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
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 |
ПЭНДперв+40БВ | 22 | 13 | 94 | 10,2 | 78 | 0,004 |
ПЭНДперв+50ФП | 23 | 12 | 87 | 12,7 | 85 | 0,004 |
ПЭНД втор | 14 | 24 | 150 | 2,6 | 49 | 0,008 |
ПЭНДвтор+5СП | 15 | 21 | 102 | 2,9 | 54 | 0,008 |
ПЭНДвтор+40БВ | 19 | 9 | 83 | 8,5 | 67 | 0,007 |
ПЭНДвтор+50ФП | 20 | 8 | 74 | 9,8 | 73 | 0,006 |
ПЭВД | 15 | 20 | 148 | не ломаются | 25 | 0,02 |
ПЭВДперв+5СП | 16 | 18 | 115 | 2,5 | 27 | 0,02 |
ПЭВДперв+40БВ | 20 | 10 | 78 | 7,9 | 37 | 0,01 |
ПЭВДперв+50ФП | 22 | 9 | 69 | 8,1 | 42 | 0,01 |
ПЭВД втор | 12 | 17 | 134 | 2,0 | 20 | 0,03 |
ПЭВДвтор+5СП | 12 | 16 | 107 | 2,2 | 22 | 0,03 |
ПЭВДвтор+40БВ | 18 | 7 | 70 | 6,7 | 32 | 0,02 |
ПЭВДвтор+50ФП | 18 | 6 | 63 | 6,8 | 37 | 0,01 |
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
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 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
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 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
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.
Таблица 7
Влияние базальта на термостойкость и горючесть
наполненного полиэтилена
Состав композиции, масс.ч., на 100 масс.ч. ПЭ | Время самостоятельного горения, с | Потеря массы при поджигании на воздухе, % | Кислородный индекс, % об. | Начальная температура деструкции, 0С | Коксовый остаток при 7000С, % | Тепло-стойкость по Вика, 0С | |
ПЭНД | 240 | 58 | 19 | 280 | 18 | 136 | |
ПЭНД + 40 масс.ч. базальта | 115 | 27 | 25 | 284 | 35 | 145 | |
ПЭВД | 255 | 62 | 19 | 270 | 12 | 108 | |
ПЭВД + 40 масс.ч. базальта | 120 | 30 | 24 | 273 | 30 | 119 |