Влияние ингредиентов на упруго-прочностные свойства полиэтилена высокой плотности

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлены результаты исследования влияния ингредиентов на упруго-прочностные свойства полиэтилена высокой плотности. Разработанные методами оптимального содержания наполнителя огнестойкие композиционные полимерные материалы обладают достаточно высокими прочностными свойствами и огнестойкостью.

ABSTRACT

This article provides the results to investigate the influence of ingredients on the elastic-strength properties of high density polyethylene. The optimum filler content methods developed fire-resistant composite polymeric materials have sufficiently high strength properties and fire resistance.

Ключевые слова: композиционный полимерный материал, антипирен, песок, мел, наполнитель, механоактивированный, огнестойкий, прочность, ингредиент, волокно.

Keywords: the composite polymer material, а fire retardant, sand, chalk, filler, mechanically activated, flame retardant, the strength, the ingredient fibers.

Введение. В целях получения огнестойких композиционных материалов в состав полимерных композиционных материалов вводят различные наполнители, так как наполненные композиционные полимерные материалы обладают высокой механической прочностью.

Установлено, что, наряду с природными наполнителями, заметное влияние на свойства композиций оказывают форма и размеры его частиц. Несмотря на отсутствие детального объяснения роли формы и размера частиц наполнителя, в большинстве случаев выяснено, что они оказывают определенное воздействие на прочностные характеристики композиционных материалов [1].

Объекты и методы исследования. В соответствии с такой постановкой задачи нами было исследовано влияние механоактивированного песка и мела на прочностные свойства полиэтилена высокой плотности марки I-0760 (HDPE) с плотностью 0.960 г/см³ и индексом расплава 5,5-8,5 г/10 мин [1].

Для понижения горючести полимерных материалов применяются специальные вещества – антипирены. Как правило, антипирены должны отвечать следующим требованиям: иметь в достаточной степени хорошую совместимость с полимером; не понижать механических и других физических характеристик материала; быть нетоксичными; прозрачными и др. Известно два предположения относительно механизма действия антипиренов: первое – препятствует пиролизу полимера и замедляет выделение горючих газов пиролиза; второе – образует слаболетучие негорючие газы, препятствующие воспламенению газов пиролиза. Антипирены подразделяются на инертные и химически активные. Первые не вступают в реакцию с полимером и образуют с ним однородную физическую смесь. Вторые – вступают в химическую связь с полимером.

Применительно к полимерам хорошей огнестойкостью обладают композиции, содержащие в своем химическом составе Р, N, Cl и другие элементо-содержащие соединения. Поэтому в качестве ингредиента были использованы олигомерные антипирены, представляющие собой негорючую, нетоксичную сыпучую массу. Они являются гетероцепным полимером, содержащим азотные, фосфорнокислые и хлорные группы, для придания полимерным, древесным материалам огнестойкости (негорючести), а также образованные взаимодействием ортофосфорной кислоты с уротропином и натрий тетраборатадекагидратом (АП-1, АП-2, АП-3,АП-4, АП-5 и АП-6), которые легко совмещаются и впитываются полимерными материалами и придают этим материалам высокую огнестойкость, что имеет важное значение в условиях жаркого климата. Соотношение исходных веществ для АП-1 – АП-3 составляет 1:0,25:0,1 (моль/л), а для АП-4 –АП-6 -;1:0,5:0,2 (моль/л). Компонентами олигомерного антипирена являются относительно дешевые и доступные отечественные вещества, такие как ортофосфорная кислота, уротропин и натрий тетраборатадекагидрат. Олигомерный антипирен является дешевым и доступным, обладает высокими огне- и атмосферостойкостью, отсутствием выделения токсичных веществ [2].

Качество полиэтиленовых композиций можно улучшить повышением свойств полиэтилена улучшением прочностных характеристик композиций методом механоактивацией минеральных наполнителей. В качестве минеральных наполнителей был выбран чиназский речной песок (удельная поверхность 396 см²/г, насыпная плотность 1461 кг/м³, плотность 2324 кг/м³), который является достаточно мелкозернистым и проходит через сито 0,008, модуль крупности меньше единицы [3-4].

Для снижения стоимости и повышения огнестойкости композиций и экологичности в её состав добавляли мел (карбоната кальция).

Для механоактивации наполнителей была выбрана дисмембраторная установка «Композит 2000», в которой реализуется комбинированный эффект ударно-раскалывающее-истирающего метода.

Механизм усиления полимеров порошкообразными наполнителями - явление чрезвычайно сложное. Наполнители, в зависимости от их природы, могут увеличивать или уменьшать прочностные свойства полимерных композиций. Это подтверждается полученными нами результатами исследований влияния содержания механоактивированного песка и мела на прочностные свойства полиэтиленовых композиций.

Полученные результаты и их обсуждение. Зависимость прочностных свойств полиэтиленовых композиций от содержания наполнителей - порошковых ингредиентов представлена в таблице

Таблица.

Физико-механические свойства наполненных полиэтиленовых композиций

Как видно из таблицы, минеральные наполнители - механоактивированный песок и мел в составе полиэтиленовых композиций улучшают механические свойства композиционных материалов и зависимости носят экстремальный характер. В частности, при содержании механоактивированного песка и мела в количестве 6 мас.ч. разрывная прочность повышается в пределах до 50 МПа с увеличением количества вводимых наполнителей. При дальнейшем увеличении содержания наполнителей наблюдается некоторое снижение разрывной прочности полиэтиленовых композиций.

Это объясняется тем, что полиэтилен высокой плотности, воздействуя на процессы взаимодействия с механоактивированным песком и мелом, облегчает смачивание и её растекание по поверхности наполнителя, что является необходимым условием сцепления между частицами песка и мела за счет образования более прочных связей между ними. Кроме того, увеличение разрывной прочности полиэтиленовых композиций объясняется тем, что при механоактивации песка и мела наблюдается изменение их удельной поверхности и неровности поверхности частиц. Это приводит к возникновению условий для создания прочных комплексных связей между полимерной связующей и наполнителями.

Такая же закономерность изменения разрывной прочности полиэтиленовых композиций наблюдалась и при использовании олигомерного антипирена в количестве 2-6 мас.ч.  Представленная зависимость разрывной прочности полиэтиленовых композиций от содержания олигомерного антипирена носит экстремальный характер, причем максимум смещается в сторону более высокого содержания в олигомерного антипирена по сравнению с композициями, в которых используются механоактивированный песок и мел.

Таким образом, оптимальное содержание механоактивированного песка, мела и олигомерного антипирена составляет, соответственно, 3-5, 5-10 и 2-6 мас.ч.

Исходя из вышеизложенного нами предлагается для разработки рецептуры полиэтиленовых композиций использовать механоактивированный песок, мел и олигомерный антипирен в этих пределах.

Резюме. Таким образом, определены закономерности влияния содержания механоактивированного песка и мела на прочностные свойства композиционных полиэтиленовых материалов, наполненных олигомерными антипиренами. Установлено, что при содержании механоактивированного песка и мела в количестве 6 -10 мас.ч. прочность находится в пределах 30-35 МПа, а при содержании олигомерного антипирена волокна в количестве 2-6 мас.ч. разрывная прочность повышается и носит экстремальный характер. Причем максимум смещается в сторону более низкого содержания олигомерного антипирена по сравнению с композициями, в которых используются механоактивированные песок и мел.

Проведенные исследования позволили разработать огнестойкие композиционные материалы на основе полиэтилена высокой плотности и различных ингредиентов оптимизированного состава, содержащих олигомерные антипирены и комбинации высокодисперсных ингредиентов - механоактивированных песков и мела. При изучении физико-механических и прочностных свойств разработанных огнестойких композиционных материалов установлено, что они обладают достаточно высокими прочностными свойствами, отвечающими предъявляемым требованиям к композиционным полимерным материалам для сидений автобусов.

Список литературы:

1. Нурметов Т.Ш., Махсумова А.С., Джалилов А.Т. Патент. № IAP 03543. Олигомер антипирен олиш усули. // Расмий ахборотнома, 2004. - №8.
2. Халимов Ш.А. Технология получения армированных композиционных полимерных материалов для газовых баллонов высокого давления на основе местного сырья: Автореф…канд. техн. наук. – Ташкент, 2009. – 26 с.
3. Иноятов К.М. Разработка эффективных композиционных материалов для асфальтобетонных покрытий дорог и технологии их получения: Автореф… канд. техн. наук. – Ташкент, 2007. – 25 с.
4. Н.С. Абед, Г.Гулямов, С.С. Негматов, М.Н. Тухташева.  Конструкционные композиционные полимерные материалы в машиностроении // Композицион-ные материалы. -Ташкент, 2019. - .№3. – 35-40 с.