SU1035040A1 - Способ получени армированного пластика на основе термопластичных гибкоцепных полимеров - Google Patents

Abstract

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АРМИРОВАН-него ПЛАСТИКА НА ОСНОВЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ raSKOUEnjUX ПОЛИМЕРОВ путем экструзии их смеси, отличающийс  тем, что, с целью повыше ВИЯ прочности и жесткости армирован ного пластика, экструзию осуществл ют при содержании каждого полимера в смеси 5-95 вec.% давлении 0,510 кбар, степени обжати  5-50 и температуре на ниже температуры плавлени  низкоплавкого полимера в услови х экструзии, с последующей выдержкой экструдата при температуре, наход щейс  между температурами плавлени  полимеров при атмосферном давлении . 00 сд о о

Description

Изобретение относитс  к переработке термопластичных полимеров, а именно к получению армированного пластика н-а основе матрицы из термопластичного полимера, армированного волокнами из термопластичных материалов,, и может быть использова но в различных област х техники, химической промьшшенности, сельском Хоз йстве.

Известен способ получени  армированного пластика на бснове термоплатичных гибкоцепных полимеров путем смешени  термопласта с армируюи им волокном ( на основе полиэтилентерефталата ) с последующим формованием в изделие, например экструзией tl

Недостаток способа состоит в том что армирующее волокно должно быть предварительно сформовано, что значительно увеличивает стоимость армированного пластика.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положитель . ному эффекту к предлагаемому  вл етс  способ получени  армированного пластика на основе термопластичных гибкоцепных полимеров путем экструзии их .смеси при -температуре, выше температур плавлени  обоих компонентов и давлении менее О,2 кбар с последующим охлаждением до комнатно температуры. При этом в матрице однго полимера образуетс  большое число (1000 шт/мм)тонких (менее 10 мкм) волокон другого полимера. Матрицей . вл етс  тот компонент который образует непрерывную фазу в смеси, а волокна образует компонент  вл ющийс  дисперсной фазой. По этому способу получают армированные пластики из смесей полиамида с полиэтиле нтерефталатом, полиформальде гида с полиэтиленом, полиоксометиле на с сополиамидом, полиоксометилена с сополимером этилена с винилацетатом , сополиамида с полиэтиленом , сополиамида с полипропиленом, полиоксрметилена с полиметинолом, полипропилена с полиэтиленом. Содержайие каждого компонента в смеси составл ет от 0,5 до 50 вес.%. Таким образом, этот способ позвол ет одновременно формовать армирующее волокно и армированный пластик, что исключает стадии предварительного получени  волокна и его смешени  с термопластичным полимером ГЗЦ. Недостатком способа  вл ютс  невысокие значени  разрывной прочности и жесткости (модул  упругости)п лученного армированного пластика. Так, дл  смеси полиэтилен - полипро пилен прочность составл ет 1,82 ,3 кг/мм - при модуле упругости 80100 кг/мм .

Цель изобретени  - увеличение прочности и жесткости армированного пластика на основе термопластичных гибкоцепных полимеров.

Указанна  цель достигаетс  тем, что согласно способу получени  армированного пластика на основе термопластичных гибкоцепных полимеров путем экструзии их смеси, экструзию осуществл ют при содержании каждого

to полимера в смеси 5-95 вес.%, при давлении 0,5-10 , степени обжати  5-50 и температуре на 2-70°С ниже температуры плавлени  низкоплавкого полимера в услови х экструзии,

5 с последующей выдержкой.экструдата при температуре, наход щейс  между температурами плавлени  полимеров при атмосферном давлении.

Под температурой плавлени  низ0 коплавкого компонента ( полимера) понимаетс  его температура плавлени  в услови х экструзии, т.е. при давлении экструзии, поскольку температура плавлени  полимеров увеличивд5 етс  с ростом давлени  согласно уравнению Клаузиса-Клайперона. Дл  большинства- полимеров увеличение температуры плавлени  с давлением описываетс  формулой

Т„лр 0,02Р + Т„, ,

где - температура плавлени  при давлении Р(Р - величина давлени  в атмосферах), - температура плавлени  при атмосферном давлении.

Смесь термопластичных гибкоцепнык полимеров приготовл ют смешением в расплаве двух или более исходных компонентов на смесительном оборудовании, например на дву0 шнековых или одношнековых экструдерах , смесител х типа Вембери, вальцеванием при температуре выше температуры плавлени  высокоплавкого компонента смеси. После смешени  смесь

5 полимеров охлаждают до затвердевани . Если один или несколько компонентов смеси деструктируют ниже температуры их плавлени , то смешение их провод т осаждением из общеQ го растворител  с последукЯдей его отгонкой.

Армированный пластик получают на установке, включающей устройство позвол кхцее создавать и поддерживать давление до 10 кбар, например пресс л различной конструкции и экструзионную  чейку. На чертеже представлена схема экструзионной  чейки. Экструзионна   чейка включает матрицу 1, поршень 2, передающий усилие от устройства, создающего давление на смесь полимеров, наход щуюс  в матрице систему обогрева матрицы 3, позвол ющую поддержать заданную температуру итнабор сменных конусообразных фильер 4, кажда  из KOTOjcaax имеет определенное значение степени обжати . Фильера снаб жена системой охлаждени  и нагрева по-звол кщей поддёйживать нужную тем пературу экструдата внутри и на выходе -5. Под степенью о.бжати  фильеры следует понимать отношение площа ди входного отверсти  к площади сечени  выходного отверсти  ее. Дл  выдержки экструдата при необходимой температуре к выходу з кструзионной фильеры после термоизолирующей прок лащки Б подвод т матрицу со сквозным каналом 7, форма и сечение кото рого совпадает с формой и сечением выхода из фильеры. Матрица имеет систему охлаждени  - нагрева 8, поз вол ющую поддерживать необходимую температуру, лежащую между температурами плавлени  компонентов смеси при атмосферном давлении. При прохождении смеси полимеров через конусообразную фильеру происходит Интенсивна  ориентаци  низко- и высокоплавкого компонентов смеси, при этом происходит формование войл коподобной структуры, в которой. микроволоконца каждого компонента соединены в более крупные структурные образовани  ( волокна, ориен тирование вдоль направлени  экструзии и отделенные друг от друга прот женными трещинами. Такую структуру материал приобретает из-за различной способности компонентов к ориентационному выт гиванию и ориёнтационно упрочнению, а также из-за преобладани  коге.зионного вза имодействи  компонентов над адгезио между ними. При выдержке экстр дата между температурами плавлени  компонентов низкоплавкий компонент смеси расплавл етс  и образует матр цу армированного пластика, а высокоплавкий образует армирующий во- локнистый материал. в качестве термопластичных гибко цепных полимеров используют полиолефины , например полиэтилен низкой (ПЭНП) или высокой (ПЭВП плотности , полипропилен , полиамиды, такие как полиамид-12 {ПА-127 , полиамид-6 (ПА-б, полиамид-6,6 (ПА-б,67, поли эфиры, например, полиэтилентерефталат , (ПЭТФ), полпацетали, например полиоксиэтилен (ПОЭ ), полиоксиметилен (ПОМ) и т.д. Способ осуществл етс  следующим образом. В матрицу экструзионной  чейки загружают- смесь термопластичных полимеров Выход Из экструзионной  че ки внизу матрицы 7 закрывают клин видной пробкой. С помощью систем на рева и охлаждени  - нагрева ycTaliaB ливают необходимую температуру в матрице, фильере, и на выходе из . фильеры. Ввод т поршень в матрицу и создают давление, равное давлению экструзии Р, причем давление Р в те-, чение всего времени эксперимента поддерживают посто нным. После термостатировани  материала в течение примерно 30-40 мин убирают клиновидную пробку и провод т экструзию. : В ходе экструзии давление в матрице посто нно понижаетс , его поддерживают посто нным, перемеща  поршдль вниз с небольшой{менее 5 мм/мин)скоррстью .При. выборе давлени  экструзии необходимо учитывать, что температура экструзии, лежаща  в интервале Т пл. - (2-70),С, должна не превосходить температуру термодеструкции компонентов смеои.. Пример 1. В экструзионную камеру загружают 0,1 кг смеси 5 вес.% ПП и 9-5 вес.% ПЭ, полученной-расплавным смешением на двушнековом экструдере . Смесь экструдируют при . давлейии 0,5 кг при деформации сдвИга равной 5. Температура плавлени  ПЭ ( низкоплавкого компонента) и ПП йл (высокоплавкого компонента)равны соответственно и 166 с при атмо- . сферном давлении. При давлении 0,5 кбар (500 атм) по формуле Т Тлд -0,02Р температуры плавлени  низко- и высокоплавких компонентов смеси равны соответственно 141 и 176°С. Матрицу нагревают до TeNWiepaтуры 139 С закрывают выход клинооб разной пробкой, ввод т поршень в. матрицу , поднимают давление до 0,5 кбар, устанавливают температуру на выходе из фильеры равной , .термостатируют систему в течение 30 мин, вынимают пробку и провод т экстру- . зию..... Полученный такимобразом армировануый пластик имеет прочность на разрыв 8 к г/мм 2- и модуль упругости 421 jcr/MM. Пример ы 2-37, Процесс.получени  пластика осуществл ют как в примере 1, за исключением того,что измен ют состав смеси, вид полиме- ров, температуру экструзии, давление/ степень обжати  и температуру выдержки экструдата. Параметры процесса, состав и .прочностные характеристики полученного армированного пластика приведены в табл. 1. П Р и м е Р 38. сравнительный по прототипу . Бикомпонентную полимерную смесь Состава 5 .% ПП иПЭ 95 вес,% полученную расплавньм смешением на двушнековом экструдере продавливают через капилл р ( диаметр 0,5 мм, отношение длины -к диаметру ) при температуре и давлении 0,05 кбар. Экструдат на выходе охлаждают при 22с. Полученн армированный пластик имеет прочност на разрыв 3,3 кг/мм и модуль упругости 120 кг/мм Примеры 39-49.Пррцёсс пол чени  пластика осуществл ют как в Примере 38 за исключением того, что измн ют состав смеси, виды полимеро температуру и давление. Параметры, состав и прочностные характеристики приведены в табл. 2. Из приведенных примеров видно, что на конечные свойства армированного пластика вли ют следующие параметры процесса: состав смеси, тем пература экструзии, давление экстру зии, степени обжати  и температура выдержки экструдата после выхода из фильеры. Получены определенные зако номерности, св зиваю1цйе1 отдель.ные параметры экструзии с конечными физико-механическими свойствами, а также некоторые закономерности, учи тывающие их совместное вли ние на Свойства пластика. С учетом, этих ,за кономерностей выбраны параметры про цесса, таким образом, что в области выбранных параметров обеспечиваетс  увеличение прочности армированного пластика по мере в 2-2,5 ра Эа по сравнению с прототипом. Эти закономерности, объ сн ющие подбор параметров, обеспечивающих получени оптимальных свойс.тв армированного пластика, и объ сн ющие выбор параметров , приведены ниже. 1. Вли ние давлени  экструзии. Дл  всех, компо.зиций при увеличен давлени  экструзии наблюдают увеличение прочности и модул  армированного пластика (примеры 4,8-11). Однако эта зависимость не  вл етс  ли нейной, и при давлении 8-10 кбар« отмечаетс  эапределивание прочностныос свойств. Кроме того, экструзи  при больших давлени х 10 кбар может приво , дить к существенной термодеструкции полимеров, что сопровождаетс  падением прочности и модул  армированно , пластика. Необходимо отметить что.при экструзии жестких систем , в случае увеличени  содержани  высокоплавкого компонента в смеси или увеличение степени обжати , или понижение температуры экструзии При больших давлени х в экструдате На выходе из фильеры наблюдаетс  по вление поперечных макротрещин, что приводит к падению прочности пластика , режим экструзии становитс  циклическим с резким падением и сбросом давлени . Однако при этом прочностные характеристики пластика остёцотс  выше, чем у прототипа в 1,2,5-3 раза. Экструзи  при давлени х мен€е 0,5 кбаЕЗ не приводит к сущест венному увеличению физико-механических свойств армированного пластика 2.Вли ние температуры эк-струэии При исследовании вли ни  температура экструзии на фийико-механические свойства армированного пластика выг  снено что при увеличении температу ры до Тпл-2 происходит увеличение прочности и модул  получающегос  армированного пластика примеры 9,1315 ). Но эта зависимость имеет нелинейный характер, наблюдаетс  запределивание при температуре на 1- 4С ниже температуры плавлени  легкоплавкого компонента. Кроме того, экструзи  при высоких температурах может сопровождатьс  термодеструкцией полимеров, что приводит к существенному падению физико-механических свойств армированного пластика. При температурах, бли:зких или равных Температуре плавлени  низкоплавкого компонента, происходит нарушение сплошности экструдата, на поверхности его возникают спиральные трещины , что приводит к резкому падению прочности армированного пластика . При экструзии при низких температсурах т.е. ниже Т.,- резко возрастает величина давлени  необходимого дл  экструзии, и по вл ютс  дефекты св занные с экструзией жёсткого материала поперечные макротрёщины . 3.Вли ние степени обжати . Из примеров 12, 16-18 видно,что увеличение степени обжати  приводит к существенному увеличению физико-механических свойств армированного пластика, однако эта зависимость Takже нелинейна . Увеличение степени обжати  более 50 не приводит к существенному увеличению прочности и модул , при этом увеличиваетс  необходимое дл  экструзии давление, .и процесс экструзии становитс  неустойчивым . При уменьшении степени обжати  менее не удаетс  получить значительного по сравнению с прототипом улучшени  физико-механических свойств.. 4.Вли ние состава смеси. Из лримеров 1-7 видно, что п| очность и модуль армированного пластика практически линейно увеличиваютс  при увеличении содержани  жесткого высокоплавкого компонента. Это св зано с тем, что при увеличении содержани  высокоплавкого компонента растет количество армирун цего материала . Однако при большом содержании (более 70 вес,% )i жесткого компоненTa затруднена экструзи  смесей при больших степен х обжати  необходио существенное, по сравнению со смес ми с меньшим содержанием высокоплавкого компонента,повышение температуры экструзии и давлени  экструзии. Кроме -того,наблюдаетс  образование поперечных макротрещин, что приводит к некоторому уменьшевию прочностных характеристик а1 1ированного-пластика , а также усложн етс  переработка Полученного пластика в готовое изделие . Нахтример, полученному экструзией профильному армированному пластику (сечение в виде ленты, круга, двутавра ) можно придать определенную форму, нагрева  его несколько выше температурки плавлени  низкоплавкого компонента, изгиба  .его и охлажда  до температуры ниже плавлени  легкоплавкого компонента. После такой обработки пластик сохран ет приданную ему форму. Если содержание высокоплакого компонента велико, то при изгибе на. его поверхности возникают трещины, .а после охлаждени  он стараетс  прин ть исходную форму. Установлено , что при выборе компонентов дл  получени  армированного пластика оптимальной разностью их температур плавлени   вл етс  .

5. вли ние температуры выдержки экструдата на в,ыходе из фильеры.

Из примеров 17, 19-21, видно, что ,зависимость прочности и модул  армированного пластика от температуры выдержки носит экстремальный харгистер . Вы снено, что точка экстремума зависит от состава смеси. При содержании низкоплавкого компонента более 8Ъ вес.% оптимальным  вл етс  выдер;кка вблизи температуры плавлени  низкоплавкого компонента t. на выше f) при содержании легкоплавкого компонента от 70 до . 20 вес.% оптимальной  вл етс  температура мелщу температуракга плавлени  при содержании легкоплавкогчэ компонента менее 20 вес.% оптимальной  вл етс  температуру вблизи температуры плавлени  высокоплавкого комг понента. Кроме того вьщержка при температуре, превосход щей температуру экструзии дл  всех исследован, ных смесей, приводит к уменьшению фи . зико-йеханических свойств.

Ч 1Л

M

IN

СЛ

о го

n

vo r

n M

Claims (1)

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АРМИРОВАННОГО ПЛАСТИКА НА ОСНОВЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ГИБКОЦЕПНЫХ ПОЛИМЕРОВ путем экструзий их смеси, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности и жесткости армированного пластика, экструзию осуществляют при содержании каждого полимера в смеси 5-95 вес.%, давлении 0,510 кбар, степени обжатия 5-50 и температуре на 2-70^еС ниже температуры плавления низкоплавкого полимера в условиях экструзии, с последующей выдержкой экструдата при температуре, находящейся между температурами плавления полимеров при атмосферном дав- _е лении. S