ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ СМЕШЕНИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ВОЛОКНОНАПОЛНЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

АННОТАЦИЯ

В работе рассматривается вопрос технологических факторов, обуславливающих возможность получения требуемых сочетаний свойств смесей термопластов, и разработка на основе полученных данных технологии получения композиционных материалов. Для смесей термопластов на основе полиолефинов установлена взаимосвязь между основными технологическими параметрами процесса смешения, статическими критериями качества диспергирующего смешения и свойствами полученных композиционных материалов применительно к основным видам существующего смесительного оборудования.

ABSTRACT

The paper considers the issue of technological factors that determine the possibility of obtaining the required combinations of properties of thermoplastic mixtures and the development of a technology for producing composite materials based on the obtained data. For mixtures of thermoplastics based on polyolefins, a relationship has been established between the main technological parameters of the mixing process, static criteria for the quality of dispersive mixing, and the properties of the obtained composite materials in relation to the main types of existing mixing equipment.

Ключевые слова: полиэтилен, композиционный материал, волокна, смеси полимеров, технологический режим.

Keywords: polyethylene, composite material, fibers, polymer mixtures, technological regime.

Устойчивый рост производства композиционных материалов, в том числе на основе термопластов, определил быстрое развитие соответствующей отрасли знания. Значительная часть композиционных материалов используется в качестве конструкционных для которых физико-механические свойства являются основными. Для материалов со специальными свойствами физико-механические характеристики, как правило, становятся лимитирующими и стоит задача сохранит их на определенном уровне [1-2].

Производство высоконаполненных композиций – это один из путей расширения ассортимента композиционных материалов с соответствии с новыми требованиями потребителей. Выявление закономерностей изменения деформационных и прочностных свойств композиций термопластов с волонистыми наполнителями во всем диапазоне концентраций направлено на создание материалов с заданными свойствами и дает возможность осознаного выбора базовой рецептуры. Такой подход позволяет повысить эффективность создания наполненных материалов и значительно снизить затраты при разработе композиций [3-4].

Смеси термпопластов чаще всего получают методом механического смешения в расплаве. Свойства таких систем зависят от условий их приготовления и опеределяются типом применяемого смесительного оборудовнаия и технологическими режимами процесса смешения [5-6].

В этой связи весьма существенным является установление пределов регулирования отдельных свойств смесей полимеров или комплексов их свойств применительно к каждому из известных видов смесительного оборудования. Иными словами, актуальность работы, в первую очередь, определяется теми ее результатами, которые позволяют сделать выбор наиболее целесообразных, относительно комплекса свойств заданного материала, типа машины и технологического режима смешения [7-8].

Целью данной работы является, определение взаимосвязи между основными технологическими параметрами, обусловливающими качество смешения и эксплуатационными свойствами получаемых материалов; установление таких корреляций позволяет производить научно-обоснованный выбор технологических режимов получения композиций и их переработки. Объектами исследования служили: полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), полистирол блочный (ПС), полипропилен (ПП), полипропиленовые и натуральные волокна.

Произведенно, исследование влияния типа смесительного оборудования и технологического режима процесса смешения на количественные параметры структуры и свойств получаемых смесей проведено на примере двух компонентных смесей. Такие системы были выбраны с целью упрощения исследуемых объектов и изучения механизма процесса смешения основных компонентов.

Исследование смесей ПЭНП и волокна, полученных в смесителе типа Бенбери, показало, что их качество улучшается во время смешения приблизительно до 10 мин. В дальнейшем диспергирование замедляется, а после 16 мин степень дисперсности практически не изменяется, т.е. достигается некоторое предельное состоятние. С увелечением степени дисперсности полимера происходит улучшение физико-механических свойств композиции. Вывести систему из установившегося в процессе смешения предельного состояния можно лишь путем изменения технологического режима или каких-либо допольнительных факторов.

Наблюдается четкая корреляция между результатами структурных исследований и данными, полученными при изучении физико-механических свойств ряда изделий из смесей ПЭНП/волокна. Так, критическая толщина пленки, изготовленной путем экструзии с раздувом, закономерно уменьшается с ростом времении смешения смеси ПЭНП/волокно до 16 мин на роторном смесителе. Было отмечено также, что средний размер частицы дисперсеной фазы зависит не только от технологических параметров процесса смешения, но и от соотношения смешиваемых компонентов.

Таким образом, для эффективного смешения композиции ПЭНП/волокно с использованием роторного смесителя типа Бенбери требуется около 16 мин. Необходимый температурный режим смешения в значительной степени зависит от температуры плавления компонентов. Например, для системы ПЭНП/волокно смешение необходимо проводить при температуре 130-140^оС, а для систем ПП/волокна при температуре 160-170^оС. При указанных температурах заметной дестукции полимеров не происходит. Потверждением является стабильность показателя текучести расплавов на протяжении всего периода смешения.

Повышение скорости и величины деформации сдвига во время смешения в смесителе типа Бенбери приводит к интенсификации процесса диспергирования при той же продолжительности смешения. Например, при смешении ПЭНП с ПС особо заметное изменение размеров и относительной удельной поверхности частиц наблюдается в диапазоне увелечения угловой скорсти вращения роторов с 6,28 до 21,29 рад/с. Аноголичным образом происходит изменение и других контролируемых параметров качества композиции.

В этой связи особый интерес представляло проведение аналогичных исследований на червяко-дисковом экструдере, позволяющем в широком диапазоне изменять скорость сдвига и другие технологические параметры. Установлено, что при смешении ПС с ПЭНП на червяно-дисковом экструдере увелечение скорости сдвига в 3 раза приводит к уменьшение размера частиц ПС в 1,7 раза. Отмечено, что уменьшение зазора между дисками с целью достижения высокой деформации сдвига приводит к заметному снижения производительности и повышению удельного расхода энергии. Для ПП и волокнистых материалов наблюдалось относительно равномерное смешение Поэтому использование червячно-дискового экструдера целесобразно в малотонажных произвоствах композиции высокой степени диспергирования.

Сравнительный анализ степени дисперсности и свойства смесей полимеров, полученных на различных видах смесительного оборудования, также показал, что с увелечением скорости и величины деформации сдвига качество смешения полимер-полимерных композиций повышается.

В этой связи особый интерес представляло проведение анализов исследований на роторных диспергаторах, позволяющем в широком диапазоне изменять скорость сдвига и другие технологические параметры. Известно [9-10], что введение в ПЭНП волоконных и порошковых наполнителей должно приводить, в первую очередь, к увеличению жесткости и, следовательно, модуля упругости при одновременном снижении разрушающего напряжения и относительного удлинения. Аналогичная картина было получена при исследовании деформационно-прочностных волокнонаполненных полимерных композитов.

Установленно, что в роторных диспергаторах можно еще более значительно повысить качество полученной композиции. В частности, при семешении полипропиленовых и натуральных волокон наблюдается значительное повышение показателей качества диспергирующего смешения и улучшение ряда физико-химических свойств композиий. Так, на примере смеси волокна ПП и ПЭНП (30:70) показали, что прочность и модуль Юнга пленок примерно в 1,5 и 6 раз, соответственно больше чем исходной матрицы (ПЭНП), в то время как деформируемость (ε_р) такой композиции снижается примерно в 50-60 раз.

Таблица 1.

Значения разрушающего напряжения (ϭ_р), относительного удлинения (ε_р) и модуля упругости (Е_р), волокнонаполненных полимерных композитов ПЭНП/шелк, с разным содержанием шелка и разным режимом смешения (измерения при 20^оС при одноосном растяжении)

На таблице 1. показано, как растет значения модуля упругости полимерной композиции, измеренного при одноосном растяжении ПЭНП/шелк от содержания шелка. Приведенные на этой таблице данные относятся к композициям, изготовленным путем сухого смешения компонент при 20^оС и путем дополнительного смешивания и соизмельчения компонент в роторном диспергаторе. Как видно, введение шелка закономерно увеличивает модуль упругости композиции, причем при содержании шелка 30 вес% модуль упругости в 4 раза превышает модуль упругости исходного полиэтилена. Обращает внимание наличие большого разброса значений модуля упругости композиции в случае одного только сухого смешения компонент. Наряду с этим, у этих композиций проявляется неоправданно большой разброс других параметров: разрушающего напряжения и относительного удлинения.

Двукратная и трехкратная переработка смесей в роторном диспергаторе сопровождается дополнительным увеличением разрушающего напряжения и относительного удлинения изготовляемых из этих смесей композиций. Однако, при этом начинается быстрое снижение значения модуля упругости композиции. Таким образом, оптимальным следует считать однократную переработку рассматриваемой смеси в роторном диспергаторе.

Проведенные исследования позволяют производить научно-обоснованный выбор оборудования и технологический режим при получении смесей термопластов с требуемыми свойствами. На основе проведенных исследований разработаны рецептуры, а также технологии получения и переработке их в изделия.

Список литературы:

1. Шевченко, А. А. Физикохимия и механика композиционных материалов / А. А. Шевченко. - СПб.: ЦОП «Профессия», 2010. - 224 с.
2. Islamov B.Kh, Umarov A.V, Boymuratov F.Т. Phase transition in pyrolyzed samples of natural silk // Texas Journal of Multidisciplinary Studies. 2022. V. 12. pp. 29-31.
3. Минченко, Т. В. Основы химии и физики полимеров: учеб.пособие / Т. В. Минченко. – Витебск: ВГТУ, 2005. – 252 с.
4. Islamov B.Kh., Tashpulatov S.Sh., Vahobov K.I. Fibrous and dispersion-hardened composite materials. // Technical science and innovation, 2023. -№1. Рр.64-69.
5. В.Е. Гуль, М.С.Акутин. Основы переработки пластмасс /– М.: Химия, 1985.
6. Islamov B.Kh., Fattahov M.A. Viscosity properties of aqueous solutions of natural silk waste compositions. // The American Journal of Engineering and Technology. USA. 2022. - Vol. 04, Issue 02. Pp. 1-4.
7. Islamov B.Kh., Mamaeva D.A., Vakhobov K.I. Solid phase dissolution fibroin of natural silk. // The American Journal of Engineering and Technology. USA.- 2023. - Vol. 05, I. 01. Pp. 1-6
8. Исламов Б.Х., Ташпулатов С.Ш. Структурные исследования натурального шелка в процессе переработки. //Научный журнал. Universum: Тeхнические науки, Москва, 2022, -№11 (104), Ч.4, с.12-15, URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/14475.
9. Семенов, Г.В. Утилизация и вторичная переработка полимерных материалов./ Г.В. Семенов, В.В. Ананьев, И.А. Кирш, Г.К. Хмелевский, М.И. Губанова. – М.: МГУПБ, 2006. - 133с.
10. Нвабунма Д. Композиты на основе полиолефинов / Перевод с англ. под ред. В.Н. Кулезнева. – М.: Издательство, «Лань», 2014. - 744 с.