Изучение технологических особенностей и свойств композитов на основе полиэтилена и дисперсных наполнителей

Примечание: условия испытаний: ПЭНД - температура – (190±0,5)°С, нагрузка – 5 кгс;

ПЭВД - температура – (190±0,5)°С, нагрузка – 2,16 кгс;

коэффициент вариации по свойствам составляет 8 %.

При анализе физико-механических свойств разработанных композиций (табл. 3) отмечено, что более высокие значения изгибающего напряжения, ударной вязкости и твердости по Бринеллю наблюдаются при введении в полиэтилен отходов фенопласта и базальтовой ваты, причем это характерно как для первичного, так и для вторичного ПЭНД и ПЭВД.

Таблица 3

Сравнительная характеристика физико-механических свойств

разработанных ПКМ

Примечания: коэффициент вариации по свойствам составляет 8 %;

* - образцы испытаны с надрезом.

По физико-механическим свойствам разработанные композиты удовлетворяют требованиям ОСТ 92-1310-84 и могут быть использованы для различной номенклатуры изделий (обойма изоляционная, колпачок, корпус для щелочного аккумулятора и др.), выпускаемых в ЗАО «Тролза» 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

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 16С для ПЭНД и 23С для ПЭВД.

Как было отмечено ранее, в ЗАО «Тролза» 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

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 92-1310-84 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

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.

Таблица 7

Влияние базальта на термостойкость и горючесть

наполненного полиэтилена