Свойства наполнителей, применяемых при производстве труб «Электрокор».

Тальк

Тальк – минерал из класса водных алюмосиликатов, группа талька. Химическая формула Mg3[Si4O10](0H)2. Блеск жирный, перламутровый. Удельная твердость по Шору равна 1. Удельный вес равен 2,7-2,8 кг/см³.Цвет светло-зеленый, зелевота-белый, желтовато-белый, белый. В кристаллической структуре талька между слоями, состоящими из гексагональных сеток, образуемых кремнием и кислородом, находятся катионы магния. Спайность у талька совершенно случайная.

В природе существует в нескольких разновидностях: миннесотатит (содержание Fe 50-80 ат. %), виллемсеит (с содержанием никеля), агалит (структура материала – тонковолокнистая), благородный тальк (прозрачный светлый).

Рисунок 6. Микрофотография талька.

В природе образуется путем действия на магнезиальные силикаты (оливин, пироксены, амфиболы, хлориты) и алюмосиликаты гидротермальных вод, содержащие углекислоту и кремнезем. Доломит под действием гидротермальных вод превращается в тальк. Также образуется под действием высокого давления. Тальк такого происхождения встречается в кристаллических сланцах (тальковые, тальково-слюдяные сланцы).

Выпускаемый промышленностью тальк представляет собой тонкодисперсный порошок. В зависимости от назначения размер частиц может варьироваться в широких пределах. Для талька характерна высокая удельная поверхность вследствие пластинчатой формы частиц. Тальк является химически инертным веществом, плохо вступающим в химические реакции.

Тальк – один из наиболее распространенных наполнителей, используемых для наполнения полимеров. При его добавлении в полимер снижается себестоимость, уменьшается вес, улучшаются физико-механические характеристики. Также тальк применяется в качестве нуклеатора. Эффективность его по сравнению с органическими нуклеаторами невысока, они в основном применяются для полиолефинов. Для блок- и статических сополимеров они малоэффективны. Основное предназначение состоит в повышении жесткости и размерной стабильности изделий.

В изделиях тальк улучшает модуль упругости при изгибе и обеспечивает ударную вязкость, уменьшая коробление изделий, увеличивает термостабильность. Также наполненные композиции обладают повышенной деформационной стойкостью, сопротивлением ползучести, более низкой усадкой.

Также наблюдаемые эффекты – уменьшение ударной вязкости и относительного удлинения при разрыве, также снижение линии сварки.

При переработке тальк добавляется в материал на основе материала «Армлен», которые производятся на основе полипропилена и полиэтилена.

Карбонат кальция.

В природе карбонат кальция встречается в виде трех форм: мела, известняка и мрамора. С точки зрения модифицирующего воздействия при добавлении, наиболее оптимальным считается мрамор, из-за высокой белизны, прочности и формы частиц, близкой к сферической. Применение природного карбоната кальция в качестве модификатора обусловлено свойствами этого материала. Это природный материал, который нетоксичен, не имеет запаха и вкуса. Молотый мрамор имеет хорошую дисперсность и, как результат, хорошо совмещается с полимерной матрицей и легко перерабатывается. Помимо этого, мрамор широко распространен в мире, добывается карьерным способом и имеет низкую себестоимость.[1]

За счет низкой себестоимости карбоната кальция, которая меньше, чем у полиолефинов, и улучшении некоторых свойств он активно применятся в промышленности в качестве наполнителя. При добавлении карбоната кальция улучшается качество поверхности, но в тоже время материал охрупчивается.

Ключевая роль в переработке наполненных композиций, что карбонат кальция более теплопроводен, чем полиэтилен теплопередача в нем происходит быстрее, чем в чистом полимере.

материал	Коэффициент теплопроводности (Вт/м*К)
ПЭНД	0,45
ПП	0,20
СаСО3	2,70
ПП+20%СаСо3	0,42
ПП+40%СаСО3	0,56

 

Быстрая передача тепла обеспечивает более быстрый и равномерный прогрев полимерного композиционного материала, за счет чего обеспечивается более быстрый и равномерный прогрев полимерного композиционного материала и более быстрое охлаждение, что позволяет уменьшить время технологического цикла. Кроме того карбонат кальция улучшает модуль упругости при растяжении (модуль Юнга). Повышение модуля Юнга позволяет увеличить кольцевую жесткость трубы – величину, определяющую границы применимости трубы (нагрузку, выдерживаемую трубой без потери геометрической формы).

Кроме того, карбонат кальция позволяет расширить температурный интервал, в котором возможно термоформование полимерной композиции.

Для улучшения физико-химических характеристик получаемого композиционного материала зачастую обрабатывают частицы карбоната кальция стеариновой кислотой, что позволяет повысить его гидрофобность, и соответственно диспергируемость в композициях с полиэтиленом (стеараты используются в качестве внутренних смазок). Без поверхностной обработки частицы карбоната кальция образуют крупные агрегаты, которые чрезвычайно трудно равномерно диспергировать в матрице полимера, что приводит к резкому падению физико-механических свойств. Стеариновая кислота регулирует поверхностную энергию частиц карбоната кальция, делает поверхность гидрофобной, что, во-первых, повышает совместимость карбоната кальция с неполярным полипропиленом, а во-вторых, существенного снижает водопоглощение полученной смеси при хранении. Обработанный стеариновой кислотой карбонат кальция намного легче распределяется в матрице полимера, и конечный расплав имеет меньшую вязкость, что снижает нагрузку на оборудование, предотвращает механодеструкцию. За счет этого немного уменьшается количество нагара на формующей оснастке и наблюдается рост производительности. Так же поверхностная обработка карбоната кальция улучшает стойкость к удару по сравнению с композициями с поверхностно необработанным карбонатом кальция.

Наглядная зависимость модуля упругости от содержания карбоната кальция приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Влияние содержания карбоната кальция на модуль Юнга для образцов из композиции на основе ПЭНД.

По приведенному рисунку видно, что наибольший эффект повышения модуля Юнга достигается при большем наполнении. При наполнении до 10% эффект повышения модуля не так очевиден. При этом расчетное значение модуля можно приближенно (без учета межфазного слоя) посчитать по аддитивной зависимости для двухфазных систем: ,

где E₂ и E₁ – модули дисперсной и непрерывной фазы ПКМ;

φ – объемная доля дисперсной фазы в ПКМ.

Постепенное повышение жесткости объясняется формой частиц карбоната кальция. Близкая по форме к сферической (зернистая), дисперсная частица воспринимает на себя примерно в 1,5 раза больше напряжений, чем окружающая ее полимерная матрица (что уже дает существенное влияние на жесткость), но все же эффективность добавления карбоната кальция в этом плане существенно меньше, чем например эффект от добавления талька, частицы которого имеют чешуйчатую форму частиц. Разница в эффекте заметна по расчетной формуле напряжения, возникающего на границе матрицы и частицы наполнителя: ,

где a и b – большая и малая полуоси эллипса (частицы).

В случае хорошей адгезии между полимерной матрицей и частицами наполнителя наблюдается усиливающий эффект.

Таким образом, в качестве усиливающего жесткость наполнителя тальк более эффективен.

Еще одной важной характеристикой, улучшаемой при введении в композицию карбоната кальция, является усадка. Благодаря геометрической форме частиц, молотый мрамор обеспечивает почти полное исчезновение анизотропии усадки. Зависимость усадки от содержания карбоната кальция приведена на рисунке.

Рисунок 6 – Влияние содержания карбоната кальция на усадку образцов из ПКМ на основе ПЭНД.

 

Введение карбоната кальция позволяет расширить температурный интервал, в котором возможно термоформование полимерной композиции. Частичнокристаллические полимеры, такие как ПЭНД, имеют узкий температурный интервал для горячего формования из-за достаточно узкого интервала температуры плавления; полимерный расплав быстро переходит из эластомерного состояния в маловязкое. Введение карбоната кальция (или талька) повышает вязкость расплава при малых скоростях сдвига, встречающихся при горячем формовании. Это означает, что увеличивается интервал температур, при которых возможно повторное формование материала, что позволяет производить трубы с более равномерной толщиной стенки, особенно гофрированные.

Недостатком карбоната кальция является небольшое уменьшение ударной вязкости при его введении в ПКМ на основе ПЭНД, что показано на рисунке 7.

Рисунок 7 - Влияние содержания карбоната кальция на ударную вязкость по Шарпи с надрезом.

Недостатком карбоната кальция является небольшое уменьшение ударной вязкости при его введении в ПКМ.