ПЕРЕРАБОТКА ПОЛИМЕРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ И УЛУЧШЕНИЕ ИХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

АННОТАЦИЯ

Научная работа, такая как обработка полимеров различными наполнителями, повышение их физико-механических свойств и расширение области их применения, является сегодня одним из важнейших научных исследований. В научной работе к ПП добавляли стекловолокно и базальтовое волокно, что улучшало его физико-механические свойства.

ABSTRACT

Scientific work, such as the processing of polymers with various fillers, improving their physical and mechanical properties and expanding the scope of their application, is today one of the most important scientific research. In a scientific work, fiberglass and basalt fiber were added to PP, which improved its physical and mechanical properties.

Ключевые слова: Полипропилен, волокна, стекло, базальт, Изодь, плотьность, удлинение, прочность.

Keywords: Polypropylene, fibers, glass, basalt, Izod, density, elongation, strength.

В настоящее время нет ни одной отрасли хозяйства, где бы не нашли применения полимерные материалы. Степень их использования является одним из важнейших показателей уровня научно-технического прогресса страны. Использование полимерных материалов обеспечивает возможности создания принципиально новых конструкций и разнообразных изделий, способствует снижению их веса, улучшению качества, внешнего вида и т.д. Технология получения изделий из полимеров относительно проста, высокопроизводительна и, как правило, позволяет легко формовать из них детали сложной формы.

Характерно, что доля индивидуальных полимеров среди таких материалов невелика. Для изделий, эксплуатируемых в конкретных условиях нужны материалы с определённым комплексом свойств, и решать задачу по их получению предпочтительно не созданием и освоением новых промышленных производств, а посредством использования уже имеющихся крупнотоннажных полимеров. Полимерная технология давно идёт по пути создания композиционных материалов, в которых за счёт направленного сочетания компонентов достигается требуемый комплекс свойств в конечном изделии. Такие системы создают или в результате поиска оптимальных «полимерных» комбинаций и/или смешением полимеров с наполнителями различной природы. Введение наполнителей позволяет дополнительно расширить диапазон свойств высокомолекулярных соединений. Как правило, подобные материалы по комплексу свойств превосходят полимеры, на основе которых были созданы, что позволяет существенно расширить область их применения. Стеклопластики, усиленные эластомеры, ударопрочные пластики и пластики, армированные неорганическими и органическими волокнами, наполненные порошкообразными наполнителями системы, термоэластопласты, полимербетоны – все это далеко не полный перечень современных композиционных материалов.

Результаты и обсуждения. 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 получили стекловолокно и углеродное волокно. Углеродное волокно превосходит по прочности стекловолокно и придает полимерным композитам такие уникальные свойства как теплопроводность и электропроводность, но его стоимость ограничивает возможности его широкого применения. По этой причине задача поиска волокнообразных армирующих минеральных наполнителей, превосходящих по физико-механическим свойствам волокно, но обладающих существенно меньшей стоимостью, чем углеродное волокно- является весьма актуальной.

В данной работе в качестве альтернативы стекловолокну и углеродному волокну, предложено использовать в качестве армирующего наполнителя полимеров базальтовое волокно, сочетающее высокие физико-механические свойства и низкую стоимость. К тому же в Узбекистане налажено производство базальтового волокна. Правда это волокно выпускается в виде непрерывной пряжи, которая в дальнейшем применяется для получения арматуры для бетонных изделий. Поэтому штапельное базальтовое волокно с необходимыми размерами вырезалось вручную.

В следующей части работы было изучено влияние размеров стекловолокна на физико-механические свойства полипропилена (табл. 1). В этом исследовании были выбраны волокна  размером 9, 11 и 17 микрон для определения оптимального размера стекловолокна и достижения наилучших физико-механических результатов.

В литературе приводятся данные о том, что определенные виды модификации полимерной матрицы, а также различные способы обработки поверхности волокон способствует улучшению совместимости между волокнами и матрицей в композитах на основе полимеров, армированных натуральными волокнами [1; с.275-280, 2; с.38-40, 3; с.307-310]. Результаты исследований указывают на то, что ПАВ модифицирование волокон, так и матрицы способствует улучшению межфазной адгезии на границе раздела волокон/матрицы, также повышению  механических характеристик композитов.

Таблица 1.

Влияние размера стекловолокна на физико-механические свойства полипропилена

Полученные результаты показывают, что оптимальными размерами волокон оказались 9 и 11 мкм. Несмотря на то, что волокно 9 мкм показывает высокие физико-механические результаты, из-за технологических потерь и себестоимости, на наш взгляд, волокно 11 мкм является наиболее оптимальным по размеру волокном.

 В таблице 2 приведены физико-механические свойства композиционных материалов с 30-ю % стекло- и базальтовыми волокнами и с РР-g-MAH.

Таблица 2.

Физико-механические свойства композиционных материалов

Как видно из полученных результатов при ведении РР-g-MAH в состав композита улучшает ударная вязкость по Изоду, это особенно заметно при -30°С так как малеиновый ангидрид создает упругий мостик между органической макромолекулой полимера и неорганических волокон.

Выводы. Полученные композит материалы на основе ПП обладают не только существенно более высокими механическими характеристиками, например более высокими значениями жесткости и прочности без существенных потерь в значениях ударной вязкости и сопротивления хрупкому разрушению, но и значительно улучшенными эксплуатационными свойствами, чего обычно не достичь введением не модифицированных волокон. Композиты по сравнению с обычными, традиционными композитами обладают рядом преимуществ, такими как повышение механической характеристики, более высокая термостойкость и огнестойкость, а также улучшение свойства (более низкая газопроницаемость). Подобное улучшение свойств достигается даже при малом содержании наполнителя (≤30 масс. %), а следовательно, композиты по сравнению с традиционными композитами характеризуются также и более низким значением плотности. 

Анализ композитов на полимерной и волокнистой основе показал, что их механические свойства имеют большое значение, что создает широкие возможности для использования данного типа композитов. Впервые иследованы местные наполненные короткими базальтовыми волокнами (БВ) композиты на основе смеси ПП и PP-g-MAH.

Показано, что использование малеинизированного полипропилена (PP-g-MAH) в качестве совместителя для обеспечения хорошей адгезии «волокно-матрица» позволяет создать высокомодульные композиты ПП/ PP-g-MAH /БВ/СВ, обладающие одновременно высокой прочностью, улучшенной ударной вязкостью и морозостойкостью, хотя при этом наблюдается снижение относительное удлинение при разрыве. Согласно данным ИК-спектроскопии этих модификаторов, композиты, полученные с волокнами, показывают хорошие результаты из-за присутствия соединений, которые образуют структуру волокна, и небольшого размера неорганических частиц, образующихся в результате их разложения из-за изменения формы макромолекул полимера вокруг их. В свою очередь данный эффект позволяет улучшить комплексные свойства создаваемого композита.

Список литературы:

1. Reichert P., Nitz H. Polypropylene/organoclay nanocomposite formation: influence of compatilizer functionality and organoclay modification //Macromolecules Mater, Eng.-2000.-Vol8.-p.275-280.
2. Тураев Э.Р., Соттикулов Э.С., Джалилов А.Т. Физико-механические свойства композитов на основе полипропилена//Кимёвакимётехнологияси. Ташкент –2018. – № 2.– с38-40.
3. Xiao B., Sun X.Chemical, structural, and thermal characterizations of alkali-soluble lignins and hemicelluloses, and cellulose from maize stems, rye straw, and rice straw//Polym. Degrad. Stabil.,-2001,-Vol74,-p.307-310.