Получение композиционных материалов на основе вторичного полимерного

сырья

УДК 678

ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА
ОСНОВЕ ВТОРИЧНОГО ПОЛИМЕРНОГО СЫРЬЯ

КузГТУ

Научный руководитель – к. т.н., доцент

Целью  работы является создание новых композиционных материалов на основе  вторичного полиэтилена (ВПЭ) и минеральных наполнителей  добываемых и получаемых  в регионе, исследование их  технологических свойств.

Объекты исследования: 

Агломерат вторичного полиэтилена, получаемый из вышедшей из употребления сельскохозяйственной пленки (, г. Кемерово); Микросферы  – продукт сгорания углей на тепловых станциях, (в работе использовали микросферы получаемые на кемеровской ТЭЦ. Тальк слоистый силикатный минерал (3MgО·4SiO2·Н2O) широко используется для наполнения полимеров с целью улучшения перерабатываемости, а также направленному изменению свойств материалов готовых изделий [1]. Охра марки О2, ТУ 301–10–019–90, представляет собой природный кристаллический гидрат окиси железа с примесью большего или меньшего количества глины, месторождения охры в достаточном количестве имеются на территории России, в том числе и в Кузбассе (Гавриловское месторождение г. Салаир).  Ранее проведенные исследования физико-химических свойств охры, показали, что для получения полимерных композиционных материалов ( ПКМ) и изделий из них необходимо использовать термообработанную при температуре 300°С охру, так как её свойства более стабильны по сравнению с исходной [2].

В табл.1 представлены  основные физико-химические свойства дисперсных  минеральных порошков, определенные по стандартным методикам [3].

Таблица 1

Физико-химические свойства наполнителей

Наполнитель	с, г/см3	снас, г/см3	W, %	d, мкм	λ, Вт/(м К)	Микро- твердость, МПа	цmax, %	pH
Микросферы	< ,806	0,38	0,18	50–200	0,085	0,13	54	6
Охра	2,83	0,810	–	16–28	0,3	0,071	29	4–5
Тальк	2,65	0,57	1,4	5–100	2,1	0,06	21	8–9

с – истинная плотность;  снас – насыпная плотность; w – содержание влаги и летучих веществ; d – диаметр частиц;  λ – теплопроводность; цmax – максимально объемная доля наполнения;  pH – кислотный показатель

       Для  получения качественного ПКМ необходимо выбрать оптимальные технологические параметры (температуру материального цилиндра и  головки; число оборотов шнека) переработки композиций на лабораторном экструдере фирмы «Брабендер». Оптимальные требования к экструдату − это его минимальное разбухание, а также наличия небольшого количества воздушных включений.  Изменяя температуру материального цилиндра по зонам от 100–190 °С и число оборотов шнека от 9–30 об/мин выбрали следующие режимы: Т1=100°С, Т2=170°С, Т3=170°С; n=  16–34 об/мин.  При выбранных параметрах получили композиции на основе ВПЭ с тальком, охрой и микросферами с содержанием наполнителя 3%, 5%, 10 % (масс). На рис.1. представлен гранулят ВПЭ и наполненного 3% (масс) ПКМ.

       

  а  б  в  г 

Рис.1. а - гранулят ВПЭ ненаполненный;  б -  ВПЭ, наполненный микросферами; в - ВПЭ, наполненный тальком; ВПЭ, наполненый охрой.

Гранулят ПКМ на основе ВПЭ с микросферами и тальком имеет серый цвет, с охрой красно-коричневый.  Следует отметить, что с увеличением содержания микросфер  в полимерной матрицы (ВПЭ) шероховатость гранулята возрастает.

          Следующей задачей экспериментальной части являлось исследование технологических свойств полученных композиционных материалов. Знание технологических свойств  позволит: выбрать метод переработки; выбрать технологическую схему; подобрать перерабатывающие оборудование; установить температурную область переработки и эксплуатации.  Технологические свойства определялись по стандартным методикам [3], результаты представлены в табл.2.

Таблица 2

Технологические свойства вторичного полиэтилена наполненного минеральными наполнителями

Свойства	Содержание наполнителя, % (масс)
Микросферы	Тальк	Охра
0	3	5	10	3	5	10	3	5	10
с, г/см3	0,915	0,871	0, 858	0,780	0,952	0,971	0,981	0,987	0,999	1,069
W,%	0,069	0,002	0,005	0,06	0,061	0,068	0,051	0,053	0,055
ПТР, г/10мин	1,81	0,81	0,71	0,64	1,81	1,75	1,44	1,33	1,27	1,08
Т, %	90,6	90,95	99,53	98,12	91,6	94,9	97,3	91,1	90,2	94

с – истинная плотность; W – содержание влаги и летучих веществ; ПТР – показатель текучести расплава;  Т – термостабильность.

Анализ полученных данных показал, что введение наполнителей и их содержание в ПКМ влияет на технологические свойства ВПЭ. 

Установлено, что с увеличением процентного содержания талька и охры монотонно возрастает с по сравнению с ненаполненным ВПЭ, а при введении микросфер  наоборот уменьшается. На изменение плотности ПКМ могут оказывать влияние: плотность  и форма частиц наполнителя
(табл. 1.); структурные изменения в полимерной матрице, обусловленные введением наполнителя. 

У ненаполненого ВПЭ отмечается большее выделение влаги и летучих по сравнению с композициями материалами. Можно предположить, что частицы наполнителей создают барьерный эффект препятствуя выделению летучих продуктов разложения. 

ПТР наполненного ВПЭ также зависит от содержания наполнителя, между тем,  на значение ПТР  полимерных композиций на основе ВПЭ влияет природа наполнителя. Так при введении  талька 3 %  ПТР  не изменяется по сравнению с ненаполненным ВПЭ, а при  этом же содержании охры снижается на 27 %.  Тальк  имеет пластинчатую структуру, а также  низкую твердость  по-видимому частицы талька способствует образованию агрегатов, которые под воздействием напряжений сдвига ориентируются и разрушаются в процессе вязкого течения, облегчая скольжение сегментов макромолекул. Течение в системе происходит преимущественно по разрыхленным слоям, имеющих большой свободный объем (расстояние между молекулами), поэтому  при малых степенях наполнения не наблюдается снижение текучести расплава.  Однако резко снижается текучесть при наполнении ВПЭ микросферами. Так при содержании 3 % микросфер  ПТР  снизился  на 55 % по сравнению с ненаполненным ВПЭ. Согласно полученным результатам исследования ПКМ  на основе ВПЭ  тальком  охрой и микросферами  можно перерабатывать такими методами,  как экструзия (в том числе выдуванием), литье под давлением (для данных методов переработки рекомендуются интервалы значений ПТР от 0,2 до 3,6 г/10 мин). 

В условиях получения и переработки ПКМ могут находиться длительное время в перерабатывающем оборудовании (например, накопление  дозы расплава в литьевой машине) под действием высоких температур, Известно, что вторичное полимерное сырье  имеют повышенную склонность к деструкции  (термоокислительной, механодеструкции) в диапазоне  температур переработки.  В результате деструкции, как правило, происходит  нарушение стабильности свойств перерабатывающего материала (например, колебание вязкости), что в свою очередь сказывается на  эксплуатационных характеристиках  готовых изделий из ПКМ, изменению цвета, а также приводит  к нестабильности показателей  получаемых в разных циклах. Ввиду чувствительности полимерной матрицы (ВПЭ)  при вторичной переработке к  процессам деструкции важной характеристикой является термостабильность. 

По значению ПТР определенного при температуре 1700С  рассчитали термостабильность расплава ВПЭ и композиций на его основе.  Полимер считают термостабильным, если в течение определенного времени (как правило 30 мин.) ПТР изменяется не более, чем на  15–20 %, т. е отношение ПТР1/ПТР0 лежит в интервале: 0,85–0,8≤ Т ≤ 1,15–1,2 [4]. Результаты экспериментальных данных показывают, что введение наполнителей  в изучаемом диапазоне наполнения повышает термостабильность расплава ВПЭ.

Таким образом,        анализ экспериментальных данных показал, что добываемые и получаемые в регионе минеральные  наполнители, возможно, использовать для создания ПКМ на основе ВПЭ.  Между тем, необходимо отметить, что  охра  по сравнению с другими  используемыми в работе наполнителями  обеспечивает окраску ВПЭ, что немаловажно для вторичного полимерного сырья. Преимуществом микросфер является их малая плотность, низкая теплопроводность и сферическая форма части, что позволяет получать  легкие, прочные газосодержащие композиционные материалы (сферопласты) с низкой теплоплопроводностью. При введении талька в изучаемом диапазоне наполнения не наблюдается резкого изменения текучести, следовательно, меньше будет расходоваться энергетическая мощность перерабатывающего оборудования.

Список литературы

Наполнители для полимерных композиционных материалов:  справ. пособие: пер. с англ. ; под ред. П. Г.  Бабаевского / под ред. . – М.: Химия, 981. − 736 с. Теряева, –химические свойства охры, используемой в качестве наполнителя для полимеров/ [и др.] // Журнал прикладной химии –  2008. −№8.−С. 1394–1397. Бабаевский по полимерному материаловедению / под  ред. . − М.: Химия, 1980. − 256 с.: ил.  Калинчев, . Выбор пластмасс для изготовления и эксплуатации изделий / , .  − Л.: Химия, 1987. − 416 с.