Физико-механические и технологические свойства полиэтилена марки ПЭ80Б, содержащего наношпинель магния

Проведенными исследованиями установлено, что наношпинель магния не оказывает существенного влияния на технологические свойства расплава полиэтилена марки ПЭ80Б. Однако ее введение приводит к снижению физико-механических показателей полимера на фоне повышения его износостойкости.

Ключевые слова: полиэтилен трубной марки, наношпинель магния, термостабилизатор, показатель текучести расплава, предел текучести при растяжении, относительное удлинение при разрыве, износостойкость.

В настоящее время полиэтилен является самым распространенным полимерным материалом для изготовления труб различного функционального назначения (газопроводы, водопроводы и пр.). Полиэтилен — достаточно прочный и износостойкий материал [1].. Однако для эксплуатации полиэтиленовых труб в экстремальных климатических условиях Севера России, для которого характерны низкие температуры с большими амплитудами суточных перепадов, пучение мерзлых грунтов и т. д., существующий уровень свойств недостаточно высок.

Технология модифицирования полимеров позволяет значительно расширить пределы эксплуатационных параметров композиционных материалов на их основе. Ряд работ проведенных в Институте проблем нефти и газа СО РАН показал перспективность применения наношпинели магния для повышения физико-механических и триботехнических свойств таких термопластичных полимеров как политетрафторэтилен и сверхвысокомолекулярный полиэтилен [2–5].

В работе для модификации выбран трубный полиэтилен марки ПЭ80Б (ПЭ), в состав которого входят полиэтилен ПЭ80, а также термостабилизатор — Irganox В225FF в количестве 0.27 %. В качестве нанонаполнителя использована нанодисперсная шпинель магния, синтезированная в Институте твердого тела и механохимии СО РАН (размер частиц 10.8 нм и удельная поверхность 72.4 м²/г).

Композиции были получены на лабораторных вальцах путем последовательного введения в расплав базового ПЭ термостабилизатора (0,25 мас. %) и модифицирующих добавок в количестве 0,05, 0,1, 0,5 и 1,0 мас. %.

Смешение, прессование, исследования ПТР и плотности образцов полиэтиленов с волокнами проведены в центральной лаборатории объединения (ЦЛО) ОАО «Казаньоргсинтез».

Для обеспечения стабилизации полимера при переработке предпочтительно добавлять термостабилизаторы на ранних стадиях термического процесса. В процессах переработки полимерных композиций экструзией и литьем под давлением разрушение материала под воздействием температуры приводит к изменению окраски изделия, наличию пузырей. При «подгорании» полимерной массы в процессе переработки происходит частичное сшивание, в результате чего вязкость расплава увеличивается.

Таким образом, применение термостабилизатора позволяет сохранить исходные свойства полимерных материалов. Кроме этого, термостабилизатор оказывает влияние на технологические режимы переработки и эксплуатационные характеристики готовых изделий.

Композиты получали путем последовательного введения в расплав базового ПЭ термостабилизатора и модифицирующей добавки. Для выявления термостабилизирующих способностей шпинели магния также изготавливались композиции без Irganox В225FF. Переработку проводили по стандартной методике переработки полиэтиленов марки ПЭ80 (ГОСТ 16338–85).

Испытания на абразивный износ производилось на машине АР-40 по ГОСТ 23509–79. Испытательная машина состоит из следующих частей:

-          вращающегося цилиндра диаметром 150–170 мм, предназначенного для крепления на нем шлифовальной шкурки. Окружная скорость поверхности цилиндра составляет 0,30±0,05 м/с;

-          патрона для съемного держателя с закрепленным в нем образцом;

-          нагружающего устройства, обеспечивающего приложение нагрузки 1 кгс перпендикулярно истирающей поверхности;

-          механизма, обеспечивающего равномерное перемещение патрона вдоль образующей цилиндра;

-          устройства, обеспечивающего плотное закрепление шлифовальной шкурки на боковой поверхности цилиндра (без вздутий и перекосов);

-          продольной планки;

-          специального устройства, поднимающего патрон при переходе образца к планке и опускающего его без удара после прохождения планки.

При испытании образец, зажатый в патрон, истирается по шкурке, натянутой на барабан, причем при вращении барабана патрон перемещается подобно резцу токарного станка так, что истирание происходит все время по свежей поверхности шкурки. Такая траектория избрана потому, что абразивная способность снижается вследствие скольжения образца пластмассы по шкурке, уже засоренной продуктами износа. Значения износа определялись как разность массы образца до истирания и после.

В табл. 1 приведены значения физико-механические (плотность, прочность при растяжении, предел текучести при растяжении, относительное удлинение) и технологические свойства исследованных композитов (показатель текучести расплава).

Таблица 1

Физико-механические и технологические свойства полиэтилена марки ПЭ80Б, модифицированного шпинелью магния

ПТР_х — показатель текучести расплава при нагрузке Х кг, ПТР_21.6/ПТР₅ — соотношение показателей текучести расплава при нагрузке 5 и 21.6 кг, σ_т — предел текучести при растяжении, σ_р — прочность при разрыве, ε — относительное удлинение при разрыве.

Таблица 2

Плотность и износостойкость полиэтилена марки ПЭ80Б, модифицированного шпинелью магния

ρ — плотность

Исследование влияния шпинели магния на технологические свойства полиэтилена показало, что введение данного наполнителя в ПЭ не оказывает существенного влияния на показатель текучести расплава, в то время как у композитов без стабилизатора показатель текучести расплава снижается практически в 2 раза. Таким образом, термостабилизирующей способности шпинель магния не проявляет.

Прочность при разрыве и относительное удлинение при введении шпинели снижается с увеличением концентрации наполнителя, а предел текучести при растяжении практически не изменяется. Такой характер изменения физико-механических характеристик вероятно можно объяснить агломерированием частиц наполнителя, что приводит к формированию в композите дефектных областей — пор и пустот. Кроме того, увеличение показателя ПТР_21,6/ПТР₅ свидетельствует об усилении процесса сшивки полимерных цепей полиэтилена, что также вносит свой вклад в снижение относительного удлинения композитов при разрыве.

На фоне снижения физико-механических показателей наблюдается увеличение плотности и износостойкости исследованных композитов (табл. 2). Так, даже с учетом небольших степеней наполнения, плотность возрастает с 0.9375 до 0.9527 г/см³. Так как плотность является косвенной характеристикой сил межмолекулярного и адгезионного взаимодействия в системе полимер-наполнитель, можно заключить, что введение в полимерную матрицу выбранной добавки приводит к уплотнению структуры полимера в композите. Данное заключение подтверждается исследованием износостойкости композитов. Введение 1,0 мас. % шпинели магния в полиэтилен приводит к повышению исследуемого показателя на 13 %.

Таким образом, проведенными исследованиями установлено, что наношпинель магния не оказывает существенного влияния на технологические свойства расплава полиэтилена марки ПЭ80Б. Однако ее введение приводит к снижению физико-механических показателей полимера на фоне повышения его износостойкости. Т. е. дальнейшие исследования следует направить на поиск дополнительного модифицирующего агента полимерной матрицы, который поспособствует увеличению прочностных показателей ПЭ. Кроме того, следует рассмотреть другие технологические возможности воздействия на наполнитель для усиления его воздействия на полимерную матрицу, в том числе прием механоактивации.

Литература:

1.                  Ярулин Р. С., Сабиров Р. К., Вольфсон С. И., Кимельблат В. И. Полиэтилен: производство, рынок и перспективные направления переработки. — Казань, изд-во «Экс-пресс», 2003–192 с.

2.                  Охлопкова А. А., Петрова П. Н., Гоголева О. В. Полимерные композиционные материалы триботехнического назначения на основе полиолефинов и наношпинелей переходных металлов // Мат. науч.-практ. конф. «Химия — XXI век: новые технологии, новые продукты».- Кемерово.-2005.- С.184–186.

3.                  Охлопкова А. А., Петрова П. Н., Гоголева О. В. Полимерные триботехнические материалы на основе полиолефинов и наношпинелей переходных металлов // Материалы XXV межд. конф. «Композиционные материалы в промышленности. Славполиком».- Ялта, 2005.- С. 395–398.

4.                  Охлопкова А. А., Петрова П. Н., Гоголева О. В. Разработка полимерных триботехнических материалов на основе СВМПЭ и нанодисперсных соединений // Журнал «Наука и образование».-2006.-№ 1.-С.78–82.

5.                  Гоголева О. В. Разработка трибогтехнических нанокомпозитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, смесей фторопластов и шпинели магния, меди, кобальта. Дис. канд, техн. наук. — Комсомольск-на-Амуре — 2009. — 111 с.