Ударная вязкость полипропиленовых компаундов на основе стеклянных и ПЭТ-волокон

Введение

Термопластичные полимерные компаунды, наполненные короткими армирующими волокнами, используются в основном в изделиях конструкционного назначения благодаря их высоким упруго-прочностным характеристикам при малой плотности [2]. Типичными армирующими волокнами в подобных компаундах являются стеклянное и углеродное. Проблема здесь, однако, заключается в ограниченных возможностях вторичной переработки стекло- и углепластиков из-за хрупкого поведения стеклянных и углеродных волокон в шнековых парах экструдеров и термопластавтоматов (ТПА) [5]. Альтернативой могут служить термопластичные волокна, которые из-за их более низкого модуля упругости испытывают меньшие механические напряжения во время переработки и, соответственно, в меньшей степени повреждаются [1]. В исследовательской работе, проведенной в Институте переработки пластмасс (IKV: Institut fuer Kunststoffverarbeitung), входящим в состав Рейн-Вестфальской высшей технической школы (RWTH, г. Аахен, Германия), было решено проверить этот тезис на примере таких распространенных термопластов, как полипропилен (ПП), взятый в качестве матрицы, и полиэтилентерефталат (ПЭТ) в виде волокон. Аргументами в пользу выбора ПЭТ-волокон служили:

• их существенно меньшая физическая плотность (1,43 г/см³) по сравнению со стеклянными волокнами (2,5 г/см³), что обусловливает и меньший вес изделий, изготовленных из компаунда на их, – на 30 % при выбранной в работе степени наполнения (30 % мас.);
• доступность ПЭТ-волокон на рынке полимерного сырья – как в первичном, так и во вторичном виде (после переработки ПЭТ-бутылок).

Одной из поставленных в работе задач было оценить пригодность такого компаунда для замены стеклопластика в тех изделиях, от которых в первую очередь требуется более высокая ударная прочность [6]. Другими задачами работы были разработать концепцию повторной переработки и определить оптимальные технологические режимы компаундирования и литья под давлением исследуемого компаунда, поскольку в настоящее время отсутствуют глубокие знания о бережной переработке этой комбинации матрицы (ПП) и волокнистого наполнителя (ПЭТ-волокна).

1. Объекты и методики исследования

В качестве матрицы был выбран ПП марки 579S (производитель: Sabic). Поскольку ПП и ПЭТ несовместимы друг с другом, в качестве добавок были использованы компатибилизатор Scona TPPP 9012 GA, взятый в количестве 2 % (здесь и далее % мас.), а также стабилизатор BYK-Max HS 4303) в количестве 1 % (производитель обеих добавок: BYK-Chemistry).

Характеристики использованных двух типов ПЭТ-волокон, отличавшихся линейной плотностью, длиной и диаметром, а также стекловолокон приведены в табл. 1. Массовое содержание всех волокон в исследованных компаундах составляло 30 %. Исследуемые компаунды получили в дальнейшем следующие обозначения (см. табл. 1):

• PP-PET-1.7 (на основе более тонких и коротких ПЭТ-волокон);
• PP-PET-17 (на основе более толстых и длинных ПЭТ-волокон);
• PP-GF (на основе стеклянных волокон).

В некоторых случаях для сравнения с указанными компаундами использовали в качестве контрольных образцы ненаполненного ПП с обозначением РР.

Гранулированные компаунды изготавливали на экструзионной линии (рис. 1, а) на основе лабораторного двухшнекового экструдера модели ZSK26Mc18 (рис. 1, б) (производитель: Coperion). Диаметр шнека D составлял 26 мм, длина – 44 D. Температуру цилиндра варьировали в пределах технологического окна переработки ПП – с 200 до 240 °С. На основе предварительных экспериментов были выбраны сравнительно низкая скорость вращения шнеков (200 об/мин) и достаточно высокая массовая производительность экструзии (15 кг/ч), обеспечивающие в совокупности высокое качество гранулированных компаундов [3].

Компаундирующий экструдер (поз. 1 на рис. 1, а) был оснащен дозаторами матричного ПП-гранулята (2), компатибилизатора и стабилизатора (3), дозатором рециклята компаунда (4) с боковым питателем (5), а также дозатором волокон (6). На выходе из экструзионной головки стренга (7) проходила сквозь ванну охлаждения (8), после чего в грануляторе (9) нарезалась на гранулы (10). В случае производства исходных первичных компаундов использовали двухзаходные шнеки (11), при повторной переработке – трехзаходные (12) для более бережного обращения с рециклятом.

В процессе исследований варьировали температуру цилиндра, скорость вращения шнеков и количество циклов экструзионной переработки компаундов.

Критерием качества компаундов и одновременно их сравнения служила ударная вязкость по Шарпи, определяемая на образцах с надрезом в соответствии со стандартом DIN EN ISO 179-1. Образцы для испытаний изготавливали на полностью электрическом термопластавтомате (ТПА) модели Intelect 100-250 с диаметром шнека 30 мм (производитель: Sumitomo (SHI) Demag Plastics Machinery).

2. Результаты исследований и их обсуждение

2.1. Влияние параметров литья под давлением

В процессе исследованиях влияния режима литья под давлением на ударную вязкость материалов варьировали значения температуры материального цилиндра, скорости вращения шнека, скорости впрыска, температуры литьевой формы и давления подпитки. Как показали результаты испытаний на ударную вязкость а_k образцов, значимым параметром оказалась лишь температура цилиндра Т_ц, которую изменяли в пределах температурного окна переработки матричного ПП – от 200 до 240 °С. Было установлено, что при Т_ц, равной 200 °С, величина а_k у PP-PET-17 и PP-PET-1.7 существенно выше, чем при Т_ц, равной 240 °С, и выше, чем у PP-GF и РР (табл. 2). Причина этого была установлена при рассмотрении морфологии исследуемых образцов под микроскопом с подсветкой. Оказалось, что в образцах органопластиков, отлитых при Т_ц = 200 °C, ПЭТ-волокна распределяются равномерно и без видимых повреждений в отличие от ПЭТ-волокон в образцах, изготовленных при Т_ц = 240 °C.

Очевидно, при более высокой температуре материального цилиндра происходит более интенсивное разрушение ПЭТ-волокон в результате совместного термомеханического воздействия температуры и напряжений сдвига. Поэтому в дальнейшем в качестве оптимальной при литье образцов для испытаний была выбрана Т_ц, равная 200 °C. Обращает также на себя внимание существенно более высокие значения у образцов PP-PET-17 по сравнению с PP-PET-1.7 при обоих значениях Т_ц, что свидетельствует о значительно меньшей повреждаемости более толстых и длинных ПЭТ-волокон при переработке этих компаундов в материальном цилиндре ТПА.

2.2. Влияние повторной переработки

Для проверки пригодности исследуемых компаундов к повторной переработке сравнивали значения ударной вязкости исходного компаунда и компаундов, прошедших многократную повторную экструзионную переработку, а также обычную вторичную переработку. Результаты этих экспериментов представлены на рис. 2, где объекты исследований имеют следующие обозначения и предысторию:

• К+Л (исходный компаунд, переработанный литьем под давлением в образцы для испытаний);
• К+1Э+Л (исходный компаунд, переработанный экструзией и литьем);
• К+2Э+Л (исходный компаунд, прошедший 2 цикла экструзионной переработки и 1 цикл литья);
• К+5Э+Л (исходный компаунд, прошедший 5 циклов экструзионной переработки и 1 цикл литья);
• К+Л+И+Э+Л (исходный компаунд, прошедший обычную вторичную переработку, включающую стадии литья образцов, их измельчения, экструзии измельченного материала в гранулят и повторного литья).

Из рис. 2 видно, что у всех компаундов ударная вязкость после одного дополнительного цикла экструзии уже снижается примерно наполовину и продолжает снижаться с увеличением количества циклов экструзии, что объясняется, очевидно, увеличивающимся повреждением армирующих волокон в шнековой паре экструдера. Вместе с тем компаунды на основе ПЭТ-волокон демонстрируют существенно более высокие значения а_k по сравнению с PP-GF, в том числе даже в случае обычной вторичной переработки. При этом гораздо более высоким «запасом» ударной вязкости обладает компаунд PP-PET-17 на основе более толстых и длинных ПЭТ-волокон, чем PP-PET-1.7.

В дополнение к проведенным исследованиям было решено проверить, можно ли восстановить ударную вязкость, добавляя в переработанный компаунд новый матричный ПП и новые ПЭТ-волокна. Оказалось, что таким образом можно решить эту задачу, но лишь частично. Так, добавление первичных ПП и ПЭТ-волокон в количестве 50 % в компаунд PP-PET-17, прошедший 5 циклов экструзионной переработки (компаунд с обозначением «К+5Э+Л» на рис. 2), позволило значительно поднять его значение а_k – с 9,4 до 27,5 кДж/м², хотя и не достигнув исходной величины а_k (45,1 кДж/м²).

Выводы

Проведенные исследования показали, что компаунды на основе ПП-матрицы, наполненные 30 % мас. ПЭТ-волокон, не только легче, чем компаунды, наполненные тем же количеством стеклянных волокон, но и обладают гораздо более высокой ударной вязкостью. При этом, как при компаундировании, так и при литье под давлением, более низкая, но допустимая температура переработки оказывается благоприятной для ПЭТ-волокон. Кроме того, компаунды на основе более толстых ПЭТ-волокон, несмотря на почти 50%-ное снижение ударной вязкости после повторной переработки экструзией, демонстрируют значительно более высокое значение ударной вязкости, чем стеклопластик. Так, после пяти циклов переработки в двухшнековом экструдере значение а_k у органопластика оказалось выше, чем у стеклопластика после двух циклов переработки. И даже после обычной вторичной переработки ударная вязкость компаундов с толстыми ПЭТ-волокнами значительно выше, чем у стеклонаполненного и ненаполненного ПП-компаундов. Было также установлено, что добавление 50 % первичных ПЭТ-волокон и первичного ПП во вторичный компаунд может существенно компенсировать ухудшение ударной вязкости.

Impact Strength of Polypropylene Compounds Based on Glass and PET Fibers

Ch. Hopmann, P. Stolz, M. Schön, J. Steinmann

The possibility of replacing glass-filled compounds based on a polypropylene (PP) matrix with lighter compounds filled with short reinforcing fibers made of polyethylene terephthalate (PET) for those structural products for which their impact strength is crucial is investigated. It was found that the impact strength of the studied organoplastics decreases with increasing cycles of repeated extrusion processing, but to a much lesser extent than that of fiberglass. From this point of view, PP compounds based on PET fibers appear to be more preferable for recycling than those based on glass fibers. It was also found that the addition of 50 % primary PET fibers and primary PP to the secondary compound can significantly compensate for the deterioration in impact strength.

Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 4 (311) 2025 г., с. 18-21.