Введение
Многостенные УНТ представляют собой, как известно, несколько концентрических трубок из свернутых графеновых листов, располагающихся одна в другой. Их диаметр составляет всего несколько нанометров, длина может достигать нескольких миллиметров. Отличительными особенностями УНТ являются очень высокий модуль упругости и хорошая электро- и теплопроводность. При введении сравнительно небольшого количества УНТ в полимер, например, в ПК, можно существенно повысить его механические и специальные свойства.
ПК представляет собой бесцветный аморфный термопласт технического назначения, обладающий высокой ударной вязкостью, сохраняющейся вплоть до –40 °C, и хорошей стабильностью размеров. Он широко используется в производстве медицинского оборудования, в том числе стерилизуемого, кухонной утвари, пригодной для использования в микроволновой печи, светильников, линз, защитных экранов, остекления и пр. Недостатками ПК, однако, являются низкие показатели износостойкости и усталостной прочности, повысить которые могло бы его наполнение УНТ.
Оптимальным способом производства полимерных композиционных материалов на основе ПК и УНТ (ПК/УНТ), а затем и коммерциализации этих композитов, как показывает опыт индийской компании STEER, является компаундирование компонентов в двухшнековом экструдере с сонаправленными шнеками с последующим гранулированием. На морфологию полученных гранул ПК/УНТ, механические свойства и удельное поверхностное электрическое сопротивление существенно влияют параметры процесса экструзии, от которых зависит качество диспергирования и распределения УНТ в ПК.
На электрические свойства ПК/УНТ, в свою очередь, сильно влияют такие факторы, как тип УНТ, метод их синтеза, соотношение длины и диаметра, способ поверхностной обработки, вязкость расплава, методы диспергирования и постобработки. Кроме того, необходимо учитывать, что частицы УНТ являются потенциально опасными для здоровья, и требуется предотвратить попадание углеродной пыли в окружающую среду в целях обеспечения безопасных условий труда.
Технология компаундирования ПК/УНТ
На рис. 1 (а) представлена схема технологической линии производства гранулята ПК/УНТ на основе двухшнекового экструдера модели Omega 40 H компании STEER (соотношение L/D = 52, где L и D – длина и диаметр шнеков соответственно), которая полностью отвечает указанным выше требованиям. Многозонный экструдер, приводимый в действие от привода с высоким крутящим моментом (high torque), включает последовательно расположенные зоны загрузки гранулята ПК (1), заданного количества УНТ (2), плавления, вентиляции (3), смешивания, вакуумирования (4) и дозирования. На выходе из экструдера стренги ПК/УНТ попадают в ванну охлаждения, а затем в гранулирующее устройство (5), откуда гранулы (6) поступают в бункер сбора (7).
Главной проблемой при использовании УНТ в качестве наполнителя полимерных компаундов является сложность равномерного распределения УНТ в объеме полимера из-за их сверхтонкого гранулометрического состава. В компании STEER эта проблема решается за счет так называемой фракционной геометрии (fraction geometry) запатентованных многозонных шнеков (рис. 2), у которых геометрические параметры каждой зоны оптимизированы под соответствующую стадию переработки компаунда (загрузка, плавление, вентиляция и т.д.). По этой причине и технология компаундирования, опробованная на многих полимерных материалах, получила название технологии фракционной геометрии FGT (Fraction Geometry Technology).
Результаты эксперимента и их обсуждение
Концентрированный гранулированный компаунд ПК/УНТ получали на указанной выше линии с содержанием УНТ, равным 15 % (рис. 3, а), после чего его «разбавляли» гранулятом ПК до содержания УНТ, равного 2, 3, 4 и 5 % (здесь и в дальнейшем подразумевается массовое содержание УНТ) и изготавливали из этого компаунда методом литья под давлением стандартные образцы для электрических и механических испытаний (рис. 3, б).
Из рис. 4 (а) видно, что, как и следовало ожидать, с увеличением содержания С УНТ повышается электропроводность ПК/УНТ или, иначе, снижается поверхностное сопротивление rпов компаунда. Но при всех значениях С значение rпов ПК/УНТ от компании STEER в той или иной степени меньше, чем у подобных компаундов, представленных на рынке фирмами-конкурентами, обозначенными на рис. 4 римскими цифрами I, II и III. Это особенно заметно при небольшом содержании УНТ (2, 3 и 4 %). Данный факт свидетельствует о более высокой электропроводности компаундов ПК/УНТ STEER, что можно объяснить лучшим диспергированием УНТ в составе ПК в процессе компаундирования.
Этим же обстоятельством, очевидно, объясняются и более высокие, чем у конкурентов, механические показатели компаундов ПК/УНТ STEER – прочность при растяжении sр и относительное удлинение при разрыве eр (см. рис. 4, б). Что касается удельной ударной вязкости ауд, то она несколько ниже, чем у фирмы I, но выше, чем у фирмы II.
На рис.5 представлены снимки, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии и иллюстрирующие высокую равномерность распределения УНТ в ПК как в гранулах (см. также рис. 2, а), так и в литьевых образцах (см. также рис. 2, б).
Вывод
Полученные в данной работе результаты свидетельствуют о том, что технология FGT компаундирования смеси ПК с УНТ на экструдерах серии Omega позволяет добиться равномерного распределения УНТ в составе ПК, о чем свидетельствуют данные микроскопии и высокие показатели механических свойств компаундов ПК/УНТ.
Справка
С 2011 г. компания ООО «Оссбергер» занимается продажей и консультацией в сферах переработки вторичного сырья и экструзии, поиском и доставкой необходимых деталей. В настоящее время компания успешно сотрудничает с экспертами и ведущими мировыми производителями, включая STEER, которые предоставляют самые современные технологические решения для клиентов ООО «Оссбергер» – переработчиков пластмасс из России и стран СНГ.
Technology for the Production of Compounds Based on Polycarbonate and Carbon Nanotubes
P. Hadimani
Polycarbonate (PC) composites were processed with carbon nanotubes (CNT) using twin screw extruder of the Omega series with Fraction geometry technology. Extruded PC/CNT 15 wt. % compounded pellets were further diluted to CNT 2, 3,4 and 5 wt.% with PC pellets and fabricated using injection molding to perform mechanical and electrical properties.
Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 11 (306) 2024 г., с. 10-12.
