Комплексно-модифицированные базальтопластики

Широкое применение полиэтилена в первую очередь связано с высокой доступностью и дешевизной данного полимера, получаемого из этилена, который является основным продуктом крекинга углеводородов нефти. С другой стороны, полиэтилен обладает своеобразным комплексом свойств, сочетая достаточно высокую прочность, прозрачность, способность переходить

в высокоэластическое состояние и хорошую обрабатываемость. Именно широкие возможности переработки полиэтилена любыми методами, пригодными для термопластов, позволяют достигать значительной вариабельности не только в отношении технологического режима получения, но и в отношении эксплуатационных характеристик изделий на его основе.

Наряду с представленными достоинствами полиэтилена (ПЭ) обладает и рядом недостатков, которые препятствуют его более широкому применению. К ним относятся: низкая реакционная способность, старение под действием солнечного света, ползучесть под механическими нагрузками, склонность к образованию трещин при циклических нагрузках, недостаточная механическая прочность, горючесть.

Поэтому активное использование полиэтилена в таких областях техники, как машиностроение, электротехника, судостроение и строительство, при изготовлении конструкционных деталей обусловливает высокий спрос на новые разработки в области повышения качества и снижения затрат при его производстве. Достижение оптимального уровня между стоимостью и качественными характеристиками полимерного композиционного материала возможно за счет применения доступных, недорогих и эффективных наполнителей, одним из которых является минеральный наполнитель – базальт, а также современных физических и химических методов модификации как наполнителей, так и матрицы.

Материалы и методы

Так как ранее доказана перспективность модификации базальтового наполнителя [1, 2], то в данной работе изучена возможность повышения реакционной способности ПЭ при наполнении его модифицированным базальтом путем обработки связующего коронным разрядом. Коронный разряд –характерная форма самостоятельного газового разряда возникающего при давлениях порядка атмосферного и выше в резко неоднородных полях, сопровождающегося видимым свечением –«короной». Когда полимер попадает в зону коронного разряда, электроны, образовавшиеся в поле коронного разряда, воздействуют на его поверхность с энергией в 2–3 раза большей, чем необходимо для разрыва молекулярных связей на поверхности большинства полимеров, при этом образуются различные очень реакционноспособные промежуточные кислородсодержащие функциональные группы [3, 4]. Именно эти карбонильные, карбоксильные, гидроперекисные и гидроксильные группы эффективно увеличивают химическое взаимодействие с наполнителем:

л -С-ОН

R^Oz-'R - О2° - R - О2Н <-* -С=О -соон

Устройство для обработки коронным разрядом состоит из высокочастотного генератора, трансформатора высокого напряжения и электродов: одного с высоким потенциалом (обычно многосекционного металлического электрода), закрепляемого на небольшом расстоянии от второго–заземленного контрэлектрода (обычно металлического валка с диэлектрическим покрытием), а также двигателя, управляющего вращением заземленного валка (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема обработки полимерного материала коронным разрядом

Figure 1. Scheme of processing of polymer material –La corona discharge

Коронный разряд формируется в узком воздушном зазоре с высокой разностью потенциалов между электродами, через этот зазор протягивается обрабатываемый полимер [5].

Для комплексно-модифицированного ба-зальтопластика был проведен полный факторный эксперимент, в котором в качестве параметров оптимизации были выбраны ударная вязкость (Y 1 ), изгибающее напряжение (Y 2 ) и твердость по Бринеллю(Y 3 ), а в качестве факторов – содержание наполнителя в композиции (Х 1 ), содержание модификатора в композиции (Х 2 ) и сила тока коронного разряда (Х 3 ) [6].

Результаты и обсуждение

В результате проведенных расчетов были получены следующие уравнения регрессии для комплексно-модифицированного композиционного материала:

• У, =50,375+0,3752; +O375Z_; +L125Z₃ -O,125ZjZ_; +0325X₁X₁+0325X₎X_s

• У. =45.625+0 625Л; +0,375^ +О875Х₃-0125^ -0125Z,r₅ +0125ВД (1) r₎-122,125+O,625Z₁ + O,375Z_;+O,875Z₁-O,625Z_rr_; + O,375Z_rr₃+O,625Z_:X₃

Анализ полученных уравнений регрессии показывает превалирующее влияние силы тока коронного разряда на физико-механические характеристики полимерных композиционных материалов, выбранные в качестве параметров оптимизации, поскольку во всех трех полученных уравнения регрессии максимальные коэффициенты у фактора X 3 .

На основании полученных данных при оптимизации состава методом, предложенным Боксом и Уилсоном(градиентным методом), в качествебазового фактора выбрали силу тока коронного разряда (X 3 ), а в качестве критерия оптимальности – ударную вязкость (Y 1 ).

Как видно из приведенных данных (таблица 1) , увеличение количества модификатора до 19,5 масс.ч. в составе композиционного материала, а также повышение силы тока коронного разряда до 30 мА приводит к увеличению Y 1 .

Оптимальными можно считать композицию № 4, которая имеют наиболее высокий показатель ударной вязкости (Y 1 ). Дальнейшее увеличение содержания наполнителя и модификатора, а также повышение силы тока обработки гранул ПЭ коронным разрядом представляется нецелесообразным, поскольку происходит снижение физико-механических характеристик материала [7–10].

Таблица 1.

Результаты градиентного метода оптимизации состава, комплексно-модифицированного полимерного композиционного материала на основе полиэтилена

Table 1.

The results of the gradient method of optimization of the composition, of complex-modified polymer composite materials on the basis of polyethylene

№ опыта	X 1 , масс.ч	X 2 , масс.ч	X 3 , мА	Y 1 , кДж/м2
1	30	15	15	51,2
2	33	16,5	20	52
3	36	18	25	52,6
4	39	19,5	30	53
5	42	21	35	52,8
6	45	22,5	40	52
7	48	24	45	51,6
8	51	25,5	50	51

Как показали исследования при воздействии на полиэтилен низкого давления (ПЭНД) коронного разряда практически все физикохимические и механические свойства улучшаются (таблица 2), причем ударная вязкость композита возрастает более чем в 4 раза.

Таблица 2.

Физико-химические и механические свойства комплексно-модифицированного базальтопластика на основе ПЭНД обработанного коронным разрядом

Table 2.

Physico-chemical and mechanical properties of complex-modified basalt-plastic based on PE-HD treated with corona discharge

Состав композиции, масс. ч., на 100 масс. ч. ПЭ Composition, mass.h., 100 mass. h. PE	Ударная вязкость**, кДжм2 Impact strength**, kJm2	Изгибающее напряжение, МПа Bending stress, MPa	Твёрдость по Бринеллю, МПа Hardness Brinell, MPa	Потери массы при поджигании на воздухе, % Loss of mass during ignition in air, %	Кислородный индекс, %объем. Oxygen index, % volume.	Начальная температура деструкции, °С The initial temperature of decomposition, °С	Теплостойкость по Вика, °С Heat resistance byVic, °С
ПЭНД+40 базальта HDPE + 40 basalt	13	28	82	27	25	284	145
ПЭНД+40 ба-зальта+ +20 модификатора HDPE + 40 basalt + +20 modifiers	25	42	105	19	30	292	149
ПЭНД*+40 ба-зальта+20 модификатора HDPE * + 40 basalt +20 modifiers	53	48	125	17	32	293	153

Примечание: * – ПЭ был подвержен воздействию коронного разряда с силой тока30 мА в течение 10 мин.; ** – образцы испытаны с надрезом; коэффициент вариации по свойствам составляет ~ 5–6 %

Методом ИКС показано (рисунок 2), что в комплексно-модифицированном базальтопла-стике практически отсутствуют группы – ОН при 3500 см-1, значительно уменьшается интенсивность пиков – СН2-, и пиков– Si-O-Si-, что свидетельствует об изменении структуры полиэтилена обработанного коронным разрядом с базальтом модифицированным ДБДФО.

Заключение

Полученные данные свидетельствуют о перспективности и целесообразности получения комплексно-модифицированных базальтопластиков на основе ПЭ обработанного коронным разрядом, так как повышаются весь комплекс свойств полиэтиленовых композитов.

Рисунок 2. Данные ИКС: 1 – 100ПЭНД+40 базальт; 2 – 100ПЭНД+40 базазальта+20 ДБДФО; 3 – 100ПЭНД коронный разряд +40 базазальта+20 ДБДФО

Figure 2. The data of infrared spectroscopy: 1 – 100PE-HD+40 basalt; 2 – 100PE-HD+40 basalt+20 modified basalt; 3 – 100PE-HD corona discharge+40 basalt+20 modified basalt