Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор 10
1.1. Характеристика ПКМ на основе термопластов. 10
1.2. Критерии выбора наполнителей для термопластов 15
1.2.1. Физико-химические свойства дисперсных минеральных наполнителей для полипропилена 20
1.2.2. Свойства охры 24
1.3. Влияние дисперсных наполнителей на физико-химические свойства ПКМ 27
1.3.1. Технологические свойства ПКМ 29
1.3.2. Эксплуатационные свойства ПКМ 35
1.4. Получение и методы переработки ПКМ 38
Выводы по литературному обзору 39
Глава 2. Объекты и методы исследования 41
2.1. Объекты исследования 41
2.2. Исследование свойств охры 42
2.3. Приготовление композиций на основе полипропилена с охрой 43
2.4. Изготовление образцов методом литья под давлением 44
2.5. Исследование строения и свойств ПКМ 45
2.5.1. Термический анализ 45
2.5.2. Рентгеноструктурный анализ литьевых изделий из ПП и ПКМ 46
2.5.3. Определение качества смеси 46
2.5.4. Определение реологических характеристик и энергии активации вязкого течения 48
2.5.5. Определение теплофизических характеристик 49
2.5.6. Определение физико-механических характеристик 52
2.6. Обработка результатов эксперимента 53
Глава 3. Исследование свойств охры 54
3.1. Исследование свойств исходной охры 54
3.2. Термический анализ охры 58
3.3. Свойства термообработанной охры 60
3.4. Оценка взаимодействия ГШ и охры 62
3.5. Исследование теплофизических свойств охры 63
Глава 4. Исследование свойств ПКМ на основе полипропилена с минеральным наполнителем охрой 65
4.1. Определение технологических свойств ПКМ 65
4.1.1. Исследование физических свойств ПКМ 65
4.1.2. Исследование реологических характеристик ПКМ 67
4.1.3. Исследование поведения ПКМ при повышенных температурах 74
4.1.4. Исследование теплофизических свойств ПКМ 79
4.2. Исследование структуры ПКМ 81
4.3. Исследование эксплуатационных свойств ПКМ 87
Основные результаты и выводы 91
Список использованной литературы 93
- Физико-химические свойства дисперсных минеральных наполнителей для полипропилена
- Приготовление композиций на основе полипропилена с охрой
- Свойства термообработанной охры
- Исследование поведения ПКМ при повышенных температурах
Введение к работе
Современный уровень развития промышленности предусматривает постоянный поиск новых полимерных материалов, свойства которых могли бы изменяться в зависимости от требований, предъявляемых к эксплуатационным характеристикам готового изделия (негорючесть, электропроводность, теплопроводность и т. д.)- Введение в полимеры наполнителей различной природы и свойств позволяет более полно удовлетворить конкретные требования потребителей, так как методом наполнения можно "конструировать" полимерный материал с заданным набором эксплуатационных свойств. В связи с этим производители полимерных изделий разрабатывают новые рецептуры полимерных композиционных материалов (ПКМ). Особенно интенсивно в последнее время ведутся разработки по созданию ПКМ с минеральными дисперсными наполнителями на основе термопластов. Введение минерального компонента в полимер позволяет решать ряд материаловедческих (повышение прочности, жесткости, теплостойкости и т. д.), технологических (регулирование вязкости расплава и его термостабильности) и экономических задач [1, 2].
Проведенный анализ применения наполненных полимеров показывает, что эффективным направлением в производстве ПКМ на основе термопластов является замена дорогих полимерных матриц (полиамидов, полиацета-лей, термопластичных полиэфиров, модифицированного полифенилансуль-фида) более дешевыми крупнотоннажными полимерами (полиэтилен, полиформальдегид). Причиной замены является снижение стоимости ПКМ.
Ведущее место в ряду наполненных термопластов занимают композиционные материалы на основе полипропилена [3-8]. ПП обладает комплексом ценных потребительских свойств (физико-механических, теплофизиче-ских, электрических), а также хорошо перерабатывается в изделия традиционными методами (литье под давлением, экструзия, вальцевание, прессова-
ниє) [9]. ПКМ на его основе широко используются в машино- и приборостроении [10-16].
Между тем, имеющийся на отечественном рынке ассортимент минеральных наполнителей, используемых в промышленных масштабах для создания ПКМ на основе ПП, ограничен и не может удовлетворить постоянно растущие требования потребителей. Ряд наполнителей, успешно прошедших лабораторные испытания (полевой шпат, волластонит), не могут широко использоваться по техническим причинам, учитывая их высокую твердость (4,0-5,5 по шкале Мооса) и абразивность [17]. Применение таких наполнителей приводит к интенсивному износу рабочих частей компаундирующего оборудования - корпусов, шнеков, фильер, ножей. Поэтому поиск эффективных отечественных наполнителей природного происхождения, имеющих большую сырьевую базу, доступность, низкую стоимость, является актуальным.
Перспективным минеральным сырьем для создания ПКМ на основе термопластов является охра [18, 19].
Известно, что ПКМ, содержащие минеральный наполнитель, являются гетерофазными системами, свойства которых определяются характеристиками и содержанием полимера, наполнителя, а также характером взаимодействия на границе раздела фаз полимер - наполнитель. Имеющиеся в литературе данные по свойствам наполнителей и способам расчета физико-химических характеристик ПКМ относятся только к широко известным минеральным дисперсным порошкам (тальк, мел, каолин).
Свойства охры как наполнителя для полимеров, характеристики ПКМ на ее основе не изучены. В связи с этим исследование свойств охры и взаимодействия минерального наполнителя с полимерной матрицей позволит получить новые данные, анализ которых даст возможность определить эффективность наполнителя, а также область применения ПКМ.
Целью работы является создание новых композиционных материалов на основе ПП и охры, исследование их физико-химических свойств.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы задачи исследования:
исследовать физико-химические свойства охры, исходя из требований, предъявляемых к наполнителям для термопластов;
изучить влияние охры на технологические свойства (физические, реологические, теплофизические, термохимические) ПКМ с целью определения метода переработки композиций;
изучить влияние охры на эксплуатационные свойства изделий из ПКМ (физические, прочностные, структурные характеристики) для определения области эксплуатации изделий.
Научная новизна работы заключается в следующем:
впервые получены результаты систематического исследования свойств охры как наполнителя для ПП;
показано, что после применения предложенного в работе режима термообработки охра улучшает свои технологические свойства как наполнитель;
изучено влияние термообработанной охры на комплекс технологических и эксплуатационных характеристик ПКМ на основе ПП;
изучено влияние охры на степень кристалличности и размеры надмолекулярных образований ПП в изделиях.
Научные положения, выносимые на защиту:
термическая обработка изменяет физико-химические свойства охры, что дает возможность использовать ее в качестве наполнителя для ПП;
введение охры в ПП приводит к изменению плотности, вязкости, температуропроводности, теплоемкости, термостабильности, что позволяет регулировать технологические свойства ПКМ, выбирать оптимальный режим переработки с минимальными энергозатратами;
степень кристалличности и размеры надмолекулярных образований ПП
в изделиях зависят от содержания охры;
эксплуатационные свойства ПКМ зависят от содержания наполнителя.
Практическая значимость работы заключается в том, что получен
ные физико-химические свойства ПКМ на основе ПП с охрой служат осно
вой для расчета технологических параметров процессов переработки (литьем
под давлением, экструзией) материала в изделия. Определены составы ком-
позиций в зависимости от области применения. Разработаны технические ус
ловия на ПКМ на основе ПП с охрой, в соответствии с которыми выпущена
на ООО «РЕАЛ-ПЛАСТИК и К» (г. Кемерово) опытная партия изделий из
композиционного материала с содержанием охры3оо 5 и 11 % (об.). Введение
в ПП более 5 % (об.) позволяет снизить стоимость изделий из ПКМ. Резуль
таты диссертации внедрены в учебный процесс в виде методических разра
боток, применяющихся при обучении студентов специальности «Технология
переработки пластических масс и эластомеров».
Личный вклад. Автором определены физико-химические свойства охры и ПКМ на основе ПП с охрой и разработаны составы композиционных материалов; исследовано влияние содержания охры на свойства ПКМ на основе ПП; установлены режимы термообработки охры для использования ее в качестве наполнителя ПП; доказана эффективность использования охры в качестве наполнителя для ПП.
Апробация работы. Материалы работы представлялись на Кузнецкой ярмарке (10-14 мая, 1995 г.) «Деловой Кузбасс» и награждены «Большой золотой медалью» за оригинальную разработку по использованию минерального сырья Кузбасса в производстве экологически чистых полимерных композиций.
Результаты работы представлены и обсуждены на Международных научно-практических конференциях «Химия - XXI век: Новые технологии. Новые продукты» (Кемерово, 2002, 2004, 2006 гг.); XXXVIII международной
научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск, 2000); региональной научно-практической конференции «Полифункциональные химические материалы и технологии» (г. Томск, 2000); научно-практической конференции Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 2005,2006 гг.)
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 12 научных работах.
Физико-химические свойства дисперсных минеральных наполнителей для полипропилена
В научной литературе дана подробная классификация дисперсных минеральных наполнителей для термопластов, их свойства, а также рекомендации по их функциональному применению [26, 30]. Рассмотрим широко применяемые дисперсные наполнители для создания ПКМ на основе ПП: - асбест (хризотиловый) (сильно гидратированный силикат магния (М КОН ігОбЬ)), имеет вид волокнистого порошка с различной длиной волокон. Асбест используется как усиливающий наполнитель для ПП, прида вая изделиям повышенный модуль упругости при изгибе, увеличивает тепло стойкость, одновременно снижая термический коэффициент расширения. К недостаткам при наполнении асбестом следует отнести уменьшение ударной вязкости ПКМ; придание изделиям более темного цвета, что требует допол нительного введения различных добавок; пониженную текучесть расплава ПП с большим содержанием асбеста, что вызывает необходимость повыше ния температуры литья в среднем на 10-15 С; токсичность. - мел (карбонат кальция СаСОз), благодаря низкой твердости, стабиль ности свойств в широком интервале температур, нетоксичности, простоте ре гулирования распределения частиц по размерам широко используется для создания ПКМ, в том числе и на основе ПП. Полярность и высокая реакци онная способность карбоната кальция обусловливает ряд его недостатков: выделение диоксида углерода и образование растворимых солей при дейст вии кислот; слабый усиливающий эффект по сравнению с другими наполни телями вследствие тригональной кристаллической структуры; необходимость дополнительной термообработки при изготовлении материалов, к которым предъявляются повышенные требования по влагостойкости, так как содержание влаги даже в очищенном карбонате кальция обычно составляет 0,06-0,20 %. ПКМ на основе ГШ с карбонатом кальция имеют более низкую жесткость, модуль упругости при изгибе, теплостойкость по сравнению с КМ, наполненными тальком или асбестом; - каолин (гидратированный силикат алюминия АЬОз-БіОг НгО), легко диспергируется в полимерной матрице, особенно в присутствии диспергирующих агентов или ПАВ. На практике используют каолин двух основных типов - природный каолин, содержащий гидратную воду, и прокаленный, обезвоженный, каолин. Частицы каолина относительно больших и средних размеров состоят из нескольких пластинчатых чешуек, соединенных между собой. Наиболее мелкие фракции представляют собой единичные тонкие пластинчатые чешуйки. Каолин, содержащий гидратую воду, является неабразивным, химически стойким наполнителем. Композиции ГШ с каолином имеют хороший внешний вид, повышенную теплостойкость, жесткость, стойкость к растрескиванию и твердость. Однако введение каолина в ПП приводит к понижению ударной вязкости и морозостойкости; - тальк (3MgO4Si02 H20, теоретически он содержит 31,7 % MgO, 63,5 % SiC 2 и 4,8 % Н2О; состав реального минерала обычно отличается от теоретического и зависит от его месторождения), обладает низкой сорбцион-ной способностью, имеет низкую твердость; введение талька улучшает текучесть ПП, повышает механические свойства (упругость, прочности на изгибе, ударную прочность). Кроме того, тальк увеличивает сопротивляемость ПП электричеству, снижает литьевую усадку и улучшает качество поверхности изделий. Однако тальк снижает ударопрочность полимера и сравнительно дорог; - слюда (KAl2[Al-Si3Oio](OH;F)2), повышает жесткость, прочность и термостойкость ПП. Недостаток - имеет специфический темно-коричневый цвет, который лимитирует окраску получаемой композиции. Полипропилен, наполненный слюдой, нашел широкое применение в машиностроении и в производстве бытовой техники.
Анализ данных, приведенных в табл. 1.2, позволяет отметить, что: - минимальный размер частиц имеет каолин, что приводит к минимальной рн и минимальной фтах. В сырье с малой насыпной ПЛОТНОСТЬЮ обычно содержится большое количество воздуха (для каолина 85 %, так как фтах= 15%), ухудшающего теплопроводность материала (для каолина X = 0,18 Вт/(м-К)). Низкая фтах приводит к тому, что уже при небольшом содержании каолина в ПП резко увеличивается вязкость ПКМ. Карбонат каль 23 ция, наоборот, имеет широкий интервал размера частиц, позволяет получить оптимальную упаковку частиц; - преимуществом частиц волокнистой, чешуйчатой или пластинчатой формы, по сравнению зернистой, является то, что в композиционном материале они стремятся расположиться слоями, находящимися друг над другом. Такая упаковка частиц значительно более плотная и обеспечивает перекрывание зазоров между слоями, что в свою очередь существенно повышает эксплуатационные свойства ПКМ. Так, при введении талька, каолина, асбеста и слюды модули упругости ПКМ больше, чем при введении карбоната кальция; - все применяемые наполнители для ПП имеют низкую твердость по Моосу, следовательно, оказывают незначительное влияние на абразивный износ перерабатывающего оборудования и оснастки; - плотность минеральных наполнителей превышает плотность ПП в среднем в 2,7 раза; - наполнители имеют примерно одинаковую удельную теплоемкость, равную 0,82-0,94 кДж/(кг-К), однако теплопроводность неорганических наполнителей изменяется в широких пределах 0,17-2,5 Вт/(м-К). К общим недостаткам дисперсных минеральных наполнителей относят: - самопроизвольное сцепление частиц - агломерация; - трудность регулирования адгезии к полимеру; - наличие примесей оксидов металлов, приводящих к снижению определенных характеристик, например термостойкости ПКМ; - ухудшение оптических свойств, особенно пленочных материалов; - необходимость термообработки большинства наполнителей. Между тем, в настоящее время проводятся интенсивные исследования, направленные на расширение ассортимента минеральных наполнителей для термопластов, а также на повышение их качества и конкурентоспособности [45].
Приготовление композиций на основе полипропилена с охрой
При повышенной температуре и давлении между наполнителем и полимером возможно кроме адгезионного взаимодействия - химическое (оксиды металлов взаимодействуют со свободными радикалами, образующимися при нагреве полимера), что также влияет на реологическое поведение ПКМ.
Большинство полимеров конструкционного назначения, в том числе ГШ и ПКМ на его основе, в реальных условиях эксплуатации работают, как правило, не при комнатных, а при повышенных температурах, следовательно, могут подвергаться термоокислительной деструкции. Термостойкость ненаполненного ПП зависит от степени кристалличности (с увеличением степени кристалличности скорость поглощения кислорода уменьшается). Необходимо отметить, что строение макромолекулы ПП (наличие боковой группы -СНз в элементарном звене) обусловливает способность полимера к частичной термоокислительной деструкции уже в процессе переработки (скорость поглощения кислорода ПП при температуре 150 С почти в 12 раз выше, чем у полиэтилена). Атом водорода в ПП при третичном углеродном атоме более активен и отрывается легче, чем атом водорода при вторичном углеродном атоме. В результате этого разрыв связей в полимерной цепи происходит преимущественно с переносом атома водорода. На начальной стадии окисления происходит увеличение концентрации низкомолекулярных фракций с кислородосодержащими группами: -ООН, -СООН, С=0, -ОН. В литературе имеются данные термического анализа ненаполненного ПП [75, 76]. Показано, что наиболее характерные переходы (кривые ДТА) наблюдаются при следующих температурах: 160-169 С - плавление изотактического ПП; 200-270 С - начальная стадия окисления; 375 С - окисление ПП, сопровождающееся потерей массы; 470-480 С - выделение продуктов разложения: пропилена, бутена, пентена, гексена, бутана, пентана и гексана. На термостойкость ПКМ влияют различия в термических коэффициентах расширения полимеров и наполнителей, условия получения композиций, степень кристалличности, наличие примесей, содержащихся в неорганических минеральных наполнителях, а также распределение и размер частиц. Так, оксиды алюминия (А1203), никеля (NiO) незначительно снижают термостойкость ГШ, а СиО, СигО оказывают эффективное каталитическое действие. Для повышения термостабильности ПКМ поверхность наполнителя предварительно модифицируют с целью ее гидрофобизации [77-88].
Для расчета технологических параметров процессов переработки, а также энергетических затрат перерабатывающего оборудования необходимо знать такие теплофизические характеристики (ТФХ), как теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность. ТФХ полимеров зависят от молекулярной и надмолекулярной структуры полимера, технологических параметров формования изделий, в частности температуры и давления, ориентации, вытяжки. Для наполненных полимеров на ТФХ влияют параметры, указанные выше (размер и форма частиц наполнителя, их распределение). Например, у композиций ГШ с мелом, каолином, техническим углеродом ПМ-100 (наполненные 10-70 % (масс.)) наблюдается уменьшение теплопроводности с увеличением содержания минерального наполнителя, а теплостойкость по Вика увеличивается. В литературных источниках наиболее полно рассмотрено влияние наполнителя на теплопроводность. До недавнего времени приводились модели, позволяющие описать изменения теплопроводности X от содержания наполнителя. Однако недостаток моделей в том, что они не учитывали в явном виде влияние на X неоднородности структуры ПКМ, степени дисперсности наполнителя (т. е. размеры и удельную поверхность частичек наполнителя). Кроме того, отмечено, что при одном и том же содержании наполнителя ф можно регулировать X ПКМ. Резкое увеличение А, при малых ф соответствует формованию теплопроводящих каналов благодаря агрегации частичек наполнителя, а последующее снижение X. обусловлено возникновением пустот в рыхлоупакованных агрегатах. В настоящие время разрабатываются модели, позволяющие учесть агрегацию частиц, модифика-цию физических свойств полимера на границе раздела, разрыхление связующего, например «теория протекания». Данная модель позволяет описать влияние агрегации микронеоднородностей, контактных явлений между компонентами ПКМ. Следует отметить, что имеющиеся литературные данные о ТФХ, таких как теплоемкость Ср и температуропроводность а для ПКМ с дисперсными минеральными наполнителями, в том числе и для ПП, немногочисленны и разрознены [89-92].
Исследования структуры и механических свойств дисперсно-наполненных ПКМ изложены в многочисленных публикациях [20, 21, 93-100] и дают обширную информацию о механизме разрушения и факторах, влияющих на прочностные характеристики. В зависимости от механических свойств ПКМ с дисперсными наполнителями делятся на две группы: первая ф = 0-0,3 % (об.), обладают высокими деформационными свойствами и ударной вязкостью; вторая ф = 0,3-0,7 % (об.), ПКМ с высоким модулем упругости, жесткости, однако такие композиты весьма хрупки.
Свойства термообработанной охры
В условиях получения и переработки ПКМ может находиться длительное время в перерабатывающем оборудовании (например при накопления дозы расплава в литьевой машине) под действием высоких температур. Выше было отмечено, что расплавы ПП из-за наличия в макромолекуле заместителей (-СНз) имеют повышенную склонность к термоокислительной деструкции в диапазоне температур переработки (см. п. 1.3.1). В результате деструкции, как правило, происходит нарушение стабильности свойств перерабатываемого материала (например колебание вязкости), что в свою очередь сказывается на физико-механических и электрических характеристиках изделий из ПКМ, изменении цвета, а также приводит к нестабильности показателей, получаемых в разных циклах формования. Кроме того, оксиды металлов, которые содержатся в большинстве минеральных наполнителях, в том числе и в охре, могут по-разному действовать на поведение ПКМ при повышенных температурах. Ввиду чувствительности полимерной матрицы (ПП) к термоокислительной деструкции важной характеристикой, влияющей на перераба-тываемость ПКМ на основе ПП, является термостабильность. Поэтому необходимо было определить данный параметр и оценить возможность дальнейшей переработки ПКМ на основе ПП с охройзоо- Для термопластов термостабильность определяют вискозиметрическим методом по значению ПТР [66]. Термостабильность расплава ПКМ с охрой30о определяли при температуре 250 С, полученные экспериментальные данные приведены на рис. 4.5.
Полимер считают термостабильным, если в течение времени (обычно 30 мин) ПТР изменяется не более, чем на 15-20 %, т.е. отношение ПТР1/ПТР0 лежит в интервале 0,85-0,8 Т 1,15-1,2. Как видно из рис. 4.5, ненаполненный ПП имеет значения термостабильности ниже указанного диапазона. Введение охры3оо изменяет термостабильность расплава ПКМ. При содержании наполнителя до 5 % (об.) термостабильность ПКМ с охроизоо повышается. Так, у ПП + 3,1 % (об.) охры3оо термостабильность повысилась на 12 % по сравнению с ненаполненным ПП. Повышение термической стабильности ПКМ может быть связано со снижением тепловой подвижности полимерных цепей (влияние кинетической активности наполнителя); с более высокой теплопроводностью (по сравнению с ПП, X = 0,19-0,21 Вт/(м-К)) минеральных частиц охры (А, = 0,3 Вт/(м-К)); с образованием более термостабильных связей в самом полимере или с поверхностью наполнителя.
С возрастанием содержания наполнителя до 10,82 %(об.) термостабильность ПКМ незначительно уменьшается, но остается более высокой по сравнению с ненаполненным ГШ. Отмеченное снижение термостабильности может быть вызвано дефектностью в структуре ПКМ: неполным смачиванием твердой поверхности частиц охры полимерным связующим (ПП), форми-рованием рыхлоупакованного слоя макромолекулярных цепей на границе раздела полимер - наполнитель, увеличением количества дефектов (пустот) в структуре композиции вследствие присутствия агломератов (которые не разрушились в процессе диспергирующего смешивания) частиц наполнителя; наличием в составе охры оксидов (железа, кремния).
Данные, полученные вискозиметрическим методом, согласуются и с результатами дифференциального термического анализа, который проводили по методике, описанной в п. Как видно из табл. 4.4, при содержании наполнителя 0,72 % (об.) температура начала потери массы (То) ПКМ с охрой3оо не изменяется, однако с увеличением содержания наполнителя до 10,82 % (об.) Т0 уменьшается, что говорит о снижении термостабильности ПКМ. В целом, введение охрызоо в изучаемом диапазоне наполнения незначительно изменяет температуру окисления, деструкции и максимальной скорости деструкции. Так, Тд возросла на 2,5 %, а Тд на 1,5 % по сравнению с ненаполненным ПП.
Процесс разложения ПКМ протекает в несколько стадий, на кривой ДТА (рис. 4.6) появляются дополнительные пики термодеструкции, свидетельствующие о степени сложности структурно-химической организации ПКМ с охройзоо-1. Используя дифференциально-термический анализ, можно определить температуру плавления и теплоту плавления АН; последняя характеризует количество энергии, необходимой для преодоления межмолекулярных сил взаимодействия при переходе ПКМ из кристаллического в аморфное состояние. Видно (табл. 4.4), что небольшое содержание охры 0,72 % (об.) незначительно (на 4 С) снижает температуру плавления (рис. 4.7), что может быть связано с образованием более однородной мелкодисперсной структуры в ПКМ. Свободная поверхностная энергия велика у малых по размеру кри сталлов, поэтому они плавятся при температурах более низких, чем крупные кристаллы. С увеличением содержания наполнителя температура плавления незначительно возрастает и равна температуре плавления ненаполненного ПП. По-видимому, ненаполненный ПП и ПКМ с содержанием наполнителя 10,82 % (об.) имеют более неоднородную структуру, чем ПКМ с небольшим содержанием наполнителя (0,72 % (об.)).
Исследование поведения ПКМ при повышенных температурах
Анализ данных уравнений показывает, что для таких характеристик, как Ер, ар, НВ, оптимальным содержанием наполнителя является 8-10,7 % (об.), для ат - 5 % (об.), что необходимо учитывать при выборе области эксплуатации изделий из ПКМ с охройзоо Ненаполненный ПП имеет сравнительно высокий коэффициент теплового расширения и минимальную сжимаемость, что приводит к большой усадке [9]. Усадка изделий зависит как от технологических параметров процесса, так и от свойств исходного ПКМ. Исследования физических свойств ПКМ с охройзоо (см. п. 4.1.1) показали, что введение охры приводит к увеличению плотности (снижению удельного объема) КМ, следовательно, усадка литьевых изделий снижается (табл. 4.7).
При производстве изделий из ПКМ с конкретно заданными характеристиками главным условием является стабильность процесса. С этой целью были построены карты Шухарта (рис. 1.13, 1.14), позволяющие наглядно оценить влияние наполнителя на определенную характеристику [119]. Для анализа выбран такой показатель, как усадка. Исследовали усадку изделий из ПКМ с содержанием наполнителя 3,1 % (об.) и из ненаполненного ПП.
Анализируя полученные данные для изделий из ненаполненного ПП, видно, что несколько точек усадки находятся в зоне «границ предупреждения», а одна - вне ее. Данный факт свидетельствует о том, что процесс теряет стабильность и требуется регулирующее воздействие (изменение технологических параметров) для возвращения его в стабильное состояние. У изделий из ПП + 3,1 % (об.) охрызоо большинство точек усадки находится вблизи центральной линии (соответствующей среднему арифметическому всех измеряемых значений), следовательно, стабильность свойств (усадка) изделий из ПКМ с охройзоо в различных циклах формования изделий выше, чем у изделий из ненаполненного ПП.
Следует отметить, что кроме изменения физико-технических характеристик изменяется внешний вид изделий при введении охры. При небольшом содержании охрызоо в ПКМ готовые изделия имеют светло-коричневый цвет, но с увеличением содержания наполнителя цвет темнеет и становится темно-коричневым.
Таким образом, результаты исследования эксплуатационных характеристик позволяют отнести ПКМ на основе ПП с охрой к пластикам общетехнического назначения, работающим при обычных и средних температурах [101].
Исследования технологических свойств позволили определить параметры переработки ПКМ с охройзоо методом литья под давлением (литье под давлением является одним из основных методов переработки КМ), которые приведены в Приложении Б. На основании технологических рекомендаций разработаны технические условия (ТУ) на ПКМ на основе ПП с охройзоо (Приложение В). Согласно ТУ на ООО «РЕАЛ-ПЛАСТИК и К» (г. Кемерово) получена опытная партия литьевых изделий общебытового и технического назначения; всего переработано 30 кг ПКМ с охройзоо, характеристики которых представлены в Приложении Г (табл. Г.1). Установлено, что ПКМ с охройзоо обладают хорошими литьевыми свойствами, могут перерабатываться на серийном оборудовании (литьевых машинах шнекового типа KuASY 100/250). На основании проведенных испытаний оформлен акт, который приведен в Приложении Г. 1. Экспериментально доказана возможность использования охры в качестве наполнителя для ПП, что позволяет расширить ассортимент наполнителей, создать новые ПКМ, а также получить новые данные о взаимодействии полимерной матрицы с минеральным наполнителем. Установлено, что технология получения ПКМ на основе ПП с охрой должна включать стадию термообработки наполнителя. Определена оптимальная температура термообработки охры - 300 С. В результате термообработки охры улучшаются ее технологические свойства: снижается количество агломератов, на что указывает увеличение степени полидисперсности наполнителя с 1,6 (исходная охра) до 2,25 (охра3оо); повышаются теплофизические (теплопроводность X = 0,3 Вт/(м-К), теплоемкость Ср = 0,75 кДж/(кг-К)) и объемные характеристики (сыпучесть, насыпная плотность рн = 810кг/м3), возрастает максимальная объемная доля наполнения (фтах = 29,3 %). 2. Расплавы ПКМ на основе ПП и охры являются неньютоновскими (псевдопластичными) жидкостями. Определено, что увеличение содержания наполнителя в ПП приводит к монотонномуровышениювязкости расплавов ПКМ. Индекс течения, представляющий тангенс угла наклона логарифмической зависимости напряжение - скорость сдвига, харак теризующий аномалию вязкости расплавов ПКМ, уменьшается от 0,64 для ненаполненного ПП до 0,54 для ПКМ с содержанием охры30о 10,82 % (об.). 3. Охра является структурно-активным наполнителем, так как позволяет регулировать степень кристалличности и размеры надмо лекулярных образований; однородная структура по размерам надмолекулярных образований формируется при введении 3-5 % (об.) охры. Экспериментально доказано, что введение охры изменяет такие теплофизические характеристики ПКМ, как теплоемкость и температуро проводность, значения которых также зависят от содержания наполнителя. Снижение теплоемкости ПКМ показывает, что охра является кинетически активным наполнителем. Повышение температуропроводности ПКМ с увеличением содержания наполнителя позволяет уменьшить время цикла при изготовлении изделий литьем под давлением, что повышает производительность перерабатывающего оборудования в единицу времени.
