CC BY
45
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 67.03; 678.017
П. А. Бредихин, Ю. А. Кадыкова, И. Н. Бурмистров
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ БАЗАЛЬТА НА СВОЙСТВА ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ
Ключевые слова: полиэтилен, базальт, физико-химические и механические свойства.
Статья посвящена исследованию возможности повышения комплекса физико-механических характеристик полиолефинов с использованием дисперсных наполнителей, полученных при тонком помоле базальтовой породы на шаровой мельнице. Композиты на основе дисперсного базальта были получены при экструзионном совмещении связующего и наполнителя с последующим изготовлением методом литья подавлением образцов для испытания. Исследование механических свойств разработанных материалов показали возможность существенного повышения прочностных показателей различных видов полиэтилена. При введении дисперсного базальта также отмечено повышение теплофизических свойств композитов.
Keywords: polyethylene, basalt, physico - chemical and mechanical properties.
The article investigates the possibility of increasing the complex physical and mechanical ha tics polyolefins with dispersed fillers obtained by fine grinding of basalt rocks on the ball mill. Composites based on basalt dispersed were obtained by extrusion combining the binder and filler, followed by the manufacture by injection pressure in test samples. The study of mechanical properties of the materials developed so far, Zali possibility of a significant increase of strength characteristics of different types of polyethylene. With the introduction of particulate basalt also was an increase in thermal properties of composites.
Введение
Полиолефины - наиболее крупнотоннажные полимеры, объем их производства составляет десятки миллионов тонн (35% мирового объема производства полимеров). Важнейшим представителем этого класса полимеров является полиэтилен (ПЭ) [1].
ПЭ обладает ценным комплексом свойств, обеспечивающих изделиям достаточно высокую прочность, стойкость к воздействию агрессивных сред и радиации, не токсичность, высокие диэлектрические показатели [2]. К основным недостаткам ПЭ относят низкий модуль упругости и деформируемость под нагрузкой, что ограничивает области его применения. Введение в ПЭ различных наполнителей позволяет значительно улучшить комплекс его физико-механических свойств [2]. Следует отметить, что современные экономические условия требуют получения композитов не только с высоким комплексом характеристик, но и доступных, с достаточно низкой стоимостью, к таким наполнителям относятся базальт и его производные.
Уникальные свойства базальта позволяют применять его в различных областях техники и технологии. Базальт негорюч и способен выдерживать температуры до 9000С, прочен и устойчив к механическим воздействиям, обладает высокими звуко- и теплоизоляционными свойствами, биологической стойкостью, а также химической нейтральностью -устойчив к влиянию агрессивных кислотных и щелочных сред, не накапливает радиацию. Базальты экологически чистые материалы и безвредные для человека и животных [3-6].
Целью данной работы является исследование возможности создания полимерных композиционных материалов на основе полиэтилена и дисперс-
ного базальта, изучение их физико-механических и химических свойств.
Экспериментальная часть
Объекты исследования. В качестве связующего использовался полиэтилен высокого давления (ПЭВД, ГОСТ 16337-77) и полиэтилен низкого давления (ПЭНД, ГОСТ 16338-85). В качестве наполнителя использовался базальт.
Для введения в полимерный композит базальт измельчали на шаровой мельнице 62МЛ-А в течение 15, 30 и 60 минут, при 50 об/мин. и отношении массы мелющих к массе измельчаемого материала равном 8.
После помола для удаления не размолотых частиц базальт просеивали через сито диаметром 0,140 мм (ГОСТ 3584-73).
Методы исследования
Исследования форм и размеров частиц наполнителей, а также структуры полученных композитов проводились на сканирующем электронном микроскопе TescanVega 3SB, при ускоряющем напряжении 7 кВ.
Совмещение дисперсного базальта с ПЭ осуществляли на экструдре-грануляторе ЭПК25х30. Изготовление образцов для испытаний проводили на термопласт автомате Haitian SA 900.
Разрушающее напряжение при изгибе определя-липо ГОСТ 4648, как отношение изгибающего момента к моменту сопротивления поперечного сечения образца.Значение разрушающего напряжения при изгибе вычисляют по формуле:
3 P * d (1)
2 b * h2
Ударную вязкость определяли по ГОСТ 4647-80. Образец, лежащий на двух опорах, подвергался удару маятника, причем линия удара находится посередине между опорами и непосредственно напротив надреза у образцов с надрезом.Значение ударной вязкости вычислялось по формуле:
Я =—. <2>
"У Ь * к
Разрушающее напряжение при растяжении иот-носительное удлинение при разрыве определяли согласно ГОСТ 11262-80 по формулам:
а ; (3)
р Ь * к
и
(4)
£р =_! *100%-10
Твёрдость по Бринеллю определяли по ГОСТ 4670-91как отношение нагрузки, прилагаемой к шариковому индентору к площади поверхности отпечатка от вдавливанияиндентора после её приложения в течение установленного времени. Твёрдость по Бринеллю вычисляют по формуле:
(5)
_ 2*1839 4 '
Нь _ \ 2 2=
ж*D*(D-)^- d )
Результаты и обсуждение
Изучение измельченного базальта методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) показало, что он состоит из частиц неправильной формы, размер которых существенно зависит от времени помола (рис. 1).
15 мин 30 мин 60 мин
Рис. 1 - Зависимость размера и формы частиц дисперсного базальта от времени помола на планетарной мельнице
При помоле в течение 15 минут в составе полученного дисперсного базальта участвуют преимущественно частицы более 10 мкм, при этом отмечено количество более мелких частиц. При помоле в течение 30 мин наблюдется образование преимущественно более мелких частиц с размерами 3-6 мкм. Более длительный помол в течение 60 мин. обеспечивает формирование большого количества частиц с размерами менее 1 мкм, однако при этом в структуре полученного порошка отмечено наличие частиц размером порядка 5 мкм и образование агрегатов более мелких частиц размером боле 10 мкм. При дальнейшем исследовании полученные порошки дисперсного базальта будут обозначены следующим образом: базальт после помола в течение 15 минут -ДБ15; базальт после помола в течение 30 минут -
ДБ30; базальт после помола в течение 60 минут -ДБ60.
Оценка реологических свойств наполненных композитов показала, что с повышением содержания базальта, текучесть композиций закономерно уменьшается, по сравнению с не-наполненной системой, однако полученные композиции характеризуются индексом текучести, который позволяет перерабатывать их методом литья под давлением.
Исследование физико-механическихсвойств разработанных полимерных композиционных материалов (ПКМ) показало, что при введении дисперсного базальтапроисходит повышение устойчивости к статическим изгибающим и ударным нагрузкам. Отмечено, что наилучших результатов удается достичь при введении 40% масс.дисперсного базальта. Данная концентрационная зависимость сохраняется для всех размеров частиц: ДБ15, ДБ30 и ДБ60.
Сравнение упрочняющего эффекта дисперсного базальта с различным размером частиц показало, что наиболее эффективным является ДБ30. Это может быть связано с более мелкими частицами по сравнению с ДБ15 и более равномерным распределением частиц по размерам и отсутствием агрегатов по сравнению с ДБ60.
Разработанные материалы исследовались на воспламеняемость методом кислородного индекса. При введении в ПЭНД и ПЭВД 40 масс.ч. ДБ30 кислородный индекс возрастает с 19 до 25 и 24 % об. соответственно. Содержание базальта снижает время самостоятельного горения более чем в два раза, по сравнению с ненаполненным ПЭ (рис. 2), а также уменьшаются потери массы при поджигании на воздухе. Все показатели горючести изменяются аддитивно содержанию базальта, являющегося негорючим материалом. Так же с введением базальта повышается более чем на 6% термостойкость по Вика как для ПЭНД, так и для ПЭВД.
Рис. 2 - Влияние ДБ30 на термостойкость и горючесть наполненного полиэтилена
Выводы
1. Показана эффективность использования измельченного базальта для наполнения полиэтилена. Выбрано оптимальное время помола базальта на шаровой мельнице, обеспечивающее требуемую степень измельчения.
2. Установлено повышение физико-химических и механических свойств композиций, наполненных базальтом, что позволяет расширить области применения базальта для создания ПКМ широкого спек-
тра использования и выбрано рациональное содержание дисперсного базальта, равное 40 % масс.
3. Выявлено влияние базальта на показатели горючести ПКМ на основе полиэтилена: повышается кислородный индекс, снижается время самостоятельного горения, уменьшаются потери массы при поджигании на воздухе, повышается.
Литература
1. Мировой рынок полиолефинов в цифрах // Полимерные материалы. - 2008. - № 5. - с. 18-20
2. Kissin, Y.V., (2013) Polyethylene: end-use properties and their physical meaning, Munich: Carl HanserVerlag, pp.139.
3. Арзамасцев С.В., Артеменко С.Е., Павлов В.В., (2011) Структура и свойства базальтопластика на основе поли-амида-6, Пластические массы. - 2011. - № 5. - C.14 - 17.
4. Арзамасцев С.В., Павлов В.В., Артеменко С.Е., (2011) Ударостойкий базальтопластик на основе термопластичной полиамидной матрицы, Ж.Вестник Саратовского государственного технического университета, 2 (55), выпуск 1, с.57 - 60.
5. Артеменко С.Е., Арзамасцев С.В., Шатунов Д.А., Вя-зенков А.А., (2008) Базальтопластики - новые материалы дорожно-строительного назначения, Ж. Химические волокна., № 6, с.11-14.
6. Арзамасцев С.В. (2011) Закономерности технологии базальто- и фосфогипсонаполненных полимерных композиционных, докт. техн. наук, сарат. гос. техн. универ-ситетим. Гагарина Ю.А.
© П. А. Бредихин - аспирант, кафедра «Химические технологии», «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А», pabredihin91@mail.ru; Ю. А. Кадыкова - д.т.н., кафедра «Химические технологии», «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А», kadykova06@yandex.ru; И. Н. Бурмистров - д.т.н., кафедра «Химия», «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А», glas100@mail.ru.
© P. A. Bredihin - graduate student,Department of Chemical Engineering, Yuri Gagarin Saratov State Technical University, pabredi-hin91@mail.ru; Y. A. Kadykova - Doctor of Technical Sciences, Department of Chemical Engineering, Yuri Gagarin Saratov State Technical University, kadykova06@yandex.ru; I. N. Burmistrov - Doctor of Technical Sciences, Department of "Chemistry ", Yuri Gagarin Saratov State Technical University, glas100@mail.ru.
