ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СОПОЛИМЕРОВ ЭТИЛЕНА, ПРОПИЛЕНА И КОМПОЗИЦИЙ НА ИХ ОСНОВЕ

АННОТАЦИЯ

В работе на основании исследования, термомеханических и дифференциально-термических анализов изучены теплофизические свойства, такие как показатель текучести расплава (ПТР), температура деформации под действием груза (HDT), теплостойкость по Вика (VICAT), коэффициент линейного термального расширения (CLTE) , начала температуры плавления и его кристаллизации (ДСК). На основе трех компонентных композитов (полипропилен/тальк/эластомер) были получены материалы с требуемыми свойствами. Данные полимерные композиты были использованы для изготовления бамперов и дверных обшивок автомобилей компании АО «UzAutomotors» Республики Узбекистан.

ABSTRACT

In this work, on the basis of research, thermomechanical and differential thermal analyzes, thermophysical properties, such as melt flow index (MFR), load deformation temperature (HDT), Vicat heat resistance (VICAT), linear thermal expansion coefficient (CLTE), melting and crystallization temperature (DSC). Based on three component composites (polypropylene/talc/elastomer), materials with the required properties were obtained. These polymer composites were used for the manufacture of bumpers and door skins for vehicles of JSC "UzAutomotors" of the Republic of Uzbekistan.

Ключевые слова: этиленпропиленовый сополимер, этиленпропиленовый эластомер, модификация, показатель текучести расплава, температура деформации под воздействием груза, теплостойкость по Вика, дифференциально-сканирующая колориметрия

Keywords: ethylene-propylene copolymer, ethylene-propylene elastomer, modification, melt flow index, load strain temperature, Vicat heat resistance, differential scanning colorimetry

Введение. На сегодняшней день полимерные композиционные материалы на основе сополимеров этилена и пропилена занимают ведущее место среди компаундов. Они широко применяются как в автомобилестроении, так и изготовлении бытовой техники. Это стало допустимым благодаря возможностям их использования в большом интервале температур от -60°С до +135°С. Причиной широкого применения этих композиций стало то что, компаунды на основе полипропилена обладают повышенной ударопрочностью, твердостью, морозостойкостью и поглощением энергии удара [1, 2] при относительной дешевизне используемых составляющих. К тому же применение в своем составе эластомеров, наполнителей и других добавок позволяет менять свойства этих композиций в широком интервале.

Обычно, введение талька в компаунд ведет к снижению эластичности и увеличению плотности, а введение эластомера – к снижению жёсткости и повышению вязкости компаундов [3, 4-10]. Несмотря на это, требования к современным компаундам на основе полипропилена постоянно растут и заключат в себе не только высокие показатели ударопрочности, но и высокие значения тепловых и термических характеристик. Это требует поиска новых решений от производителей компаундов.

За последние годы повышенный интерес у исследователей вызывает возможность регулирования структуры и свойств полипропилена (ПП) наполнителями различной природы и строения, которые в свою очередь определяют характер взаимодействия между ними и полимером, а также возможность получения компаундов с высокими эксплуатационными характеристиками.

Целью данной работы являлось исследование влияния модификаторов, таких как эластомер и тальк, на термические свойства компаундов на основе полипропилена.

Методика эксперимента. В работе использовались следующие виды этиленпропиленовых сополимеров: J320, J350, J360, J370 и JM-380, продукции компании СП ООО «Uz-Kor Gas Chemical» производимых по технологии «Lotte Chemical» и этилен-октеновый эластомер марки LC-670 производства компании Ltd «LG Chem». В качестве наполнителя использовался мелкодисперсный тальк марки МT-1, продукция Республики Узбекистан компании ООО «Al-Rasa», изготовленный из тальковых камней афганского месторождения.

Предварительно все компоненты смешивали вручную, в течение 15 мин и загружали в двухшнековый лабораторный экструдер. Компаунд, состоящий из ПП-эластомер-тальк, в соотношении 65:15:20 % мас. был получен методом экструзии при температуре 210°С с частотой вращения шнеков 100 об/мин. Образцы для испытаний были изготовлены на термопластавтомате (ТПА) –методом литья под давлением. Изготовленные образцы испытывались согласно стандартам: ПТР – ISO 1133-1; HDT – ISO 75-1; VICAT – ISO 306; CLTE – ISO 11359-2; ДСК ISO-11357.

Для изучения теплофизических показателей базового полимера и компаундов (ПП/эластомер/тальк), применяли следующие приборы: определения температуры деформации под воздействием груза (HDT) и теплостойкость по Вика на приборе Tinius Olsen модель 303 HDTM; для определения начала температуры плавления и его кристаллизации применяли метод дифференциально-сканирующей колориметрии на приборе Perkin Elmer модель DSC 4000; для определения коэффициент линейного термального расширения CLTE на приборе Rigaku TMA 8310.

Результаты. Теплофизические характеристики базовых полипропиленов и компаундов на их основе предоставлены на рисунках 1-5 в виде диаграмм.

Рисунок 1. Показатель текучести расплава полипропилена и компаунда на его основе

На рисунке 1 представлены данные, полученные при исследовании показателя текучести расплава (ПТР) базового полипропилена и компаундов. Данные указывают снижение ПТР для высоко текучих марок JM380, JM370, JM360 за счет добавления низкотекучего эластомера и талька. В случае марки J350 наблюдается не существенное снижение (с 9,9 до 6,5 г/10мин), а J320 некоторые увеличения данного показателя. Установлено, что при компаундировании, низкотекучие марки полипропиленов подвергаются механическому воздействию, вследствие чего наблюдается увеличение ПТР. Также было установлено, что добавление мелкодисперсного гидрофобного талька до 20% (масс. соотношении) в компаунд приводит к незначительному снижению ПТР.

На рис. 2 показана диаграмма изменения температуры деформации под воздействием груза (HDT) при нагрузках 0,45МПа и 1,8МПа для базовых полипропиленов и компаундов на их основе. Можно видеть, что, чем ниже ПТР у базового полипропилена, тем выше показатели HDT компаундов, независимо от нагрузки. Ожидается, что добавление эластомера в компаунд, снизит показатели HDT, а добавление талька увеличит значение HDT. В данном случае, влияние талька компенсирует влияние эластомера и в результате наблюдается закономерное повышение значение HDT для всех компаундов.

Рисунок 2. HDT полипропилена и компаунда на его основе (0.45 MPa, 1.8 MPa ).

Рисунок 3. Температура размягчения по Вика полипропилена и компаунда на его основе 50Н

На рис. 3 показаны особенности влияния природы базового полипропилена на температуру размягчения по Вика. Также было определено, что показатель температуры размягчения по Вика обладает большей информативностью по сравнению с HDT, поскольку при практически одинаковых условиях проведения экспериментов температура размягчения по Вика получается выше аналогичных результатов HDT.

Рисунок 4. Температура плавления полипропилена и компаунда на его основе.

На рис. 4 показана зависимость температуры плавления компаундов от ПТР. Как и ожидалось, в целом можно отметить, что при увеличении показателя текучести расплава, снижается температура плавления компаунда.

Рисунок 5. Коэффициент линейного расширения полипропилена и компаунда на его основе.

На рисунке 5 показана влияние добавки модификаторов на коэффициент линейного расширения. Данные указывают, что введение наполнителя снижает этот показатель вероятно из-за уплотнения его структуры композиции.

Рисунок 6. ДСК базового полипропилена ПП J370 (верхний пик 167,26°С, нижний пик 104,86°С)

Рисунок 7. ДСК композиции состоящий из ПП и 20% талька (верхний пик 166,57°С, нижний пик 120,98°С)

Рисунок 8. ДСК композиции состоящий из 65% ПП, 15% эластомера и 20% талька (верхний пик 166,86°С, нижний пик 119,12°С)

На рисунках 6-8 показаны температуры кристаллизации и плавления, чистого полипропилена -J370 (рис. 6), компаунда, состоящий из талька и полипропилена -J370 (рис. 7), а также полипропилена -J370/эластомер/тальк (рис. 8). Как для полипропилена, так и для композиций на их основе, температуры фазовых переходов практически не меняются (167,26°С для чистого ПП и 166,83°С для компаунда). По данным полученных с методом дифференциальной сканирующей калориметрией видно, что эта система обладает достаточно высокой степенью кристалличности и подтверждением этого факта являются отчетливо выраженные пики плавления и кристаллизации данного компаунда. Только при введении в состав композиции талька и особенности эластомера снижается степень кристаллизации, от 149,675mJ для базового ПП, 219,170mJ для композиции с тальком и 313,864mJ для трехкомпонентного состава.

Выводы. Увеличение ПТР базового полипропилена снижает показатель HDT, температуру размягчения по Вика, CLTE и температуру плавления компаундов. Использование модифицирующей системы эластомер/тальк даёт возможность получать компаунды с регулированными свойствами, на основе экспериментальных данных по значениям теплофизических и термических свойств используемых базовых компонентов.

В целом введение талька повышает, а введение эластомера понижает эти показатели.

Список литературы:

1. С.А. Harper. Handbook of plastics, elastomers and composites. Mc Grow Hill Handbooks. 210(2004)
2. В.П. Буряк. Полимерные материалы. 7. 6-15 (2007)
3. Серенко, О.А. Влияние размера частиц на форму образующихся дефектов в дисперсно наполненном композите. Серенко О.А., Баженов // Высокомолекулярные соединения -2005. Серия А. –т.47.-№1.- с.64. 
4. W.Y. Tam, T. Cheung, R.K.Y. Li Polymer Testing 15. 363-380(1996).
5. Усманов И.Т., Алимухамедов М.Г., Айходжаев Б.Б., Исабоев С.С., Джураев А.Б. Исследование полипропилена отечественного производства, Материалы международной конференции «Современные инновации: Химия и химическая технология соединений ацетилена. Нефтехимия. Катализ». Ташкент 2018. С 158-159.
6. Усманов И.Т., Курбанбеков Ф.С., Айходжаев Б.Б., Адилов Р.И. Регулирование свойств полипропиленовой композиции тальком и эластомером, «Universum: технические науки», Москва 2022. Выпуск 2(95), часть 6, С 9-13.
7. Усманов И.Т., Курбанбеков Ф.С., Айходжаев Б.Б., Адилов Р.И. Сравнение основных физико-механических показателей этилен пропиленовых сополимеров различных производств, «Universum: технические науки», Москва 2021. Выпуск 12(93), часть 5, С 63-67.
8. Усманов И.Т., Курбанбеков Ф.С., Айходжаев Б.Б., Адилов Р.И. Влияние талька на свойства компаунда на основе этилен-пропиленового сополимера, Chemistry and chemical engineering «KIMYO4» Ташкент 2021, №3, Арт.5, С 27-33