WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
1

На правах рукописи

КАСЬЯНОВА ОЛЬГА ВИКТОРОВНА ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОХРЫ НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИЙ С ПОЛИПРОПИЛЕНОМ Специальность 02.00.04 - Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

подпись соискателя Кемерово 2007 2

Работа выполнена на кафедре технологии переработки пластических масс государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет»

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Теряева Татьяна Николаевна

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Трясунов Борис Григорьевич кандидат технических наук Микилева Галина Николаевна

Ведущая организация: Бийский технологический институт (филиал) Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова

Защита состоится 24 марта 2007 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.088.03 в Кемеровском государственном университете (650043, г. Кемерово, ул. Красная, 6)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КемГУ.

Автореферат разослан « » 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.088.03 доктор химических наук, профессор Е. И. Кагакин 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. 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.). Особенно интенсивно в последнее время ведутся разработки по созданию полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе недорогих крупнотоннажных полимеров, в том числе и на основе полипропилена (ПП) с минеральными дисперсными наполнителями. 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.

Имеющийся на рынке ассортимент минеральных наполнителей отечественного производства, используемых в промышленных масштабах для создания ПКМ, ограничен и не может удовлетворить разнообразные постоянно растущие требования потребителей. Поэтому поиск эффективных отечественных наполнителей природного происхождения, обладающих доступностью, низкой стоимостью, является актуальным. Одним из перспективных доступных и экологически безвредных наполнителей является охра, месторождения которой в достаточном количестве имеются на территории России, в том числе и в Кузбассе.

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 физикохимических свойств охры, взаимодействия минерального порошка с полимерной матрицей (ПП) 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 полученные физико-химические свойства ПКМ на основе ПП с охрой служат основой для расчета технологических параметров процессов переработки (литьем под давлением, экструзией) материала в изделия. Определены составы композиций в зависимости от области применения. Разработаны технические условия 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 охры300 5 и 11 % (об.). Введение в ПП более 5 % (об.) позволяет снизить стоимость изделий из ПКМ. Результаты диссертации внедрены в учебный процесс в виде методических разработок, 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 научнотехнический прогресс» (г. Новосибирск, 2000); региональной научнопрактической 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.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 132 страницах печатного текста, содержит 32 рисунка, 25 таблиц; состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 119 наименований, приложения.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту.

ГЛАВА 1. Аналитический обзор. Рассмотрены основные принципы получения ПКМ на основе термопластов. Отмечено влияние наполнителя на физико-химические свойства ПКМ (технологические и эксплуатационные), что необходимо учитывать при разработке состава ПКМ, выборе метода и параметров переработки, условий эксплуатации изделий. Особое внимание уделено созданию ПКМ на основе ПП с минеральными дисперсными наполнителями. Рассмотрены критерии выбора наполнителей для термопластов, свойства используемых для ПП минеральных наполнителей, отмечены их преимущества и недостатки. Анализ литературных данных позволил установить, что перспективным минеральным сырьем для создания ПКМ на основе термопластов является охра, однако ее физико-химические характеристики как наполнителя для полимеров, в том числе и для ПП, недостаточно изучены, а также отсутствуют данные о физико-химических свойствах ПКМ с охрой.

ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования. В качестве объектов исследования взяты:

- полипропилен марки 21030–16, ГОСТ 26996–86, получаемый на ОАО «Томский нефтехимический комбинат», завод «Полипропилен»;

- охра, марка О2, ТУ 301-10-019-90. Исследуемая охра имеет следующий элементный состав: O – 43,904%; C – 0,18%; P – 0,28%; S – 0,016%; Fe – 12,31%; Si – 20,94%; Al – 15,4%; Cu – 0,03%; Ni – 0,003%; Mg – 0, 64%; K – 0,26%; Cr – 0,003%; Ca – 1,4%; Mn – 0,13%; Cl – 0,001%.

Для исследования свойств охры и ПКМ определялись: плотность (ГОСТ 15139); содержание влаги и летучих продуктов (ГОСТ 19728.19);

удельный объем и насыпная плотность (ГОСТ 11035). Оценка сыпучести охры производилась по углу естественного откоса; рН водной вытяжки определялась согласно стандартной методике, изложенной в литературе;

размер частиц и удельная поверхность охры определялись, используя седиментационный анализ. Взаимодействие ПП и охры оценивалось по значению косинуса краевого угла смачивания (cos).

Смешение полипропилена с охрой проводили на лабораторном экструдере фирмы «Брабендер» (диаметр D = 19 мм, L = 20D) с последующей грануляцией. Параметры экструзии: температура по зонам нагрева экструдера Т1 = 170 °С, Т2 = 230 °С, Т3 = 230 °С; частота вращения шнека 20-23 об/мин.

Эффективная вязкость расплава ПКМ, показатель текучести (ПТР) и термостабильность определялись на капиллярном вискозиметре постоянного давления ИИРТ-АМ. Для определения истинного значения напряжения сдвига использовали капилляры разной длины: l1 = 8,310–3 м и l2 = 25,410–3 м; диаметр капилляров 2,0910–3 м.

Исследование термохимических свойств охры, ПП и ПКМ проведены на дериватографе «Q-1500D» в атмосфере воздуха.

Образцы для исследования теплофизических, физико-механических свойств, а также для изучения надмолекулярной структуры изделий из ПП и ПКМ получали литьем под давлением на литьевой машине плунжерного типа ВЛ-40. Технологические режимы: температура инжекционного цилиндра 230±5 °С; температура формы 45±3 °С; давление литья 113±5 МПа;

выдержка под давлением 11 с; время охлаждения 104 с. Для полученных образцов определялись: разрушающее напряжение при растяжении (ГОСТ 11262); теплостойкость по Вика (ГОСТ 15088); усадка (ГОСТ 18616);

твердость (ГОСТ 4670), водопоглощение в холодной воде (ГОСТ 4650).

Исследование теплофизических свойств охры, ПП и ПКМ проводилось комплексным термографическим методом, основанном на закономерностях нестационарного температурного поля в начальной стадии нагрева или охлаждения. Образцы для испытаний представляли собой пластины с размерами 40353,5 мм.

Для исследования надмолекулярной структуры изделий из ПКМ использовали рентгеноструктурный анализ (дифрактометр «Дрон-2»).

Обработка результатов исследования производилась согласно МИ 2336–2002.ГСИ. Случайную погрешность оценивали в условиях прецизионности (повторяемости и воспроизводимости) (ГОСТ Р.ИСО 5725–2– 2002). Систематическая погрешность оценена расчетным путем как неисключенная систематическая погрешность использованных средств измерений. Проведено сопоставление случайной и систематической погрешности по стандартным процедурам согласно ГОСТ 8.207-76. Число образцов по каждой методике обработки составило 9 (n = 9), число параллельных опытов 3 (m = 3).

ГЛАВА 3. Исследование свойств охры. В данной главе приведены результаты исследования физико-химических свойств охры, месторождения которой имеются в Кузбассе.

Исследуемый минеральный наполнитель охра представляет собой тонко измельченный порошок золотисто-желтого цвета. По содержанию гидрата оксида железа исследуемая охра классифицируется как обыкновенная, у которой содержание Fe2O3 находится в пределах 17,6 %. В табл. приведены физико-химические свойства исходной охры.

Таблица Физико-химические свойства охры* Наполнитель Свойства Исходная охра ОхрарН 6 4-, Вт/(м К) 0,26±0,3 0,3 ± 0,Ср, кДж/(кг К) 0,6±0,02 0,75 ± 0,, кг/м2630 ± 0,06 2830 ± 0,d, мкм 34-44 16-н, кг/м680 ± 0,09 810 ± 0,Vуд, м3/кг 0,0015± 0,006 0,0012 ± 0,max, % 26,2 ± 1,2 29,3 ± 0,W, % - 1,91± 0,, град 32,11 ± 0,15 28 ± 0, 1,6 2,Твердость по Моосу 1-2 * Охра300 - охра термообработанная при температуре 300°С; рН – водородный показатель; – теплопроводность; Ср – теплоемкость; – истинная плотность; d – размер частиц; н –насыпная плотность; Vуд – удельный объем; max – максимальная объемная доля наполнения; W – содержание влаги и летучих; – угол естественного откоса, характеризующий сыпучесть материала; – степень полидисперсности.

Анализ результатов исследования основных физико-химических характеристик охры показал, что по размеру частиц исследуемая охра относится к группе среднедисперсных наполнителей (10 d 40 мкм). Полученное значение максимальной объемной доли наполнителя (max = 26 %), а также исследования частиц под микроскопом «Биолам Р-11» показывают (рис. 1), что частицы охры образуют рыхлые неплотные агломераты, что характерно для большинства дисперсных наполнителей.

По значению рН водной вытяжки поверхность частиц исследуемой охры является слабо кислой, знание данного показателя Рис. 1. Частицы охры необходимо для подбора поверхностнопри увеличении активных веществ (ПАВ). В табл. 2 представлены физико-химические свойства минеральных наполнителей, широко используемых в промышленных масштабах для наполнения ПП.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»