Влияние минеральных наполнителей на теплостойкость полимерных композиционных материалов

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 8. №8. 2022

УДК 678.046.3: 536.495:662.998-4                  

Все больше в мире во многих областях промышленности применяют синтетические материалы, что объясняется их меньшей стоимостью и широким спектром разнообразных свойств. Одним из путей создания новых композиционных материалов с требуемыми значениями потребительских и технологических свойств является подбор и варьирование содержания составляющих компонентов и технологических параметров.

В работе исследованы синтетические материалы на основе термоэластопластов (ТЭП). Преимуществами данного материала являются устойчивость к агрессивным средам, хорошие электроизоляционные показатели, возможность переработки отходов производства, высокий коэффициент трения по асфальту, мокрым дорогам и снегу, однако с повышением (более +500) и понижением (менее -400) температуры свойства ТЭП ухудшаются.

Целью исследования является установление закономерностей изменения теплостойкости композиционных материалов на основе ТЭП в зависимости от количества введенных минеральных наполнителей [1].

Материал и методы исследования

Геологическое разнообразие территории Кыргызстана обусловлено столкновением на его территории различных горных массивов. В результате этих столкновений произошел вынос на поверхность огромного количества разнообразных горных пород и минералов [2]. На ее территории имеются запасы следующих полезных ископаемых (минералов): ангидрит, аметист, антимонит, гипс, горный хрусталь, кальцит, киноварь, малахит, пирит, топаз, турмалин, хайдарканит, халькозин халькопирит, волластонит, базальт и др.

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 8. №8. 2022

При выборе наполнителей особое внимание уделялось получению композитов с улучшенными теплофизическими свойствами. Из многообразия существующих минералов Кыргызстана, исходя из их свойств (в частности устойчивость при высоких температурах) и доступности сырья, для дальнейших исследований выбраны базальт и волластонит.

К теплофизическим свойствам полимеров относят теплостойкость, термостойкость, жаростойкость, теплопроводность, теплоемкость и морозостойкость. В случае пластических масс и материалов на основе эластомеров именно эти характеристики определяют возможность использования этих материалов для изготовления из них разнообразных изделий и, также, стойкость изделий из этих материалов при их эксплуатации [3].

Существуют различные стандартные методы определения теплостойкости полимерных композиционных материалов, такие как метод Вика, метод Мартенса и др. В работе теплостойкость определялась в соответствии с требованиями ГОСТ 15088-2014 (ISO 306:2004), который определяет особенности метода, позволяющего размягчать термопласты (так называемый метод Вика). Особенностью метода [4], описанного в вышеуказанном стандарте, является процесс оценки величины температуры, при которой индентор стандартного вида, но имеющий плоское основание, нагружается и погружается в исследуемый образец материала, который, в свою очередь, нагревается с неизменной скоростью, на величину порядка 1 мм. В Таблице представлены экспериментальные результаты теплостойкости и плотности ТЭП и наполненных композиций на основе термоэластопласта.

Возрастание показателя теплостойкости, как видно из графика, наблюдается во всех композициях ТЭП, наполненных базальтовой и волластонитовой крошками, короткими базальтовыми волокнами (Рисунок 1) по квадратичной параболе, что объясняется, прежде всего, высокой температурой плавления применяемых минеральных наполнителей, а также содержанием в их составе диоксида кремния, обеспечивающего низкую влагоемкость. Причем в композициях с волластонитовой крошкой быстрее, чем в других (коэффициенты при х2 в линиях тренда примерно 0,06 и 0,07 у 1–2, а для 3-го — 0,09).

Таблица

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОСТОЙКОСТИ КОМПОЗИТОВ

Количество наполнителя, (об) %	Теплостойкость, °С	Плотность, г/см3
Композиции с базальтовой крошкой
0	50	0,90
1,7	54	0,92
3,5	59	0,94
5,2	66	0,95
6,9	71	0,96
8,6	78	0,97
10,3	85	0,98
12,0	92	0,99
13,8	102	0,99
Композиции с короткими базальтовыми волокнами
0	50	0,90
1,7	56	0,93
3,5	62	0,95
5,2	69	0,96
6,9	73	0,97

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 8. №8. 2022

Количество наполнителя, (об) %	Теплостойкость, °С	Плотность, г/см3
8,6	80	0,98
10,3	88	0,99
12,0	94	1,01
13,8	105	1,02
Композиции с волластонитовой крошкой
0	50	0,90
1,7	57	0,93
3,5	65	0,95
5,2	72	0,97
6,9	77	0,98
8,6	86	1,01
10,3	95	1,03
12,0	103	1,04
13,8	112	1,05

	120 ♦Ряд1 ■ Ряд2 ▲ Ряд3 y = 0,07x2 + 2,8x + 50,7
и н о о W 5S о н о о о н	100 y = 0,06x2 + 3,7x + 50,5 80 y = 0,09x2 + 2,4x + 49,8 40 0                 3                 6                 9                 12                15 содержание наполнителя, ОБ. %

Рисунок 1. Теплостойкость композиций: 1 - композиции с базальтовой крошкой; 2 – композиции с короткими базальтовыми волокнами; 3 – композиции с волластонитовой крошкой

Свойства будущих композитов определяют не только особенности материала, используемого для наполнения композита, но и такие параметры частиц, как их размеры и форма. Шероховатая форма применяемых кристаллов снижает степень подвижности полимера и наполнителя друг относительно друга, что влияет на степень их усадки и растрескивания, за счет микроармирующего эффекта и, тем самым, улучшают теплофизические свойства. Введение в композицию до 14 объемных процентов силикатных наполнителей приводит к повышению теплостойкости термоэластопласта с 50 °С до 102–105 °С при введении базальтового наполнителя и на 120% — при введении волластонитовой крошки.

Плотность является важным показателем, который влияет на прочность, растяжимость, твердость и ряд других свойств. Определение плотности производилось в соответствии с ГОСТ Р 56679–2015, описывающим особенности гидростатического взвешивания [6].

На Рисунке 1 экспериментальные результаты теплостойкости представлены в графическом виде. На рисунке 2 экспериментальные результаты для плотности представлены в графическом виде.

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

Т. 8. №8. 2022

1,1

• Ряд1 • Ряд2 • Ряд3

Q 1,05

y = 0,008x + 0,913

y = 0,011x + 0,909  •

С 0,95

0,9

y = -0,0003x2 + 0,011x + 0,9016

Содержание наполнителя, об. %

Рисунок 2. Характер изменения плотности: 1 — композиции с базальтовой крошкой; 2 — композиции с короткими базальтовыми волокнами; 3 — композиции с волластонитовой крошкой

12                 15

Как видно из Рисунка 2, вначале кривые 2 и 3 практически совпадают, затем наблюдается уменьшение возрастания кривой 2. Усредненные графики тренда прямолинейные. В отличие от них возрастание кривой 1 происходит медленнее и при содержании базальтовой крошки в количестве 3–4 об. % начинает изменяться не линейным образом (линия тренда становится параболой).

Выводы

Эксперименты показали, что возрастание показателя теплостойкости, наблюдается во всех композициях ТЭП, наполненных базальтовой и волластонитовой крошками, короткими базальтовыми волокнами (рис. 1) по квадратичной параболе, что объясняется, прежде всего, высокой температурой плавления применяемых минеральных наполнителей, а также содержанием в их составе диоксида кремния, обеспечивающего низкую влагоемкость. Причем в композициях с волластонитовой крошкой быстрее, чем в других

Рост объемной доли дисперсной фазы приводит к возрастанию плотности композита. Введение в композицию до 14 объемных процентов наполнителей приводит к повышению плотности на 10 и 15% для базальтового наполнителя, и на 17% для волластонитового наполнителя. Дальнейшее увеличение количества наполнителя в композиции (выше 14 объемных %) приводит к росту вязкости. Это затрудняет переработку композиционного материала.

Полученные экспериментальные данные позволяют выбрать оптимальное содержание минеральных наполнителей в составе полимерного композиционного материала, обеспечивающее требуемые эксплуатационные свойства материалов низа обуви.