Исследование реологических свойств композиций на основе ПВХ

Для каждого материала существует оптимальное соотношение, которое влияет на формирование полимерной матрицы и обеспечивает эффективное наполнение композиции [2]. Выбор того или другого гидрофобизатора определяется свойствами полимера и входящих в состав композиции различных добавок. Следовательно, композиционные материалы и в большинстве случаев наполненные полимеры представляют собой гетерогенную двухфазную систему, в которой компоненты каждой фазы сохраняют свою индивидуальность [3].

В ходе исследования был получен гидрофобный карбонатный наполнитель полимерных композиций на основе ПВХ и проведено модифицирование его свойств. Мел подвергали гидрофобизации посредством нанесения на поверхность его частиц поверхностноактивных веществ. Карбонат кальция, используемый нами в работе, является побочным продуктом при получении минеральных азотных удобрений из природного сырья, имеет примеси и высокую степень дисперсности (около 90 мкм). В начале он подвергался обработке, которая включает в себя 2 этапа: сушка и измельчени е. Сушку карбоната кальция проводили при 200 °С в течение 2 часов, что позволило привести значение содержания остаточной влаги до значения 0,1 % и удалить из его состава аммиак, который испаряется. Затем карбонат кальция измельчали в шаровой мельнице. Гидрофобизацию проводили модифицирующими добавками: стеариновой кислотой, стеаратом цинка, стеаратом кальция и их смесями в количестве до 2 % от массы мела. Просеянный и измельченный химически осажденный мел нагревался при 100 °С, а затем смешивался с гидрофобными компонентами в смесителе. На основе полученного гидрофобного наполнителя подготовлены к изучению реологических свойств ПВХ композиции, наполненные гидрофобизированным мелом (ПВХ – 100 мас. ч., гидрофобный мел – 50 мас. ч.). Мел, гидрофобизированный соответствующими количествами модификаторов (0,5 %, 1 %, 1,5 % стеариновой кислотой, стеаратами кальция и цинка), вносили в скоростной смеситель, а затем добавляли ПВХ-С-0805 и продолжали перемешивать в течение 2 минут.

Были изучены реологические свойства созданных полимерных композиций ПВХ. Вязкость определяли на реометре Smart Rheo-1000 c программным обеспечением «CeastVIEW 5.94-4D», температура 170 °С, при изменении скоростей сдвига (рисунок 1).

Исходные смеси полимерных материалов характеризуются коэффициентом упаков -ки, т.е. объемным содержанием наполнителя, когда все промежутки между частицами заполнены полимерной матрицей. Коэффициент упаковки карбоната кальция заметно повышается при обработке поверхности стеариновой кислотой или стеаратами кальция, цинка (обычно с массовой долей 1 %), что делает возможным высокое содержание наполнителя при данной вязкости процесса.

1,3   1,4   1,5   1,6   1,7   1,8   1,9    2    2,1   2,2   2,3   2,4

Скорость сдвига, logy(1/С)

—•— Стеариновая кислота(0,5) —■—Стеарат цинка (0,5)

—*— Стеарат кальция (0,5)    —ж— ПВХ

Рисунок 1 . Зависимость логарифма вязкости от скорости сдвига для композиций на основе ПВХ-С-0805

При обработке мела стеариновой кислотой нагревание приводит к взаимодействию с поверхностными слоями карбоната кальция; образуется тонкая пленка стеарата кальция. Поэтому в некоторых случаях экономически более эф- фективно создавать композиции ПВХ с 1 % содержанием стеарата кальция, при обработке которым его гидрофобная поверхность легко смачивается полимерной матрицей, что обеспечивает быстрое смешение композиций ПВХ. Незави- симо от обработки поверхности карбонат кальция сохраняет группы -Ca-OH, что приводит к образованию щелочной среды. В результате наполнитель служит дополнительным стабилизатором, обеспечивающим более высокую термостабильность изделий из ПВХ по сравнению с ее значениями для состава с другими сравниваемыми ингредиентами. Экструзивные процессы, которые являются основными в перера- ботке наполненных ПВХ композиций за счет действия в них наполнителя, повышают фракционный нагрев, ускоряют плавление и повышают выход. На рисунке 2 представлены зависимости давления от скорости сдвига для композиций на основе ПВХ-С-0805, наполненных мелом, модифицированным стеариновой кислотой, стеаратом кальция и стеаратом цинка.

Стеариновая киСслкотрао(с0т,ь5 )сдвга,Сloтеgаyр(1а/тС^ц)инка (0,5)

Стеарат кальция (0,5)         ПВХ

Рисунок 2. Зависимость давления от скорости сдвига для композиций на основе ПВХ-С-0805

Очевидно, что для стеариновой кислоты при проведении гидрофобизации с карбонатом кальция при 100 °С происходят процессы, связанные с упрочнением матрицы полимера и приводящие к покрытию поверхностных слоев мела стеаратом кальция. Подобное явление наблюдается для наполненных мелом композиций, что обеспечивает снижение вязкости. Установлено, что стеаратные группы не совместимы с кристаллическим кальцитом и располагаются на поверхности твердой фазы карбоната кальция.

Таким образом, значительное снижение вязкости отмечено для гидрофобизатора на основе стеариновой кислоты. Изучение вязкостных характеристик для гидрофобизирующих добавок показало, что их активность возрастает в ряду: стеарат цинка, стеарат кальция, стеариновая кислота. Установлено, что модифицирующие добавки, используемые при получении гидрофобного карбонатного наполнителя композиций из ПВХ, проявляют одновременно пластифицирующие и стабилизирующие свойства.