Улучшение физико-механических свойств полипропилена с помощью стекловолокна

АННОТАЦИЯ

Проведена модификация со-полипропилена при помощи стекловолокна. Изучены зависимости физико-механических и реологических свойств полученных полимерных композиций от содержания модифицирующей системы. Сделано предположение о природе наблюдаемых эффектов.

ABSTRACT

Co polypropylene was modified with fiberglass. The dependences of the physical-mechanical and rheological characteristics of the obtained polymer compositions on the content of the modifying system have been studied. Was made an assumption about the nature of the observed effects.

Ключевые слова: Полипропилен, Плотность, Удлинение, Изод, Зольность.

Keywords: Polypropylene, Density, Elongation, Izod, Ash content.

Введение

Полипропилен (ПП) как один из важнейших представителей полиолефинов, последнее время находит всё более широкое применение в автомобилестроении, в отдельных случаях заменяя полиэтилен (ПЭ), акрил бутадиен стирол (АБС) и полиоксиметилен (ПОМ). Однако ПП присущи некоторые недостатки- низкая теплостойкость ( ̴ 45°С) и небольшая механическая прочность ( ̴ 25МПа) и ударная вязкость ( ̴ 6,5 кДж/м²), которые можно частично или полностью устранить в процессе его модификации в двухшнековом экструдере. Для получения полимерных композитных материалов с улучшенными свойствами широко используют модификацию крупнотоннажных промышленных полимеров таких как ПП с различными добавками, способных к взаимодействию с полимерной матрицей.  В основу этого метода легли представления о существенном влиянии надмолекулярной структуры, а также условий протекания релаксационных процессов на свойства базового полимера. При этом может наблюдаться комплексное улучшение свойств полимеров [1; с.7-11]

Одним из эффективных способов улучшения композиционных материалов заключается в применении волокнообразных наполнителей, которые обладают по сравнению с полимерной матрицей повышенной прочностью, тем самым приводя к увеличению прочности получаемых композиционных материалов. Именно значительная протяжность волокон обеспечивает возможность их непосредственного участия в перераспределении нагрузки и оказывает армирующий эффект. Среди волокнистых наполнителей в настоящее время наибольшее распространение получило стекловолокно (СВ), обладающее существенно меньшей стоимостью и являющаяся весьма актуальной, чем углеродное волокно.

Целью данной работы являлось исследование влияния СВ на теплостойкость, физико-механические свойства базового полипропилена.

Объекты и методы исследования.

В данной работе использовался полипропилен марки  ПП J350 с показателем текучести расплава(ПТР) 10 гр/10 мин, производства СП ООО «Uz-Kor Gas Chemical», рубленое стекловолокно диаметром 12 микрон производства «Jushi group Co. Ltd» и  малеинизированный полипропилен производства ООО «Polymer Pigments».

Перемешивание состава композита проводили в лабораторном двухшнековом экструдере при температуре 200-230°С и частоте вращения шнеков 80 об/мин. Предварительно все компоненты смешивали вручную в течение 15 минут и затем загружали в лабораторный экструдер.

Образцы для испытаний были изготовлены методом инжекционного литья при температуре 220-240°С. Полученные образцы выдерживались при температуре 23°С и относительной влажности 50%, не менее 40 часов для измерения физико-механических параметров, согласно требованиям, соответствующих ISO.

Результаты и их обсуждение

Для формирования композитов на основе полипропилена, наполненного стекловолокнами, рубленые волокна на первой стадии совмещались с полипропиленом в двухшнековом экструдере с дальнейшим литьем под давлением на второй стадии. Так как СВ, представляющие собой полярный силикат и алюмосиликат, термодинамически несовместим с полипропиленом, поэтому применяли замасливатель в качестве ПАВ (поверхностно-активные вещества), который позволяет снизить поверхностное напряжение на границе раздела фаз, матрица – наполнитель, а также малеинизированный полипропилен (МАПП) для связки полимера со СВ. В таблице №1 предоставлены физико-механические свойства композиционных материалов на основе ПП+ 20%, 30%, 40% масс. стекловолокно. Как видно из полученных результатов интенсивность роста модуля упругости при изгибе составляет 3,8; 4,4  и 4,6 раза соответственно. Стоит отметить, что значение ударной вязкости увеличивается, то есть для разрушения опытных образцов требуется большое количество энергии как при плюсовой, так и при минусовой температуре. Но, на всех образцах  наблюдается полное разрушение бруска при минусовой температуре. А также показатель текучести расплава снижается на 30%,40% и 60% соответсвенно, что наблюдается по мере увеличения содержания количества волокон в составе ПП увеличивается вязкость композита и тем самым увеличивается физико-механические свойства композитных материалов.

Известно, что ПП+30%масс СВ используется в большом количестве в автомобилестроении в качестве подкапотных деталей, в связи с тем, что имеет повышенную теплостойкость. В связи с этим, были созданы и изучены композиционные материалы, наполненные СВ в количестве 30% масс (см. таблицу 1).

Таблица 1.

Физико-механические свойства стеклонаполненных композиционных материалов

Для полипропиленовых композитов, армированных волокнами, введение связующих добавок в виде малеинизированного полипропилена приводит к улучшению межфазной адгезии и вызывает улучшение базовых свойств материала. В том случае, если малеиновый ангидрид присоединяется у углеродного скелета ПП, то происходит образование ковалентных эфирных и водородных связей с гидроксильными группами, расположенными на поверхности волокон. Однако структурные особенности межфазных взаимодействий изучены специалистами в меньшей степени и лишь в некоторых работах приводятся данные о морфологических изменениях и особенностях деформации, а также механизмы разрушения образцов при таком улучшении адгезии [2; с.1286-1294].

В случае композитов, армированных измельченными рубленными волокнами, в зависимости от длины волокна могут быть идентифицированы  различные механизмы диссипации энергии. В композитах, армированных короткими волокнами, активируется большое количество механизмов неупругого разрушения вблизи образовавшейся трещины.  Такие механизмы вносят свой вклад, а образование зоны разрушения образцов с соответствующим медленным ростом трещины, предшествующим протеканию нестабильного разрушения [3; с.25-30].

При рассмотрении теплофизических свойств полученных композиций также видно, что именно при введении СВ и МАПП удаётся существенно увеличить теплостойкость ПП в комплексе с увеличением прочности и ударостойкости во всех концентрациях СВ. Соответственно теплостойкость композитов увеличивается на 95°С, 101°С и 106°С. Введение СВ в ПП способствует к рассеиванию тепловой энергии и тем самым увеличивает сопротивляемость макромолекулы полимера к нагрузкам при температуре, а также снижает его коэффициент термического расширения и повышает деформационную устойчивость. Чем выше модуль упругости наполнителя и степень наполнения, тем больше деформационная и теплофизическая устойчивость полученного композитного материала.

Результаты исследований указывают на то, что подобный эффект более выражен при увеличении содержания волокон в композите. В экструдере композиты, содержащие большее количество волокон, подвергаются более интенсивной сдвиговой деформации, что объясняется повышенным значением вязкости расплава более высоконаполненного композита. Вследствие этого повышается и температура процесса переработки (выделение тепловой энергии пропорционально величине вязкости материала). Сочетание более высоких по величине сдвиговых напряжений и повышенных температур приводит к более полному разрушению композита (при высоком содержании волокон).

Стоит отдельно отметить, что при увеличении концентрации СВ в составе ПП, как при комнатной, так и при минусовой температуре улучшается ударная вязкость. По всей видимости, полученный результат можно объяснить препятствиями со стороны СВ, обладающими высокой собственной прочностью и жёсткостью, а также введение малеинового ангидрида, привитого к полипропилену, увеличивает адгезию между ПП и СВ за счет взаимодействие активными группами МАПП в межслоевом пространстве макромолекул полипропилена и поверхностью СВ.

В заключение можно сказать, что армирование базового полипропилена стекловолокном приводит к улучшению ценных комплексных свойств таких как теплостойкость, ударостойкость, модуль упругости и прочность при растяжении.

Список литературы:

1. Горбунова И.Ю., Кербер М.Л. Модификация кристаллизующихся полимеров//Пластические массы.2000. №9.С.7-11
2. Тураев Э.Р., Бекназаров Х.С., Ахмедов У.К., Джалилов А.Т. Межфазные взаимодействия трехфазных полипропиленовых композиционных материалов// Жур.Universum: Технические науки. Москва -2018. №12(57). рубрика 13. С.6. (http://7universum.com/nature).
3. Lauke B., Pompe W.Relation between work of fracture and fracture toughness of short-fibre reinforced polymers//Compos. Sci. Technol.,-1988,-Vol31, -p.25-30.