимеров / Н. Грасси. пер. с англ. Ю. М. Малиновского. -М.: Издатинтилит, 1959.-252 с.

12. Рапопот, Н. Я Сравнение изменения молекулярно -массовых характеристик при автоокислении изотропных и ориентированных пленок изотактического ПП / Н. Я. Рапопот [и др.] // Высокомолекулярные соединения. - 1986.- № 4.- С.- 8421-849, серия А

13. Коршак, В. В. Химическое строение и температурные характеристики полимеров / В. В. Коршак. -М.: Наука,1970.- 419 с.

14. Практикум по химии и физике полимеров: Учеб. изд./ Н. И. Аввакумова, Л. А. Бударина, С. М. Дивгун и др.; под ред. В. Ф. Куренкова .-М.: Химия, 1990.-304 с.

15. Ки, Б. Новейшие методы исследования полимеров / Б. Ки. -М.: 1966.- 572 с.

16. Джанибеков, Н. Ф. Изучение процессов деструкции и стабилизации ПП дитиофосфатами металлов методами ДТА и ТГА / Н. Ф. Джанибеков, Е. И. Маркова, Д. А. Ахмедзаде // Пластические массы. -1989.- № 1. - С. 53-56.

17. Мадорский, С. Термическое разложение органических полимеров / С. Мадорски. Изд. «Мир». 1967. - 328 с.

18. Теряева, Т. Н. Влияние состава и свойств минеральных наполнителей на реологические характеристики композиции / Теряева Т. Н., О. В. Касьянова // Вестн.КузГТУ. - 2003. - № 1. - С. 60-63.

19. Теряева, Т. Н. Исследование процессов, протекающих при термическом воздействии на охру / Т. Н. Теряева , [и др.] // Вестн.КузГТУ. - 2002 .- № 2.- С. 88-90.

20. Практикум по химии и физике полимеров: Учеб. изд./ Н. И. Аввакумова, Л. А. Бударина, С. М. Дивгун и др.; Под ред. В. Ф. Куренкова.- М.: Химия, 1990.-304 с.: ил.

21. Теряева, Т. Н. Исследование взаимодействия полипропилена и охры / Теряева Т. Н., О. В. Касьянова, Г. М. Ротова // Вестн.КузГТУ. - 2003. - № 3. - С. 73-76.

22. Теряева, Т. Н. Влияние дисперсного наполнителя на структуру полипропилена / Т. Н. Теряева,

О. В. Касьянова // Вестн.КузГТУ.2006.- № 1 С. 116-120.

□ Авторы статьи:

Теряева Татьяна Николаевна

- канд. техн. наук, доц. каф. технологии переработки пластмасс

Касьянова Ольга Викторовна

- старший преподаватель каф. технологии переработки пластмасс

УДК 662.74

И.А. Ощепков

О КОКСОВАНИИ УГЛЕЙ с добавками ш-солеи органических и

МИНЕРАЛЬНЫХ КИСЛОТ

Одним из направлений совершенствования технологии коксования углей может быть применение поверхностно-активных добавок, улучшающих процессы подготовки угольной шихты и её коксование. На основе побочных продуктов промышленности органического синтеза разработана комплексная добавка, включающая №-соли органических (низших) карбоновых (компонент I) и минеральных - соляной, серной и тиосерной (компонент II) кислот в виде водного раствора в соотношениях 1:11=(5^9):1 («сухое» на «сухое»), обусловливающих их специфические технологические свойства в широком интервале положительных и отрицательных температур.

Ввод добавки к углям возможен не только на стадии приготовления угольной шихты для коксования, но и перед транспортировкой рядовых (свежедобытых) и обогащённых для целей коксования углей [1, 2]. Добавка и её компоненты выполняют роль профилактических средств, препятствующих пылению, выдуванию, примерзанию и

смерзанию углей, улучшают их размольные свойства (А.с. 1113568, 1301491, 1373713, 1680750. Соавторы И. А. Ощепков и др.), положительно влияют на тяжелосредное и флотационное обогащение [2].

При помоле угля с массовой долей добавки 0,2% выход угля класса 1,0-1,5 мм возрастал до 17%, класса 1,5-2,0 мм - до 10% и класса 2,0-3,0 мм - до 3%. Увеличение доли минеральных солей в добавке (компонента II) приводило к снижению доли угля класса менее 1,0 мм и к увеличению доли суммарной фракции 0,5-3,0 мм, что является положительным показателем шихты для коксования.

Для опытного коксования угля были приготовлены шихты (первая серия), включающие группы углей и их массовые доли, % : Г6 - 23, 1Ж26 - 21, К2 - 56 (первая серия шихт). С учётом возможного вовлечения в сырьевую базу для коксования слабоспекающихся углей в состав шихт второй серии опытов вводили уголь группы СС

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.