Влияние ориентации на физико-механические свойства термопластичных композитов с растительным наполнителем

УДК 691.175.2

А. М. Кузьмин, В. Н. Водяков

ВЛИЯНИЕ ОРИЕНТАЦИИ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ КОМПОЗИТОВ С РАСТИТЕЛЬНЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ

Ключевые слова: термопластичный композит, полиэтилен, солома злаковых культур, экструзия, ориентация, прочность,

влагопоглощение.

В работе приведены результаты исследования физико-механических свойств термопластичных композитов на основе полиэтилена низкого давления, наполненного мелкодисперсной соломой злаковых культур, полученных с применением плоскощелевой экструзии. Показано, что ориентация полимерного связующего и анизотропных частиц мелкодисперсного растительного наполнителя способствуют существенному улучшению их физико-механических свойств.

Keywords: thermoplastic composite, polyethylene, straw cereals, extrusion, оrientation, strength, moisture absorption.

The paper presents studied results of mechanical properties of thermoplastic composites, which are based on high density polyethylene filled with fine-ground cereal straw obtained by using flat-slit extrusion. It has been shown that the orientation of the polymer binder and anisotropic particles offine-dispersed vegetable filler contribute to a significant improvement in their mechanical properties.

Введение

Наряду с использованием традиционных материалов (древесина, древесно-стружечные, древесноволокнистые плиты) в строительной и мебельной отрасли последнее время растет интерес к древесно-полимерным композитам [1-8]. Из данных композитов можно получать различные конфигурации профилей (рис. 1). В работах [5,7] показана возможность производства методом экструзии ленты и сложнопрофильных изделий из ДПК.

Рис. 1 - Внешний вид профилей изделий из ДПК

Одной из наиболее важных проблем в производстве изделий из композиционных материалов с термопластичным полимерным связующим является проблема улучшения физико-механических показателей профильных материалов при одновременном снижении их толщины. Перспективным методом решения этой проблемы является совершенствование приемов и методов упрочнения тонкостенных профильных изделий.

Самым распространенным методом получения изделий из ДПК является экструзия. Особенностью данного процесса является то, что он сопровождается эффектом ориентации макромолекул полимерной матрицы, которая способствует изменению физико-механических и структурных свойств материала. Однако процессы ориентационного упрочнения термопластичных композитов с растительным наполнителем остаются малоизученными.

Целью настоящей работы является исследование влияния ориентационных процессов при экструзии термопластичных композитов с растительным

наполнителем на физико-механические свойства полученных изделий.

Экспериментальная часть

Объектом исследования является разработанный пятикомпонентный композит [4], компонентами которого являются:

• полиэтилен низкого давления неокрашенный газофазный (ПЭНД марки 273-83) по ГОСТ 16338-85, предназначенный для изготовления технических и профильно-погонажных изделий методами экструзии и литья под давлением;

• органический наполнитель - солома злаковых культур с размером фракций 100...300 мкм, влажностью менее 8%, насыпной плотностью 12 - 15 кг/м3;

• хлорпарафин марки ХП-1100 по ТУ 2493-21105763458-97 с массовой долей хлора не менее 70%, являющийся антипиреном и активной технологической добавкой, улучшающей взаимодействие между полиэтиленом и органическим наполнителем, а также технологичность композиции при переработке;

• технологическая добавка - диоксид кремния с удельной поверхностью не менее 100 м2/г (белая сажа марки БС-100 по ГОСТ 18307-78);

• неорганический пигмент по ГОСТ 19487-74 требуемого цвета.

Компоненты композиции смешивались в двух-шнековом экструдере сонаправленного вращения Rheomex PTW 16 PolyLab с получением гранулята. Особенности технологического процесса смешения подробно описаны в работе [3].

Линия, собранная для производства пластины из полученного гранулята композиции (рис. 2), включает в себя блок привода и измерений HAAKE RheoDrive 7 OS, одношнековый экструдер Rheomex 19/25 PolyLab OS с длиной шнека L/D = 25, шнек 3:1 Standart Metering, формующую плоскощелевую головку с регулируемой толщиной 0,2...1,2 мм, трехвальное калибрующее устройство с тянущим

узлом (диапазон регулирования скорости 0...10 м/мин) и барабаном для намотки ленты, циркуляционный термостат АС 200-А40 с теплоносителем ПМС 10 для нагрева калибрующих валков приемного устройства (диапазон регулирования 50...120 °С).

Рис. 2 - Внешний вид экструзионной линии для производства пластины с плоскощелевой головкой и приемным устройством в процессе производства ленты из пятикомпонентного композита толщиной 0,25 мм, шириной 100 мм.

о о о о

Рис. 3 - Технологические параметры процесса экструзии при производстве пластины из гранулята пятикомпонентного композита

При производстве ленты из термопластичного композита температура калибрующих валков составляла 110 °С, скорость экструзии 2 м/мин, ширина ленты 100 мм, толщина - 1,2 ± 0,02 мм. Остальные параметры техпроцесса представлены на рис. 3.

Для проведения физико-механических испытаний неориентированных образцов на растяжение на гидравлическом прессе Gibitre формовались из гранулята композита пластины размером 200*200*1,2 мм, из которых вырубали стандартные образцы (полоски размером 150*15 мм) в количестве 5 шт.

Для проведения физико-механических испытаний на растяжение из сформованной ленты вырубали штанцем по 5 стандартных образцов (полосок размером 150*15 мм) вдоль и поперек ориентации (направления экструзии).

Плотность композитов определяли на плотномере H-200L со сверхвысоким разрешением 0,001 г/см3 по ГОСТ 15139 - 69.

Значения водопоглощения образцов определяли по ГОСТ 4650 - 80 (метод А, выдержка в воде в течение 24 часов).

Физико-механические испытания подготовленных образцов проводили на разрывной машине иЛ1-7000 М при температуре 23 ± 2 °С и скорости движения зажимов 1 мм/мин. Предел прочности и модуль упругости при растяжении вычислены по ГОСТ 11262 - 80 и ГОСТ 9550 - 81.

Обсуждение результатов

В табл. 1 представлены полученные результаты испытаний для ориентированных (полученных методом плоскощелевой экструзии) и неориентированных (полученных прессованием гранулята) образцов вышеописанного

пятикомпонентного композита.

Из табл. 1 видно, что заметно лучшие упруго-прочностные характеристики имеют

экструдированные образцы, вырубленные вдоль направления экструзии. Данный эффект объясняется ориентацией макромолекулярных цепей и анзотропного наполнителя вдоль направления экструзии (течения).

Таблица 1 - Физико-механические характеристики исследуемого композита

Показатели Прессо Экструзия

вание Вдоль Поперек

Предел прочности при растя- 22,6±0,9 28,5±1,1 23,1±0,8

жении, МПа

Модуль упругости при растяжении, МПа 2200± 140 2440± 160 2250± 170

Относительная

деформация при 1,5±0,2 7,8±0,1 1,9±0,1

разрыве, %

Плотность, 1175±85 1190±70

кг/м3

Влагопоглоще- 1,4±0,2

ние за сутки, %

Важным показателем композитов является их плотность [6], которая сказывается на эксплуатационных характеристиках, в частности, на влагостойкости. Из полученых результатов следует, что при экструзионном способе изготовления изделий наблюдается заметное уплотнение материала. Это обусловлено тем, что в зоне входа в плоскощелевую головку создается существенно более высокое давление - 33,6 МПа (рис. 3) по сравнению с давлением в пресс-форме (2,5...3 МПа) при компрессионном формовании. Кроме того компаундирование компонентов на двухшнековом экструдере с получением гранулята сопровождалась вакуумным отсосом летучих веществ, что также существенно сказывается на плотности композитов.

Дополнительная операции калибрования при температуре 110 °С позволяет кроме выравнивания

толщины придать поверхностям пластины глянец и устранить бугорчатый микрорельеф, образующийся на выходе из экструзионной головки. Значительно различающиеся ширина и толщина пластины определяют высокое гидравлическое сопротивление головки, приводящее к значительному диссипативно-му разогреву экструдируемого расплава полимера. Эти факторы создают значительные технологические проблемы при производстве тонкостенных изделий из композиционных материалов.

Заключение

Таким образом, совокупность полученных данных позволяет обоснованно заключить, что эффекты макромолекулярной ориентации полимерного связующего и анизотропных частиц мелкодисперсного растительного наполнителя, реализующиеся при экструзионном способе производства тонкостенных изделий из термопластичных композитов, способствуют существенному улучшению их физико-механических свойств.

Литература

1. Кузьмин А.М. Производство термопластичных композиционных материалов на основе растительных отходов АПК / А.М.Кузьмин, В.Н. Водяков // Техника и оборудование для села. - 2015. - №1. С. 26-29.

2. Кузьмин А.М. Влияние минеральных наполнителей на эксплуатационные и технологические характеристики термопластичных композиционных материалов на основе от-

ходов АПК / А.М. Кузьмин, В.Н. Водяков, Т.В. Ошина // Техника и оборудование для села. - 2015. - №8. С.6-12.

3. Кузьмин А.М. Получение термопластичных композиционных материалов на основе растительных отходов АПК компаундированием компонентов на двухшнековом лабораторном экструдере Rheomex PTW16 / А.М. Кузьмин, В.Н. Водяков, В.В. Кузнецов // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: межвуз. сб. науч. трудов. - Саранск: изд-во Мордов. ун-та. 2014. С. 2028.

4. Пат. № 2580699 РФ МПК C08L97/00, C08L97/02 Полимерная композиция / В.Н. Водяков, А.М. Кузьмин, Т.В. Ошина; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарева». - № 2014151286/05; заявл. 17.12.2014, опубл. 10.04.2016. Бюл. 10.

5. Файзуллин И.З. Особенности производства изделий из древесно-полимерных композитов / И. З. Файзуллин, И. Н. Мусин, С. И. Вольфсон // Вестник технологического университета. - №3. - Т. 18. - 2015. С. 130-133

6. Клесов А.А. Древесно-полимерные композиты [пер. с англ.] / А.А. Клесов. СПб.: Изд-во НОТ, 2010. С. 736.

7. Кузьмин А.М. Технологический процесс изготовления ленты из термопластичного композиционного материала с применением плоскощелевой головки / А.М. Кузьмин, В.Н. Водяков, И.В. Кирдяшкин // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: межвуз. сб. науч. трудов. - Саранск: изд-во Мордов. ун-та. 2016. С. 405-410.

8. Кузьмин А.М. Модификация термопластичных композитов с растительным наполнителем минеральными токодис-персными частицами / А.М. Кузьмин, В.Н. Водяков, Е.А. Котина // Вестник технологического университета. - №2. - Т. 20. - 2017. С. 74-77.

© А. М. Кузьмин, к. т. н., ст. препод. каф. механизации переработки с/х продукции ФГБОУ ВО « НИ МГУ им. Н.П. Огарёва», kuzmin.a.m@yandex.ru; В. Н. Водяков, д. т. н., проф. каф. механизации переработки с/х продукции ФГБОУ ВО « НИ МГУ им. Н.П. Огарёва», vnvod@mail.ru.

© А. М. Kuzmin, candidate of technical science, assistant professor department of processing of agriculture production of Ogarev Mordovia State University, kuzmin.a.m@yandex.ru; V. N.Vodyakov, doctor of technical science, professor of department of processing of agriculture production of Ogarev Mordovia State University, vnvod@mail.ru.