Изучение технологических особенностей и свойств композитов на основе полиэтилена и дисперсных наполнителей (стр. 2 )

* - образцы испытаны с надрезом.

По физико-механическим свойствам разработанные композиты удовлетворяют требованиям ОСТ и могут быть использованы для различной номенклатуры изделий (обойма изоляционная, колпачок, корпус для щелочного аккумулятора и др.), выпускаемых в из ПЭВД и ПЭНД. Многие изделия выполняют в троллейбусе защитную функцию (например, корпус щелочного аккумулятора), в связи с чем представлялось целесообразным изучить щелочестойкость разработанных материалов (табл. 4).

Полученные материалы имеют минимальные значения изменения массы и линейных размеров и их щелочестойкость на уровне данного показателя для ненаполненного полиэтилена.

Так как троллейбус является пассажирским транспортом, то желательно использование в нем материалов с пониженной пожарной опасностью, а одними из существенных недостатков полиэтилена являются его легкая воспламеняемость и высокая скорость горения. Поэтому разработанные материалы исследовались на огнестойкость методом «огневой трубы». Как показали исследования, потеря массы ПКМ уменьшается практически в 2 раза, а кислородный индекс ПКМ повышается с 19 до 24-27 % об. Это свидетельствует о том, что разработанные композиции более устойчивы к горению.

Таблица 4

Влияние состава ПКМ на щелочестойкость

Состав композиции, масс. ч., на 100 масс. ч. ПЭ	Изменение массы образца, %, при выдержке в 40%-ной NaOH в течение 24 часов	Изменение линейных размеров образца, %, при выдержке в 40%-ной NaOH в течение 24 часов
ПЭНД	0,04	0
ПЭНДперв+5СП	0,04	0
ПЭНДперв+40БВ	0,2	0
ПЭНДперв+50ФП	0,02	0
ПЭНД втор	0,08	0,06
ПЭНДвтор+5СП	0,07	0,04
ПЭНДвтор+40БВ	0,04	0
ПЭНДвтор+50ФП	0,04	0
ПЭВД	0,09	0,04
ПЭВДперв+5СП	0,08	0,04
ПЭВДперв+40БВ	0,06	0
ПЭВДперв+50ФП	0,06	0
ПЭВД втор	0,10	0,06
ПЭВДвтор+5СП	0,08	0,05
ПЭВДвтор+40БВ	0,06	0,01
ПЭВДвтор+50ФП	0,07	0,01

Примечание: коэффициент вариации по свойствам составляет 8 %.

По данным термогравиметрического анализа, термостойкость наполненного полиэтилена сохраняется на уровне исходного, а теплостойкость, определенная по методу Вика, возрастает на 16ºС для ПЭНД и 23ºС для ПЭВД.

Как было отмечено ранее, в наибольшее количество отходов составляют отходы стеклопластика, однако, для разработанного композита на основе полиэтилена количество вводимых отходов не более 5 масс. ч. Поэтому для увеличения степени наполнения полиэтилена с использованием дисперсного стеклопластика целесообразно применение модификатора (АГМ-9), обеспечивающего повышение физико-химической совместимости между компонентами ПКМ.

Как показали исследования, введение модификатора позволяет повысить текучесть композиции при наполнении 5 и 7 масс. ч. стеклопластика. При наполнении 10 масс. ч. стеклопластика значения ПТР такие же, как у не-наполненного полиэтилена. Полученные данные подтверждают возможность переработки разработанного материала методом литья под давлением.

Анализ физико-механических свойств (табл. 5) показал, что введение АГМ-9 в композицию в составе отходов стеклопластика приводит к повышению твердости по Бринеллю, ударной вязкости и изгибающего напряжения, а также позволяет увеличить степень наполнения полиэтилена отходами стеклопластика в 2 раза.

Таблица 5

Физико-механические свойства композиций, наполненных отходами

стеклопластика, модифицированными АГМ-9

Состав композиции, масс. ч., на 100 масс. ч. ПЭ	Изгибающее напряжение, МПа	Разрушающее напряжение при растяжении, МПа	Относительное разрывное удлинение, %	Ударная вязкость*, кДж/м2	Твердость по Бринеллю, МПа	Водопоглощение за 24 часа, %
ПЭНД	17	28	167	3,3	60	0,005
ПЭНДперв+5СП	18	26	123	3,9	63	0,005
ПЭНД+5СП модиф.	25	25	116	4,4	65	0,004
ПЭНД+7СП модиф.	27	23	109	4,6	66	0,004
ПЭНД+10СП модиф.	30	20	98	4,9	69	0,003

Примечания: коэффициент вариации по свойствам составляет 8 %;

* - образцы испытаны с надрезом.

Таким образом, применение АГМ-9 в качестве модифицирующей добавки целесообразно и эффективно, с точки зрения повышения свойств полиэтилена.

Оценка соответствия разработанных композиций требованиям ОСТ и конструкторской документации показала, что композиты на основе полиэтилена и отходов стеклопластика, фенопласта и базальтовой ваты соответствуют требованиям нормативных документов.

Обобщая результаты исследований, можно заключить, что отходы производства пластмассовых изделий могут быть рекомендованы для наполнения полиэтилена при изготовлении изделий, используемых в троллейбусе. Это позволит повысить свойства полиэтиленовых композитов на их основе и снизить стоимость готового изделия, а также объемы негативно влияющих на окружающую среду отходов, вывозимых на санкционированный полигон ТБО.

В главе 4 изучена возможность использования минерального дисперсного наполнителя – базальта в композициях на основе полиэтилена, с целью повышения комплекса свойств.

На следующем этапе работы в качестве наполнителя применялся минеральный дисперсный наполнитель – базальт, полученный измельчением природного базальта. Данная вулканическая порода обладает повышенной прочностью, а также высокими химическими характеристиками, огнестойкостью, долговечностью, звуко - и теплоизоляционными свойствами.

Исследование базальта методом оптической микроскопии показало (рис. 5), что для базальта характерны как частицы неправильной формы размером 0,5-3 мкм, так и волокнистой, а также отмечена агломерация частиц, что связано с высокой активностью их поверхности.

Х 500 Х 2000

Рис. 5. Оптическая микроскопия базальта (размер частиц ≤140 мкм)

Исследуемый наполнитель полидисперсен (рис. 6). Преобладающей фракцией (~35%) являются частицы с диаметром ≤140 мкм. При этом порядка 15 % приходится на долю фракций ≤125 мкм и ≤315 мкм.

Рис. 6. Распределение частиц базальта по размерам

Однако у композитов, содержащих частицы базальта размером ≤125 и ≤315 мкм, практически все исследуемые физико-механические показатели ухудшаются по сравнению с ПКМ на основе полиэтилена и базальта с размером частиц ≤140 мкм, поэтому в дальнейших исследованиях использовали базальт с размером частиц ≤140 мкм.

Для получения композиционного материала на основе ПЭВД и ПЭНД изменяли содержание базальта от 30 до 50 масс. ч. Оценка реологических свойств наполненных композитов показала, что с повышением содержания базальта текучесть композиций уменьшается, по сравнению с ненаполненной системой, однако полученные композиции можно перерабатывать методом литья под давлением.

Анализ уравнений регрессии, полученных при разработке математической модели с использованием метода полного факторного эксперимента и градиентного метода оптимизации, показал, что оптимальной является композиция, содержащая 40 масс. ч. базальта, для которой обеспечивается повышение основных физико-механических свойств композита (табл. 6).

Таблица 6

Сравнительная характеристика свойств разработанных ПКМ

Состав композиции, масс. ч., на 100 масс. ч. ПЭ	Изгибающее напряжение, МПа	Разрушающее напряжение при растяжении, МПа	Ударная вязкость*, кДж/м2	Твердость по Бринеллю, МПа	Водопоглощение за 24 часа, %
ПЭНД	17	28	3,3	60	0,005
ПЭНД+30 базальта	24	14	10,7	78	0,005
ПЭНД+40 базальта	28	14	13,2	82	0,004
ПЭНД+50 базальта	25	13	12,9	84	0,004
ПЭВД	15	20	не ломается	25	0,02
ПЭВД+30 базальта	19	11	7,4	39	0,01
ПЭВД+40 базальта	24	9	8,2	42	0,01
ПЭВД+50 базальта	23	8	7,9	44	0,008

Примечания: *- образцы испытаны с надрезом;

коэффициент вариации по свойствам составляет 7 %.

Разработанные материалы исследовались на воспламеняемость методом кислородного индекса. При введении в ПЭНД и ПЭВД 40 масс. ч. базальта кислородный индекс возрастает с 19 до 25 и 24 % об. соответственно (табл. 7). Наполнение полиэтилена базальтом снижает время самостоятельного горения более чем в два раза, по сравнению с ненаполненным полиэтиленом, а также уменьшаются потери массы при поджигании на воздухе. Все показатели горючести изменяются аддитивно содержанию базальта, являющегося негорючим материалом.