Введение
В автомобилестроении, производстве бытовой техники, электрообрудования и других отраслях промышленности все чаще и шире используются изделия на основе термопластичных полимерных композиционных материалов (ПКМ), наполненных короткими армирующими волокнами, которые обладают высокими удельными механическими характеристиками. Однако, компаундирование подобных гранулированных ПКМ является более сложным процессом по сравнению с переработкой ненаполненных полимеров и сопряжено с рядом технологических проблем и опасностью образования дефектов, вызванных присутствием наполнителя. Таковыми могут быть, например, плохое смачивание расплавом полимера поверхности стекловолокон (рис. 1, а), их разрывы (см. рис. 1, б) и истирание (см. рис. 1, в) и, как следствие, плохая адгезия на границе «полимерная матрица – волокно», уменьшение длины волокон и снижение прочности материала из-за их вырыва из матрицы при нагружении изделий (см. рис. 1, г).
Компания STEER Engineering накопила многолетний опыт производства подобных ПКМ. В ассортимент производимых ею экструдеров и экструзионных линий материалов входят компаунды на основе как стандартных (PP и PE), так и инженерно-технических (PA, PC, PC/ABS, ABS/SAN, POM, PET, PET/SAN) и даже суперконструкционных (PEEK, PAEK) пластиков, в том числе наполненных стеклянными и углеродными волокнами, углеродными нанотрубками и металлическим порошком, а также цветные суперконцентраты. Об инновационности подхода компании к своей работе свидетельствует обладание более чем 90 патентов.
Одной из разработок STEER Engineering стала так называемая технология фракционной геометрии FGT (Fractional Geometry Technology), согласно которой отдельные секции сонаправленных шнеков двухшнековых экструдеров, например, серии Mega (рис. 2, а), изготавливаются с различными углами наклона витков и другими геометрическими параметрами, подбираемыми к конкретному перерабатываемому материалу (см. рис. 2, б).
В настоящей работе была исследована эффективность использования подобных шнеков при переработке полиамида, наполненного стеклянными волокнами.
Объекты и методики исследований
В качестве объекта исследований был выбран полиамид PA6 марки nylon 6, наполненный 30 % коротких стеклянных волокон (GF: Glass Fibers) и обозначаемый в дальнейшем как PA6 30GF. Выбор этого материала был обусловлен его широким применением как в автомобилестроении, так и в производстве различной бытовой техники. Полиамиды представляют собой частично кристаллические термопласты, отличающиеся высокими механическими свойствами, химической стойкостью и хорошей технологичностью. Наполнение армирующими стеклянными или углеродными волокнами позволяет существенно повысить их упруго-прочностные свойства, ударную вязкость, тепло- и износостойкость.
Гранулят PA6 30GF изготавливали на производственной компаундирующей линии на базе двухшнекового экструдера серии Mega 40 с сонаправленными шнеками производства STEER Engineering (поз. 1 на рис. 3).
Условия переработки материала были следующие:
- соотношение диаметра и длины шнеков – 1:40;
- регулируемая частота вращения шнеков – от 300 до 800 об/мин;
- температура по зонам цилиндра – от 220 до 260 °C;
- производительность – 400 кг/ч.
К техническим характеристикам Mega 40 относятся следующие:
- мощность двигателя – 135 кВт;
- максимальная частота вращения шнека – 1200 об/мин;
- удельный крутящий момент – 15 Н×м/см3.
Полиамид и добавки подавали с помощью гравиметрического дозатора в зону загрузки (2), откуда эта смесь под действием вращающихся сонаправленных шнеков последовательно зоны плавления, перемешивания и предварительной гомогенизации к зоне подачи коротких стеклянных волокон (3), а затем и к зоне вакуумной дегазации (4) непосредственно перед дозированием смеси на выходе из экструдера (см. рис. 4). Далее экструдированные стренги материала (5) проходили через водяную ванну охлаждения (6) и попадали в гранулятор (7) с режущим устройством, откуда готовые гранулы (8) ссыпались в приемное устройство (9).
Следует заметить, что наличие в шнеках элементов динамического перемешивания DSE (Dynamic Stirring Elements) и фракционного перемешивания FME (Fractional Mixing Elements) предотвращало разрушение волокон и обеспечивало равномерное распределение стекловолокна в расплаве при меньшей скорости сдвига, а следовательно, при меньшем тепловыделении. Это обстоятельство позволяет снизить температуру переработки и, как следствие, избежать деструкции расплава и добиться более высоких механических свойств компаунда. Об этом, кстати, косвенно свидетельствует даже внешний гранул, полученных с использованием смесительных элементов шнеков FME и не имеющих следов пожелтения в отличие от переработки с применением элементов ZME (рис. 4).
Сравнивали следующие три варианта шнеков:
- с фракционной геометрией FGT;
- с зубчатыми смесительными элементами TMS (Tooth Mixing Screw Elements);
- стандартный STD (Standard Screw).
Из полученных трех фракций РА6 30GF затем изготавливали литьем под давлением образцы для испытаний на прочность при растяжении, модуль упругости при изгибе и ударную вязкость по Изоду согласно стандартам ASTM.
Результаты исследований и их обсуждение
Результаты эксперимента показали, что все исследованные механические характеристики литьевых образцов, изготовленных из гранулированного ПКМ РА6 30GF с использованием шнеков FGT оказались заметно выше, чем с применением шнеков STD и TMS (см. таблицу). Кроме того, меньшие значения имели температура перерабатываемого расплава и удельное энергопотребление, что важно и с экономической точки зрения.
Некоторые показатели переработки и свойств образцов, полученных из РА6 30GF с использованием шнеков STD, TMS и FGT
| Показатель | STD | TMS | FGT |
| Температура расплава, °С | 290 | 288 | 282 |
| Удельное энергопотребление, кВт/кг | 0,22 | 0,20 | 0,18 |
| Прочность при растяжении, МПа | 155 | 171 | 179 |
| Модуль упругости при изгибе, ГПа | 7,15 | 8,89 | 9,49 |
| Ударная вязкость по Изоду, кДж/м2 | 12,1 | 12,3 | 12,8 |
Особенно впечатляющими оказались результаты электронно-микроскопического исследования поверхности разрушения образцов, испытанных на растяжение (рис. 5). Так, в случае использования стандартных шнеков STD наблюдается выдергивание волокон из полиамидной матрицы, что свидетельствует о плохой адгезии на границе их контакта и, как следствие, неполной реализации прочности армирующих волокон (см. рис. 5, а). Напротив, при компаундировании с помощью шнеков FGT разрушение компаунда происходит с частичным разрушением самих волокон, а те, что выдергиваются из матрицы, не выглядят «сухими», как в случае шнеков STD, а покрыты слоем матричного полимера (см. рис. 5, б).
Вывод
Таким образом, использование сонаправленных шнеков FGT с фракционной геометрией при компаундировании ПКМ в виде наполненного стеклянными волокнами полиамида РА6 30GF позволяет существенно повысить его упруго-прочностные характеристики, чем при использовании других шнеков. Кроме того, при этом снижается энергопотребление и температура переработки, что благоприятно сказывается на свойствах компаунда.
Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 7 (302) 2024 г., с. 18–20.
