Диплом. ОсиповДИПЛОМ (1). Дипломная работа на тему " Физикомеханические и эксплуатационные свойства полипропилена " Заведующий кафедрой

• Название: Дипломная работа на тему " Физикомеханические и эксплуатационные свойства полипропилена " Заведующий кафедрой
• Анкор: Диплом
• Дата: 06.05.2021
• Размер: 1.3 Mb.
• Имя файла: ОсиповДИПЛОМ (1).docx
• Тип: Диплом; #202198
• страница: 7 из 8

3.1.6. Получение композиционных материалов на основе

полипропилена и полиэтилена

1) . Получение полимерных смесей

Полимер в форме гранул, наполнитель и модификатор помещали в емкость при интенсивном перемешивании с помощью мешалки (620 об/мин). Затем смесь загружалась в бункер экструдера. В результате экструдирования смеси получали стренги, которые охлаждали в воде и подвергали ножевому гранулированию размером 3-5 мм. Удаление влаги из гранулированного полимера осуществлялось в сушильном шкафу при температуре 60-70 ºС.

В работе был использован двухшнековый лабораторный экструдер с производительностью 5000 г/ч, рабочей частотой вращения шнека (длина 440 мм, диаметр 30 мм, длина кулачков 280 мм) до 150 оборотов в минуту, снабженный водяным охлаждением. Шнеки экструдера вращаются в одном направлении. Шнеки приводятся в движение двигателем мощностью 3000 Вт.

При переработке полиэтилена температура поддерживалась на уровне

160-180 ºС, а при переработке полипропилена 210 ºС .

2). Литьё под давлением полимерных смесей

В настоящей работе использована литьевая машина Д-3322 с номинальным объемом впрыска 63 см³, диаметром шнека 36 мм, ходом плиты 25см, временем запирания/раскрытия инструмента три секунды. Литьевая машина имеет четыре зоны обогрева, мощность электрообогрева составляет 3000 Вт. Литьевая машина питается от сети 380 В.

Для получения композитов на основе полиэтилена в трех первый зонах поддерживалась температура150, 160 и 170 ºС соответственно при времени компрессии десять секунд и времени охлаждения восемь секунд.

Для получения композитов на основе полипропилена в трех первых зонах поддерживалась температура190, 220 и 230 ºС соответственно при времени компрессии десять секунд и времени охлаждения восемь секунд.

В результате получали образцы в форме брусков длиной 55,5 мм, шириной 6 мм и высотой 4 мм с точностью до 0,3 мм и лопаток длиной 99 мм, шириной 6 мм и высотой 4 мм с точностью до 0,3 мм.

3). Прессование композиций полипропилена

Прессование осуществляли на прессе марки УФАН. Материал последовательно выдерживали под давлением 30 кгс/см³ и 150 кгс/см³ по пять минут при каждом давлении. Температура поддерживалась равной 493К. Затем производили охлаждение с разъемом плит при температуре 323К.

3.2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.2.1. Определение температуры плавления на плитке

Температуру плавления образцов определяли по показаниям термометра, соответствующим началу плавления образца на специальной полимеризационной плитке.

3.2.2.Определение горючести полимерных композиционных материалов

В данной работе определялся предел распространения пламени для полосок полимерных композитов с геометрическими параметрами 7,5 х 0,9 х 0,15см, отстоящими на расстояние 1 см друг от друга. В работе измерялось время полного сгорания пластины образца композиционного материала.

3.2.3 Определение теплопроводности композиций полиолефинов

Исследования температурных зависимостей теплопроводности композитов, содержащих УНТ, проводили на измерительной системе (ИС), позволяющей в одном краткосрочном эксперименте определять температурные зависимости теплопроводности твердых материалов через определяемые программно интервалы температуры. Для определения теплопроводности в ИС используется метод динамического λ-калориметра. Измерительная система построена в результате существенной модернизации измерителя теплопроводности ИТ-400. Сигналы с термопар подаются на входы аналого-цифровой платы PSI–1202H. Термостатирование адиабатической оболочки реализуется программным обеспечением (ПО) системы через выходные каналы ЦАП платы. Напряжение питания основного электрического нагревателя измерительной ячейки обеспечивает соблюдение условий установившегося теплового режима второго рода при разогреве образца.

Схема ИС представлена на рис.1. Измерительная ячейка (ИЯ) состоит из адиабатной оболочки 1, основания 5, тепломера 4 и стержня 2, между которыми устанавливается испытуемый образец 3. Чувствительными элементами ИС являются термопары, холодные спаи которых соединены с входами блока холодных спаев 9, входы которого термостатированы массивным алюминиевым блоком. Сигнал Нот датчика, а так же сигналы Аот термопар поступают на вход АЦП/ЦАП платы 11 компьютера 10. Компенсация температуры холодных спаев производится программным обеспечением ИС.

Разработанная программа обрабатывает данные, поступающие с термопар. Управление процессом измерения осуществляется ПО, посылая сигналы G через ЦАП на блок питания и регулирования 12. Управление нагревом осуществляется за счет изменения мощности, выделяемой нагревателями 6 и 7.

С целью защиты элементов ИЯ от перегрева в состав ИС включен блок аппаратной защиты и коммутации 13. Основной частью блока является реле, реагирующее на сигнал D от датчика температуры 8 и защищающее ИЯ от перегрева. Блок реализует алгоритм коммутации посредством релейной части, а также управляет силовым реле 14, подключающим блок питания и регулирования к сети 15.


Рис. 1. Схема измерительной системы:

1– адиабатная оболочка; 2 – стержень; 3 – образец; 4 – тепломер; 5 – основание; 6 – нагреватель оболочки; 7 – нагреватель основания; 8 – датчик температуры; 9 – блок холодных спаев; 10 – ПК; 11 – PCI совместимая плата АЦП/ЦАП; 12 – блок питания и регулирования; 13 – блок аппаратной защиты и коммутации; 14 – реле; 15 – сеть 220В, 50Гц;A – измерительные сигналы термопар; B – питание нагревателя основания; C – питание нагревателя оболочки; D – сигнал от датчика температуры основания; E – питание блока питания и регулирования; F – питание блока холодных спаев; G – сигнал,управляющий нагревом ; H– сигнал с датчика температуры холодных спаев термопар.

3.2.4. Определение прочности образцов при деформации на изгиб

Определение прочности композитов на изгиб осуществлялось в соответствии с ГОСТ 6806-73 методом двухопорного изгиба. Испытаниям подвергались образцы в форме брусков 55,5 х 6 х 4 мм при межопорном расстоянии в 4 см. Предел прочности на изгиб рассчитывали по уравнению:

σ_и = 1,5 (Рa)/(bс²) ,

где: σ_и – предел прочности на изгиб (разрушающее напряжение); a – межопорное расстояние; b, с – ширина и толщина образца соответственно, Р – величина прилагаемой нагрузки.

Значения прочности при изгибе определялись как среднее из десяти экспериментов, проведенных для каждого образца.

3.2.5. Определение ударной вязкости образцов по Шарпи

при комнатной и минусовой температурах

В данной работе ударную вязкость по Шарпи (УВШ) определяли в соответствии с ГОСТ 4647-80. Ударную вязкость по Шарпи рассчитывали по уравнению:

a_n = A_n/(ab) ,

где: a_n – ударная вязкость по Шарпи; A_n – затрачиваемая энергия удара на разрушение образца без надреза; a, b – ширина и толщина в середине образца.

Значения ударной вязкости по Шарпи определялись как среднее из десяти экспериментов, проведенных для каждого образца.

Для проверки морозостойкости образцов их выдерживали при температуре –30 °С в течение одной недели с последующим измерением их ударной вязкости по Шарпи.

3.2.6. Изучение устойчивости полимерных композитов

к действию УФ излучения

Испытания проводили в камере марки ORMALAB (Италия), снабженной лампой, излучающей в диапазоне длин волн от 0,29 до 0,32 мкм. Образцы помещали в камеру на заданное время с последующим измерением прочности и ударной вязкости по Шарпи.

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1. Определение температурных зависимостей теплопроводности
композитов на основе полипропилена

Теплопроводность полимеров - способность полимерных тел переносить тепло от более нагретых элементов к менее нагретым. Она зависит от температуры, химической структуры и физического состояния.

Теплопроводность измеряется в Вт / м·К, т.е. это количество теплового потока, проходящего через образец материала толщиной в единицу длины (метр) при единичном температурном градиенте (1 К).

Теплопроводность кристаллических полимеров больше, чем аморфных. С увеличением температуры от -180 до 150°С теплопроводность кристаллических полимеров падает (полиэтилен, например), других - растет (полипропилен).

При создании конструкционных полимерных материалов с заданными свойствами часто возникает задача регулирования теплофизических свойств. Несмотря на то, что теплофизические свойства различных базовых полимеров достаточно близки и отличаются всего в несколько раз, применение добавок позволяет создавать композиционные полимерные материалы, у которых эти свойства отличаются в десятки и сотни раз.

Так, теплопроводность полимеров может быть резко уменьшена путем создания ячеистой структуры полимера, т.е. создания газонаполненных материалов. Широко известны и применяются при создании теплоизоляционных материалов в машиностроении и строительстве пенопласты на основе полистирола, поливинилхлорида, полиэтилена, полиуретана и других полимеров. Увеличение теплопроводности полимеров достигается путем введения в композицию металлических наполнителей (порошкообразных или волокнистых), графита, углеродных тканей и других материалов с высокой тепло-, электропроводностью. Содержание наполнителя для этих целей составляет 40-60 % по объему.

Важнейшим показателем качества материалов применяемых в качестве теплоизоляционных и теплоносителей является их теплопроводность.

Как известно [25], полимеры относятся к классу низкотеплопроводных материалов. Применяемый в настоящее время технологический прием создания полимеров с более высокой теплопроводностью, в основу которого заложено введение в полимерную матрицу металлических порошков, оказывается малоэффективным и сопровождается снижением прочностных характеристик и увеличением веса полимерного материала [26].

В ракетно-космической технике востребованы конструкции, способные работать без изменения геометрических размеров в интервале температур -170…+177 град.С. Эффективным приемом создания термостабильных конструкций считается применение полимерных композиционных материалов с малыми значениями коэффициента линейного термического расширения и высокой теплопроводностью[27]. Наилучшим образом для этой цели подошли бы углепластики при условии значительного увеличения их теплопроводности в направлении больших ожидаемых температурных перепадов. Хотя теплопроводность углепластиков в несколько раз превышает теплопроводность стекло- и органопластиков, она заметно уступает не только алюминий-магниевым сплавам, но и некоторым сталям.

Исследования температурных зависимостей теплопроводности композитов, содержащих углеродные нанонаполнители, проводили на измерительной системе (ИС), разработанной в Тамбовском государственном техническом университете, и позволяющей в одном краткосрочном эксперименте определять температурные зависимости теплопроводности твердых материалов через определяемые программно интервалы температуры. Для определения теплопроводности в ИС используется метод динамического λ-калориметра. Измерительная система построена в результате существенной модернизации измерителя теплопроводности ИТ-400 [28].

Калибровку ИС проводили по аттестованным образцам (стекло КВ, стекло ТФ-1) с определением таких констант как коэффициент преобразования тепломера и поправки на величину контактных термических сопротивлений между образцом и поверхностью тепломера (рис. 1).

Как известно, введение наполнителей или модификаторов в полимерную матрицу влияет на теплопроводность, причем численное значение теплопроводности () композиционного материала будет определяться не только количеством введённой добавки, но и характером её взаимодействия с полимерной фазой.



Рис. 1. Зависимость теплопроводности аттестованных образцов
из стекла КВ (1) и стекла ТФ-1 (2) от температуры.

Зависимости теплопроводности композиционных материалов на основе полипропилена с наполнителями УНТ, УНВ и ЧГ от температуры представлены на рисунках 2 , 3 и 4. Каждая из зависимостей представляет собой результат усреднения пяти параллельных опытов.


Рис. 2. Зависимость теплопроводности композиционных материалов
на основе полипропилена с наполнителем УНТ от температуры.
Количество наполнителя: 1 – исходный материал; 2 – 0,1мас. % УНТ



Рис. 3. Зависимость теплопроводности композиционных материалов
на основе полипропилена с наполнителем УНВ от температуры.
Количество наполнителя: 1 – исходный материал; 2 – 1 мас.% УНВ

Наполнение ПП углеродными нанодобавками несколько повышает теплопроводность материала во всём исследуемом интервале значений температуры (55…110°C), фактически не меняя характера зависимости.



Рис. 4. Зависимость теплопроводности композиционных материалов
на основе полипропилена с наполнителем ЧГ от температуры.
Количество наполнителя: 1 – исходный материал; 2 – 0,01 мас.% ЧГ

Обобщая вышеизложенное, можно сказать, что, несмотря на высокую теплопроводность отдельных углеродных нановолокон и нанотрубок, входящих в состав материала, теплопроводность композитов, полученных с их помощью, повышается по сравнению с исходным ПП не столь существенно как можно было ожидать, очевидно, из-за слишком малого содержания нанодобавок. Однако разные по структуре нанодобавки дают различные эффекты повышения теплопроводности.

При сравнении композитов на основе графена, УНТ и УНВ заметна более высокая теплопроводность с графеном (0,35), очевидно за счет лучшего распределения, с УНВ ( 0,32) , а с УНТ теплопроводность еще ниже и равна 0,29 во всем диапазоне изученных температур.

Таким образом, используя нанонаполнители в ПП, удается повысить теплопроводности композита, уменьшить температурные перепады и тем самым снизить температурные деформации, что может расширить области применения данных материалов.
4.2. Изучение влияния низких температур и УФ излучения на свойства

нанокомпозитов на основе полипропилена

Для оценки возможности применения изделий из полимеров необходимо знать их устойчивость к механическим нагрузкам при пониженной температуре. Установлено, что результатом введения нанодобавок оптимальных концентраций в модифицированный лапролом ПП является повышение ударной прочности по сравнению с исходным полипропиленом после выдержки в течение 7 суток при температуре -30°С (рис.1), особенно это заметно при введении 0,01 мас.% графена.

Рис.5. Ударная вязкость композиций на основе ПП и углеродных нано-наполнителей после выдержки при -30°С



Рис. 6. Прочность при изгибе композиций полипропилена после выдержки при УФ облучении

При добавлении ЧГ, УНВ и УНТ в модифицированный ПП устойчивость к старению при воздействии УФ излучения увеличивается по сравнению с исходным ПП, что связано со способностью нанонаполнителей улавливать макрорадикалы, образующиеся в процессе старения (фотодеструкции) и рассеивать УФ излучение

4.3 Изучение горючести композиций полипропилена

Большинство промыш­ленных полимеров — органические вещества, которые при температуре 500 °С воспламеняются и горят.

Полимеры по своему поведению при горении так же, как и при нагревании в средах с различной концентрацией кислорода, подразделяются на две группы: деструктирующиеся с разрывом связей основной цепи и образованием низкомолекулярных газообразных и жидких продуктов и коксующиеся. Образующиеся низкомолекулярные газообразные и жидкие продукты пиролиза могут быть горючими и негорючими.

Горючесть полимерных материалов, в основном, зависит от соотношения теплоты, выделяемой при сгорании продуктов пиролиза, и теплоты, необходимой для их образования и газификации.

Для снижения горючести полимеров используют: 1) замедление реакций в зоне пиролиза снижением скорости газификации полимера и количества образующихся горючих продуктов; 2) снижение тепло- и массообмена между пламенем и конденсированной фа­зой; 3) ингибирование радикалоцепных процессов в конденсированной фазе при ее на­греве и в пламени. Практически указанные направления реализуются путем использова­ния химически модифицированных полимеров, в том числе с минимальным содержанием водорода в структуре, термоустойчивых (типа полиариленов и полигетероариленов), пу­тем введения в состав полимерного материала минеральных наполнителей, антипиренов, нанесение огнезащитных покрытий, а также комбинацией этих методов.

Полимерные материалы подразделяются (по одной из многих классификаций) на негорючие, трудносгораемые и горючие. Критерием отнесения полимерного материала к группе негорючих является его неспособность гореть на воздухе при температуре среды 900–1100 °С.

Показателями, характеризующими горючесть полимерных материалов, являются, в зависимости от метода определения горючести, температура воспламенения, скорость горения, теплота сгорания, температура поверхности горящего материала и другие. Благодаря высокой воспроизводимости результатов наибольшего внимания заслуживает метод калориметрии и метод кислородного индекса.

Согласно принятой в России классификации полимерные материалы делят на сгораемые, трудносгораемые и несгораемые. Из сгораемых материалов выделяют трудновоспламенямые, а из них и трудносгораемых — самозатухающие. Используемая за рубежом классификация материалов по огнестойкости приблизительно соответствует отечественной. Например, полимерные материалы, характеризуемые такими показателями, как огне- и пламесопротивляемость, огне- и пламеустойчивость, а также огне- и пламезамедление, близки к полимерным материалам, характеризуемым как трудносгораемые и трудновоспламеняемые.

Таблица 1. Горючесть композиций полипропилена

Композиция	Время сгорания, сек.
1.ПП исх.	35
2.ПП + ООПГ + 0,01% графен(опудр)	43
3.ПП + ООПГ+ 0,01 % графен (озвуч)	77
4. ПП +ООПГ+УНТ 0,1 %	76
5. ПП +ООПГ+ 0,1%УНВ	110

Из таблицы 1 и диаграммы видно, что сгорание образцов (пластин) из КМ на основе ПП и нанодобавок происходит по-разному. Быстрее всего сгорает исходный ПП. Введение графена в ПП, особенно озвученного, повышает время сгорания в 2 раза, тоже относится и к нанотрубкам, хотя концентрация их в 10 раз выше по сравнению с графеном. Наименьшая горючесть характерна для композитов ПП на основе углеродных нановолокон, очевидно, за счёт более плотной упаковки матрицы с нановолокнами.