Разработка технологии базальтопластиков на основе полиэтилена и базальтовой ваты

 

Базальтовая вата производства “Ивотского стекольного завода”, Брянская область, ТУ 21-23-247-88.

Качественный анализ базальтовой ваты:

Si, Na, Al, Fe, Mg, Mn, Cu, Ca, Ti, Co, Cr, Zn, Sb, F;

редкие элементы: Ga, Rh, Hg, Sc.

Количественный анализ базальтовой ваты (%):

SiO2 - 55,06; Al2O3 - 27,08; Fe2O3 - 3,1; CaO - 4,95; MgO - 4,16.

Полиэтиленсилоксановая жидкость (ПЭС-5) ( ГОСТ Т13004-77)

 

 

Внешний вид - бесцветная жидкость без запаха.

- содержание кремния - 26-28 масс.%;

- плотность - 990-1020 кг/м3;

- молекулярная масса - 1000.

Методы испытания

Физико-химические и физико-механические свойства определяли в соответствии со стандартными методиками:

 

-	Плотность (r)	ГОСТ 15139-71
-	Определение потерь массы при горении на воздухе (Dm)	ГОСТ 21793-89
-	Гранулометрический состав
-	Насыпная плотность
-	Потери при сушке или термообработке, %

 

Оценка достоверности результатов измерений физико-механических показателей проводилась по ГОСТ 14359-69.

Метод термогравиметрического анализа

Изменение массы, скорости изменения массы и величин тепловых эффектов при нагреве образцов изучалось методом термогравиметрического анализа с использованием дериватографа системы “Паулик - Паулик - Эрдей” фирмы МОМ марки Q-1500D[35].

Условия эксперимента:

навеска - 200 мг;

среда - воздух;

интервал нагрева - до 1000°С;

скорость нагрева (Vм) - 10°С/мин.

относительная ошибка не превышает 1%.

Энергию активации термодеструкции материалов определяли методом    Г.О. Пилояна по кривой ДТГ по формуле[36]:

 

,            (1)             

 

где Е - энергия активации, Дж/моль;

m - уменьшение веса вещества в результате удаления летучих продуктов реакции, мг;

nm - скорость потери массы исходной пробы вещества, мг/мин; 

R - универсальная газовая постоянная, Дж/град*моль;

Т - температура, К;

В - константа.

Уравнение (1) можно представить в виде:

 

 ,          (2)

 

где k0 -предэкспоненциальный множитель

Графическая интерпретация экспериментальных данных в соответствии с уравнением (2) в координатах дает прямую, тангенс угла наклона которой к оси абсцисс позволяет вычислить энергию активации  процесса, а отрезок отсекаемый на оси ординат - предэкспоненту[37].

 

             (3)

Отсюда .

 

2.2. Результаты эксперимента и их обсуждение

 

Одно из ведущих мест в общем объеме производства и потребления пластических масс принадлежит полиэтилену. Это обусловлено высокой экономической эффективностью его производства и применения, наличием сырьевой базы, хорошей перерабатываемостью в изделия экструзией, литьем под давлением, термоформованием из листов, сочетанием в полимере ценных технических и эксплуатационных свойств.

При получении изделий различного назначения и в зависимости от метода переработки в ряде случаев приходится модифицировать существующие и создавать новые композиционные материалы на основе ПЭ. Кроме того для создания конкурентоспособного материала необходимо его удешевление без ухудшения свойств, что возможно за счет введения дешевых наполнителей, таких как базальтовая вата, отработанная в течение 5 лет на азотно-кислородной станции в качестве теплоизоляционного материала на ООО «Саратоворгсинтез».

Основные эксплуатационные свойства наполненных материалов в значительной степени зависят от формы, размера, удельной поверхности, содержания в композиции, физико-химических характеристик наполнителей и технологии их введения [38]. Для оценки возможности использования базальтовой ваты в качестве наполнителя для базальтопластиков определен ряд ее свойств: гранулометрический состав, насыпная плотность, поведение при воздействии повышенных температур.

 

 

Рис.6. Распределение частиц измельченной базальтовой ваты по размерам

 

Дисперсность наполнителя влияет на процессы формирования и параметры структуры, и в итоге на деформационно-прочностные свойства наполненных композиций. Подготовка базальтовой ваты заключалась в ее измельчении на гидравлическом прессе при давлении 5 МПа до размера 25 мм. Исследуемый наполнитель обладает значительным разбросом частиц по размерам (рис.6). Насыпная плотность измельченной БВ составляет 38,2 кг/м3, потери массы при сушке (Т=900С) - 0,2%.- %.

Для определения параметров переработки ПКМ на основе полиэтилена и базальтовой ваты (БВ), перерабатывающего оборудования и режимов переработки оценивалась текучесть композиции по показателю текучести расплава (ПТР). Применяемое давление обратно пропорционально текучести: чем выше текучесть, тем меньше должно быть давление, и наоборот. Низкая текучесть дает недооформленное изделие, а чрезмерно высокая текучесть приводит к вытеканию массы из пресс-формы. Текучесть полимерного материала зависит от природы полимера, вида и качества наполнителя, присутствия пластификатора, смазывающих веществ и других добавок. С увеличением содержания наполнителя уменьшается текучесть ПКМ пропорционально содержанию наполнителя.

Для получения композиционного материала полиэтилен наполняли разным %- ным соотношением отработанной базальтовой ваты. Для равномерного распределения базальтовой ваты в композиции ее измельчали на гидравлическом прессе при давлении 5 МПа до размера 25 мм.

Как видно из табл.4 с повышением содержания БВ в ПКМ текучесть композиции уменьшается, а вязкость соответственно увеличивается. С повышением температуры на 100С ПТР резко увеличивается при наполнении композиции 10 и 15 % базальтовой ваты, однако при 20% наполнения БВ ПТР не изменяется.

 

Таблица 4

Изменение показателя текучести расплава композиции в зависимости от ее состава и температуры

Состав композиции, масс.ч.	Температура, 0С	ПТР, г/10мин, при 5 кг	η×106, Н×с/м2
ПЭ исходный	200	6,86	0,0145
	210	7,73	0,0130
100ПЭ+10БВ	200	4,92	0,0202
	210	8,32	0,0120
100ПЭ+10БВ+5ПЭС	200	1,02	0,0977
	210	2,27	0,0440
100ПЭ+15БВ	200	3,71	0,0269
	210	7,12	0,0140
100ПЭ+15БВ+5ПЭС	200	2,82	0,0353
	210	3,50	0,0285
100ПЭ+20БВ	200	3,83	0,0260
	210	3,83	0,0262
100ПЭ+20БВ+5ПЭС	200	2,84	0,0351
	210	1,85	0,0537

 

Для повышения текучести композиции на основе ПЭВД в нее добавляли 5% смазывающего вещества (полиэтиленсилоксановой жидкости - ПЭС-5) [39]. Из данных табл.4 видно, что с повышением температуры текучесть композиции на основе ПЭВД увеличивается, однако эти значения ниже, чем для не модифицированной композиции. По-видимому это связано с тем, что добавление ПЭС-5 приводит к комкованию БВ и более худшим ее распределением в композиции, поэтому введение ПЭС-5 в композицию не целесообразно.

Выявлено влияние количества базальтовой ваты на термолиз базальтопластиков на основе ПЭВД, которое проявляется в поведении материала при горении его на воздухе (табл.5). Все образцы с 10, 15, 20 мас.ч. БВ поддерживают горение на воздухе и потери массы составляют 36,37, 31,89, 24,15% соответственно. Введение 20 масс.ч. БВ в ПЭВД не обеспечивает малых потерь массы при поджигании на воздухе, однако потери массы по сравнению с ненаполненной композицией уменьшаются. Поэтому в дальнейших исследованиях планируется введение в композиции антипиренов.

 

Таблица 5

Показатели горючести разработанных ПКМ

Состав, масс.ч. на 100 масс.ч. ПЭВД	Потери массы при поджигании на воздухе, Dm, % (масс.)
ПЭ исходный	78
100ПЭ+10БВ+5ПЭС	36
100ПЭ+15БВ+5ПЭС	31
100ПЭ+20БВ+5ПЭС	25

 

Подтверждением более плотной и более сшитой структуры БП являются данные по термостабильности образцов, определенных термогравиметрическим анализом (табл.6). По увеличению коксового остатка, меньшей потере массы до 6000С, возрастанию энергии активации можно утверждать о более полном взаимодействии полиэтилена с базальтовой ватой по сравнению с ненаполненным ПЭ.

 

 

 

Таблица 6

Термогравиметрический анализ базальтопластиков на основе ПЭ и БВ

Состав материала, масс.ч.			Потери массы, % при температуре, 0С						КО, %	Еакт,
			100	200	300	400	500	600
100ПЭ			1	1	4	26	98	98	2	210
100ПЭ+10БВ+5ПЭС			1	1	4	26	89	90	10	237
100ПЭ+15БВ+5ПЭС			1	1	4	26	88	90	10	252
100ПЭ+20БВ+5ПЭС			0	1	4	26	84	85	15	271

 

 

 

3. Технология производства

 

3.1. Описание технологического процесса

 

Производство предназначено для изготовления изделий, на основе термопластичного связующего - ПЭ и дисперсных наполнителей.

Процесс получения полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе ПЭ включает в себя следующие стадии:

-получение однородной композиции;

• гранулирование полученного ПКМ;
• формование изделий;
• механическая обработка изделий;
• упаковка готовой продукции;
• переработка отходов.

Все материалы, используемые в данном производстве, могут храниться при температуре производственного помещения и без каких-либо других ограничений.

Технологическая схема процесса получения изделий из полиэтилена представлена на рис 6. Гранулированный ПЭ из бункера 2, дробленые отходы из бункера 1, измельченная БВ из бункера 3, через секторные дозаторы 5, а также ПЭС из емкости 4 через весовой мерник 6 по трубопроводам прямотеком поступают в смеситель 7 для предварительного перемешивания. Так как при введении в гранулированный полимер жидких компонентов вначале возможно слипание массы и прилипание ее к поверхности смесителя, то смешение проводят в лопастном смесителе. Продолжительность перемешивания 20 мин.

Наиболее равномерное распределение компонентов достигается при смешении полимеров в вязкотекучем состоянии, то есть при температурах выше температуры текучести, что особенно важно при  больших степенях наполнения. Поэтому смесь через ленточные дозировочные весы 8 подаются в бункер червячного смесителя-гранулятора 9. В цилиндре червячного смесителя под влиянием тепла нагревателей и под воздействием вращательного движения червяка происходит смешение, пластикация и гомогенизация. Смешение происходит при температуре Т=120-180°С по зонам экструдера и давлении Р=8-10 МПа. Далее однородная масса продавливается через многогнездный мундштук в виде прутков диаметром 2-5 мм. На расстоянии 10-15 мм от торца мундштука, обеспечивающем частичное охлаждение прутков без их слипания, установлен многоножевой диск гранулятора с индивидуальным электродвигателем. Полученные гранулы в процессе транспортировки с помощью пневматического транспортирующего устройства 10 охлаждаются и подаются в литьевую машину 11 для формования готового изделия. Пластикация материала происходит в цилиндре литьевой машины, который имеет три зоны обогрева с автоматическими обогревателями электрического типа. Материал перерабатывается при температуре Т=180-210°С и давлении Р= 100 МПа.