Влияние наноглин на эксплуатационные свойстваполиэтиленовых монопленок

УДК 678.05

Э.Н. Митюкова, В. Ю. Самородская, Н.М. Чалая, B.C. Осипчик

Российский Химико-Технологический Университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ВЛИЯНИЕ НАНОГЛИИ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ МОНОПЛЕНОК

Изучено влияние наноглин на эксплуатационные характеристики полиэтиленовых монопленок, входящих в состав многослойного материала. Показана целесообразность модификации полиэтилена наноглинами с целью увеличения прочностных показателей.

The influence of nanoclay on the technological characteristics of polyethylene monofilms included in the multilayer material was studied. The efficiency of nanoclay modification of PE to increase the strength characteristics has shown.

Многослойные полимерные пленки нашли широкое применение в различных отраслях современной промышленности. В этой связи придание пленкам новых эксплуатационных свойств является важной задачей. Как правило, такие пленки состоят из высокопрочного полимерного слоя и полиолефинового - термосвариваемого, это позволяет получать из материала сварные конструкции, что обеспечивает изделию герметичность. В этой связи свойства полиолефинового слоя (полиэтилена, полипропилена и их сополимеров) в значительной степени определяют свойства многослойной пленки [1].

Влияние наноразмерных наполнителей на основе слоистых алюмосиликатов на свойства полимеров вызывает большой интерес среди исследователей. Это обусловлено тем, что в ряде научных работ [2, 3] показано значительное улучшение физико-механических свойств при введении в полимерную матрицу небольшого количества (до 5 масс.%) органомодифицированного монтмориллонита. Основная проблема использования органобентонита (ОБ) как эффективного модификатора связана с трудностью распределения его в расплаве полимера. При этом отмечается положительная роль компатибилизатора - олигомера с привитыми полярными группами. В качестве привитых групп используется малеиновый ангидрид[4].

Целью данной работы являлось изучение влияния наноглин на физико-механические свойства полиэтиленовых монопленок и определение практической значимости процесса введения наноглин в полимерную матрицу. Полученные полиэтиленовые пленки с использованием нанодобавок предполагается использовать в составе многослойного полимерного материала.

В качестве объектов исследования были выбраны ПЭВД марок 11503-070 (ПТР190«с/2Д6 кг=7,1 гр/10 мин) и 15803-020 (ПТР^шдб кг=2,2 гр/10 мин), как наиболее часто применяемые в термосвариваемых слоях. При проведении эксперимента нами были использованы следующие наноглины:

- органомодифицированный монтмориллонит BS-1 фирмы CROSSTONE;

органобентонит (ОБ-А) фирмы «Консит-А»; Cloisite 20B (С20В) фирмы Southern Clay Products.

Технические характеристики наноглин представлены в таблице 1

Характеристика

Степень дисперсности,

Табл. 1. Характеристики наноглин

ОБ-А С20В BS-1

мкм

Насыпная плотность, г/см3

20

0,75

13

1,9

15

1,75

Модификатор

Диалкилдиметил аммоний хлорид, где R- C16-C18

Диалкилдиметил аммоний хлорид, где R- C14-C18

Диалкилдиметил аммоний хлорид, где R- C16-C18

В качестве компатибилизатора был выбран FusabondMB226D фирмы Dupont, который представляет собой полиэтилен (ПЭ) с высоким содержанием малеинового ангидрида ( до 0,9 масс.%), ПТР19о°С/2,16 кг=1,5 гр/10 мин. Также в композиции были добавлены: диспергатор -кремнийограническое масло И-685 и термостабилизатор - Irganox 1010.

Для лучшего распределения добавки в полимерной матрице введение наноглин в расплав полимера осуществлялось с помощью предварительно полученных суперконцентратов. Суперконцентраты получали на двухшнековом экструдере SINO-ALLOY MACHINERY INC. PSM 30 (L/D=40). Исследование суперконцентратов на основе полиэтиленов (ПЭ) марок ПЭВД 11503-070 и ПЭВД 15803-020 с разным процентным содержанием органобентонита (от 5 до 30масс.%) показало, что наблюдается равномерное распределение суперконцентрата в полимерной матрице даже при его введении 30 масс.%. Поэтому при дальнейших исследованиях применялось 30%-ное наполнение суперконцентрата.

Образцы пленок на основе ПЭ и суперконцентратов получали на плоскощелевом лабораторном экструдере Brabender (L/D=25). Содержание органобентонитов BS-1, ОБ-А и С20В варьировалось от 1 до 5 масс.%. Для изучения влияния компатибилизатора на распределение органобентонита в полимерные матрицы, содержащие 2 масс. % ОБ-А и С20В, было введено 3 масс.% добавки Fusabond.

Влияние введения в ПЭ матрицу органобентонитов оценивалось по изменению физико-механических характеристик.

Как видно из данных, приведенных на рис.1, прочность при растяжении образцов с BS-1 и ПЭВД 11503-070 в продольном направлении практически не изменяется, а при повышении концентрации более, чем 3 масс.%, даже наблюдается тенденция к снижению. В поперечном направлении отмечено значительное увеличение прочности в два раза при содержании ОБ 2 масс.%.

Рис. 1. Зависимость прочности при растяжении в продольном и поперечном направлениях от содержания органобентонита Б8-1

При изучении влияния содержания ОБ на сопротивление раздиру ПЭ пленок (рис. 2) был обнаружен значительный рост этого показателя в продольном и поперечном направлениях, наибольшее значение достигается при наполнении 2 масс.% ОБ.

Рис. 2 Зависимость сопротивленияраздирув продольном и поперечном направлениях от содержания органобентонита В8-1

При использовании в качестве полимерной матрицы ПЭ марки

15803-020 значительного увеличения прочностных показателей не

наблюдалось (рис. 3).

поперечное направление

, я 8,00 и

: 5- 7,50

ь 5

о I 7,00 ч *

о Й 6,50 а

6,00

\

-\

содержание органобентонита, масс.%

- ПЭ и органобентонит ОБ-А -— ПЭ и органобентонит С20В

16,00 п

15,00 -

2 г

С 14,00 -

Л

о 5 X 13,00 -

х *

о 1- 12,00 -

с п

а 11,00 -

10,00 -

продольное направление

содержание органобентонита. масс.%

- ПЭ и органобентонит ОБ-А ПЭ и органобентонит С20В

9,00

8,50

0

2

3

4

5

6

0

2

3

5

Рис.3. Зависимости прочности при растяжении в продольном и поперечномнаправлениях от содержания органобентонитов С20В и ОБ-А

Испытания на сопротивление раздиру показали увеличение данного показателя. Такое увеличение наблюдалось для образцов ПЭНД 15803-020 и органобентонитов ОБ-А и С20В, значения которых представлены на рис. 4. Для композиций на основе ПЭНД 15803-020 наибольшие значения достигаются при наполнении 5 масс.%.

5 10 г

о

6 8

6

12 3

Содержание органобентонита, мае. %

—ПЭ и органобентонит С20В И ПЭ и органобентонит ОБ-А

£ £

X 50,00

продольное направление

12 3 5

Содержание органобентонита, мае. %

-ПЭ и органобентонит С20В и ПЭ и органобентонит ОБ-А

Рис. 4. Зависимость сопротивления раздиру от содержанияорганобентонитов ОБ-А и С20В в продольном и поперечном направлениях

Нами также было изучена эффективность использования компатибилизатора при наполнении полимерной матрицы наноглинами. На рис. 5 представлены значения сопротивления раздиру и прочности при растяжении в поперечном направлении для образцов, содержащих 2 масс.% ОБ-А и С20В и с добавлением 3 масс.% БшаЬопё.

Сопротивление к раздиру

Прочность при растяжении

ИПЭ + 2 масс.% С20В  ПЭ+2 масс.% ОБ-А

10,00

¡9,00

¡8,00

?7,00 и

&6,00

о.5,00

^4,00

§3,00

х2,00 о

£1,00

0,00

ПЭ+2 масс.%С20В+Змасс.% РиэаЬопс!

ПЭ+2 масс.% ОБ-А + З масс.% РизаЬопс!

8 ПЭ и 2 масс.% С20В И ПЭ и 2 масс.% ОБ-А

О ПЭ и 2масс.% С20В и Змасс.%РизаЬопС. Н ПЭ и 2 масс.% ОБ-А и Змасс.%РизаЬоп!.

Рис. 5. Значение сопротивления раздиру пленок и прочности при растяжениипри содержании 2% органобентонита ОБ-А и С20В и с добавлениемЗ масс.% ЕшаЬо^

Как видно из представленных диаграмм, добавление олигомера с привитыми малеиновыми группами увеличивает показатели сопротивления раздиру и прочности при растяжении.

Важным технологическим показателем является прочность сварного шва. На рис. 6 представлена зависимость прочности сварного шва от содержания органобентонита ББ-1. Как видно из представленного графика, прочность сварного шва увеличивается с содержанием наполнителя и достигает максимально значения при наполнении ОБ в количестве 2 масс.%.

Рис. 6. Зависимость прочности сварного шва от содержания органобентонита BS-1

В работе показана целесообразность использования наноглин в качестве модификатора с целью увеличения прочностных показателей полиэтиленовых пленок, а также прочности сварного шва, который является важным технологическим параметром. Достигнуто увеличение сопротивления раздиру при наполнении полимера органо-модифицированным монтмориллонитом более, чем в два раза по сравнению с исходной полиэтиленовой пленкой. Из представленных данных видно, что увеличение значений сопротивления раздиру при введении наноглины в полимерную матрицу наиболее эффективно в полимере с более низкой вязкостью. При увеличении вязкости полимера данный показательснижается, что связанно с потерей подвижности макромолекул.

Показана эффективность использования малеинизированного полиэтилена для улучшения распределения органобентонита в полимерной матрице. Высокая полярность малеиновых групп в полиэтилене увеличивает совместимость глины с неполярным полимером[5]. Вероятно, введение малеинизированного полиэтилена эффективно сказывается на изменение подвижности макромолекул и увеличивает интеркаляцию полимерных молекул в межслоевое пространство слоистого силиката

Библиографические ссылки:

1. Под ред. Г. Е. Заикова. Полимерные пленки. М., из-во «Профессия». 2005. 78-104

2. Clois E. Powell, Gary W. Beall. Physical Properties of Polymer/Clay Nanocomposites. Polymer Science. (2004), 92(1), 638-646

3. P. Kiliaris, C.D. Papaspyrides. Polymer/layered silicate (clay) nanocomposites. Progress in Polymer Science. 35. (2010). 902-958

4. Byeong Uk Nam • Younggon Son. Evaluations of PP-g-GMA and PP-g-HEMA as a compatibilizer for polypropylene/clay nanocomposites Polym. Bull. (2010). 65. 837-847

5. Lofez-Quintanilla ML, Sanchez-Valdes S, Ramos De Valle LF, Medellin-Rodriquez FJ. Effect of some compatibilizing agents on clay dispersion of polypropylene-clay nanocomposites. Polymer Science. (2010). 100.4748-4756