МОДИФИКАЦИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИПРОПИЛЕНА ПУТЁМ АРМИРОВАНИЯ СТЕКЛОВОЛОКНОМ

АННОТАЦИЯ

В работе исследовано влияние стекловолокна на физико-механические и теплофизические свойства полипропилена. Композиционные материалы получены методом компаундирования в двухшнековом экструдере с использованием малеинизированного полипропилена в качестве совместителя. Установлено, что введение 20–40 % масс. стекловолокна приводит к значительному повышению прочности при растяжении, модуля упругости, ударной вязкости и теплостойкости композитов при одновременном снижении показателя текучести расплава. Улучшение свойств обусловлено повышением межфазной адгезии между полимерной матрицей и стекловолокном.

ABSTRACT

This study investigated the influence of glass fiber on the physical, mechanical, and thermal properties of polypropylene. Composite materials were produced by compounding in a twin-screw extruder using maleated polypropylene as a compatibilizer. It was found that the addition of 20–40% by weight of glass fiber significantly increased the tensile strength, elastic modulus, impact strength, and heat resistance of the composites while simultaneously reducing their melt flow index. This improvement in properties is due to increased interfacial adhesion between the polymer matrix and the glass fiber.

Ключевые слова: полипропилен, стекловолокно, полимерные композиционные материалы, физико-механические свойства, армирование.

Keywords: polypropylene, fiberglass, polymer composite materials, physical and mechanical properties, reinforcement.

Введение.

Полипропилен является одним из наиболее широко применяемых термопластичных полимеров благодаря низкой плотности, технологичности и удовлетворительным механическим характеристикам. Однако сравнительно низкая теплостойкость и ударная вязкость ограничивают его использование в конструкционных изделиях. Одним из эффективных способов улучшения эксплуатационных свойств полипропилена является его модификация путём введения армирующих наполнителей.

Существуют разные композиции полипропилена: минералонаполненный, стеклонаполненный, эластифицированный, трудногорючий.

Полипропилен (ПП), являясь одним из наиболее значимых представителей полиолефинов, в последние годы всё активнее используется в автомобильной промышленности, в ряде случаев вытесняя полиэтилен (ПЭ), акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС) и полиоксиметилен (ПОМ). Вместе с тем ПП характеризуется рядом недостатков — пониженной теплостойкостью (45 °С), сравнительно невысокой механической прочностью (25 МПа) и ударной вязкостью (6,5 кДж/м²), которые могут быть частично либо полностью компенсированы в ходе его модификации в двухшнековом экструдере.

Для создания полимерных композиционных материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками широко применяется модификация крупнотоннажных промышленных полимеров, таких как ПП, с использованием различных добавок, способных взаимодействовать с полимерной матрицей. Основой данного подхода являются представления о значительном влиянии надмолекулярной организации, а также условий протекания релаксационных процессов на свойства исходного полимера. В результате может достигаться комплексное повышение характеристик полимерных материалов [1, 3]. Модификация полипропилена с помощью введения в него минеральных наполнителей, стекловолокна и прочих модифицирующих добавок дает возможность изменить характеристики базового материала и придать композициям на основе ПП такие положительные свойства, как высокая прочность и жесткость, отличная эластичность устойчивость к воздействию атмосферных факторов негорючесть и другие преимущества.

Одним из наиболее результативных методов улучшения свойств композиционных материалов является использование волокнистых наполнителей, которые по сравнению с полимерной матрицей обладают более высокой прочностью, что приводит к росту прочностных показателей получаемых композитов. ПП более широко применяются методы модификации после стадии синтеза – компаундирование ПП с различными модификаторами в расплаве, вызывающими изменение структур высшего уровни иерархии [2, 4, 5]. Существенная длина волокон обеспечивает их непосредственное участие в перераспределении нагрузок и обусловливает выраженный армирующий эффект. Среди волокнистых наполнителей в настоящее время наибольшее распространение получило стекловолокно (СВ), отличающееся относительно низкой стоимостью и большей практической востребованностью по сравнению с углеродным волокном.

Целью настоящей работы являлось изучение влияния стекловолокна на теплостойкость и физико-механические характеристики исходного полипропилена.

Объекты и методы исследования

В качестве матричного материала использовали полипропилен марки ПП J350 с показателем текучести расплава 10 г/10 мин, выпускаемый СП ООО «Uz-Kor Gas Chemical». Армирующим наполнителем служило рубленое стекловолокно диаметром 12 мкм, производства компании «Jushi Group Co. Ltd», а в роли модифицирующей добавки — малеинизированный полипропилен производства ООО «Polymer Pigments».

Смешение компонентов композиционного материала осуществлялось в лабораторном двухшнековом экструдере при температурном режиме 200–230 °С и частоте вращения шнеков 80 об/мин. Перед экструзией все составляющие предварительно подвергались ручному смешиванию в течение 15 минут, после чего загружались в экструдер.

Испытательные образцы изготавливались методом инжекционного литья при температуре переработки 220–240 °С. Полученные образцы кондиционировались при температуре 23 °С и относительной влажности воздуха 50 % в течение не менее 40 часов для последующего определения физико-механических характеристик в соответствии с требованиями действующих стандартов ISO.

Результаты и их обсуждение.

Для получения композитных материалов на основе полипропилена, армированного стекловолокнами, на первом этапе рубленые волокна совмещались с полипропиленовой матрицей в двухшнековом экструдере, после чего на втором этапе осуществлялось литьё под давлением. Поскольку стекловолокно, являющееся полярным силикатным и алюмосиликатным материалом, термодинамически несовместимо с неполярным полипропиленом, применялся замасливатель в качестве поверхностно-активного вещества (ПАВ), способствующий снижению поверхностного натяжения на границе раздела фаз «матрица – наполнитель», а также малеинизированный полипропилен (МАПП), обеспечивающий адгезионное связывание полимера со стекловолокном.

В таблице 1 представлены физико-механические характеристики композиционных материалов на основе ПП с содержанием стекловолокна 20, 30 и 40 % масс. Анализ экспериментальных данных показывает, что модуль упругости при изгибе возрастает в 3,8; 4,4 и 4,6 раза соответственно. Следует отметить увеличение значений ударной вязкости, что свидетельствует о возрастании энергии, необходимой для разрушения опытных образцов как при положительных, так и при отрицательных температурах. Однако при испытаниях при отрицательной температуре для всех образцов наблюдается полное разрушение бруска.

Одновременно отмечается снижение показателя текучести расплава на 30 %, 40 % и 60 % соответственно, что связано с увеличением вязкости композиции по мере роста содержания стекловолокон в полипропиленовой матрице. Увеличение вязкости композита способствует повышению его физико-механических характеристик.

Известно, что композиция ПП + 30 % масс. стекловолокна может найти применение в промышленности деталей машиностроительного, конструкционного и электротехнического назначения, что обусловлено её повышенной теплостойкостью. В связи с этим были получены и исследованы композиционные материалы с содержанием стекловолокна 30 % масс., вклад которых проявляется в формировании зоны разрушения образцов и замедленном развитии трещины, предшествующем переходу к нестабильному разрушению [3].

Анализ теплофизических характеристик разработанных композиций также показывает, что введение стекловолокна в сочетании с МАПП позволяет существенно повысить теплостойкость полипропилена одновременно с ростом прочностных и ударных свойств во всём диапазоне концентраций наполнителя. В результате теплостойкость композитов возрастает на 95 °С, 101 °С и 106 °С соответственно.

Таблица 1.

Физико-механические характеристики композитов на основе полипропилена

Для полипропиленовых композитов, армированных волокнистыми наполнителями, введение связующих модифицирующих добавок в виде малеинизированного полипропилена способствует повышению межфазной адгезии и, как следствие, улучшению основных эксплуатационных характеристик материала. В случае прививки малеинового ангидрида к углеродной цепи полипропилена происходит формирование ковалентных эфирных и водородных связей с гидроксильными группами, локализованными на поверхности волокон. В то же время структурные особенности межфазных взаимодействий на сегодняшний день изучены недостаточно, и лишь в отдельных исследованиях приводятся сведения о морфологических изменениях, характере деформации и механизмах разрушения образцов при повышенной адгезии [2].

Для композиционных материалов, армированных измельчёнными рублеными волокнами, в зависимости от их длины реализуются различные механизмы диссипации энергии. В композитах с короткими волокнами активизируется значительное количество механизмов неупругого разрушения в зоне вершины трещины. Введение стекловолокна в полипропиленовую матрицу способствует рассеиванию тепловой энергии, что повышает сопротивляемость макромолекул полимера действию нагрузок при повышенных температурах, а также приводит к снижению коэффициента термического расширения и росту деформационной устойчивости материала. Чем выше модуль упругости наполнителя и степень его содержания, тем больше деформационная и теплофизическая стабильность сформированного композита [6].

Экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что указанный эффект усиливается с увеличением доли волокон в композиции. В процессе переработки в экструдере высоконаполненные композиты подвергаются более интенсивным сдвиговым деформациям, что обусловлено возрастанием вязкости расплава. Вследствие этого наблюдается повышение температуры переработки, поскольку количество выделяемой тепловой энергии пропорционально величине вязкости материала. Совокупное воздействие повышенных сдвиговых напряжений и высоких температур приводит к более выраженному разрушению структуры композита при высоких концентрациях волокон.

Следует отдельно отметить, что с увеличением содержания стекловолокна в полипропиленовой матрице как при комнатной, так и при отрицательной температуре наблюдается рост ударной вязкости. Вероятно, данный эффект обусловлен наличием жёстких и прочных стекловолокон, выступающих в роли барьеров для распространения трещин, а также введением малеинового ангидрида, привитого к полипропилену, который усиливает адгезионное взаимодействие между ПП и СВ за счёт взаимодействия активных групп МАПП с поверхностью стекловолокна в межфазной области.

Известно что для повышения ударопрочности и морозостойкости применяют малеинизированный полипропилен в качестве совместителя органического полимера и неорганического наполнителя. Совместное сочетание полипропилена, PP-G-MAH  и минеральными наполнителями позволяют получить новые  компаунды с улучшенными свойствами из-за возможности существования трех типов поверхности раздела фаз ПП+ PP-G-MAH+наполнитель.  Для этого необходимо достичь равномерного распределения микро размерных частиц наполнителя в органическую матрицу.

В результате  известно что введение стекловолокна в полипропиленовую матрицу приводит к росту модуля упругости и прочности при растяжении. С увеличением содержания волокон наблюдается снижение показателя текучести расплава, что связано с ростом вязкости композиции. Одновременно отмечается увеличение ударной вязкости и теплостойкости композитов.

Заключение

В заключение можно отметить, что армирование исходного полипропилена стекловолокном приводит к комплексному улучшению эксплуатационных характеристик материала, включая теплостойкость, ударную прочность, модуль упругости и прочность при растяжении. Установлено, что изменение малеинизированного полипропилена в качестве совместителя обеспечивает хорошую адгезию между волокном и матрицей полимера, что позволяет улучшить ударную вязкость, повысить прочность на разрыв/сжатие, морозостойкость композитов ПП/ PP-G-MAH/ СВ/БВ.

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. Межфазные взаимодействия полипропиленовых композиционных материалов. Universum: Технические науки. 2018. № 12.
3. Lauke B., Pompe W. Relation between work of fracture and fracture toughness of short-fibre reinforced polymers. Composites Science and Technology. 1988. Vol. 31. P. 25–30.
4. Van der Meer D.W. Structure–Property Relationships in Isotactic Polypropylene. PhD Thesis. University of Twente, 2003.
5. E.Mashayev, B.Ismailov, J.Ergashev, Sh.Omonov, A. Makhsumov. Research of N,N′-hexamethylene bis-[(o-cresolyl)-carbamate] in international chemicals databases // International bulletin of applied science and technology. UIF=8.2 SJIF=5.955, IBAST ISSN: 2750-3402 (г.2023, Т. 3, Выпуск 11, сс. 397–401). https://doi.org/10.5281/zenodo.10209951
6. Абдукаримова С.А., Бозорова Н.Х., Тураев Э.Р. Улучшение физико-механических свойств полипропилена с помощью стекловолокна. Композиционные материалы. 2021. № 2. С. 85–88.