Оценка достоверности результатов измерений физико-механических показателей проводилась по ГОСТ 14359-69.

Метод термогравиметрического анализа

Изменение массы, скорости изменения массы и величин тепловых эффектов при нагреве образцов изучалось методом термогравиметрического анализа с использованием дериватографа системы “Паулик - Паулик - Эрдей” фирмы МОМ марки Q-1500D[35].

Условия эксперимента:

навеска - 200 мг;

среда - воздух;

интервал нагрева - до 1000°С;

скорость нагрева (V_м) - 10°С/мин.

относительная ошибка не превышает 1%.

Энергию активации термодеструкции материалов определяли методом    Г.О. Пилояна по кривой ДТГ по формуле[36]:

 ,            (1)             

где Е - энергия активации, Дж/моль;

m – уменьшение веса вещества в результате удаления летучих продуктов реакции, мг;

n_m – скорость потери массы исходной пробы вещества, мг/мин; 

R - универсальная газовая постоянная, Дж/град*моль;

Т - температура, К;

 В - константа.

Уравнение (1) можно представить в виде:

 ,          (2)

где k₀ -предэкспоненциальный множитель

Графическая интерпретация экспериментальных данных в соответствии с уравнением (2) в координатах  дает прямую, тангенс угла наклона которой к оси абсцисс позволяет вычислить энергию активации  процесса, а отрезок отсекаемый на оси ординат - предэкспоненту[37].

             (3)

Отсюда .

2.2. Результаты эксперимента и их обсуждение

Одно из ведущих мест в общем объеме производства и потребления пластических масс принадлежит полиэтилену. Это обусловлено высокой экономической эффективностью его производства и применения, наличием сырьевой базы, хорошей перерабатываемостью в изделия экструзией, литьем под давлением, термоформованием из листов, сочетанием в полимере ценных технических и эксплуатационных свойств.

При получении изделий различного назначения и в зависимости от метода переработки в ряде случаев приходится модифицировать существующие и создавать новые композиционные материалы на основе ПЭ. Кроме того для создания конкурентоспособного материала необходимо его удешевление без ухудшения свойств, что возможно за счет введения дешевых наполнителей, таких как базальтовая вата, отработанная в течение 5 лет на азотно-кислородной станции в качестве теплоизоляционного материала на ООО «Саратоворгсинтез».

Основные эксплуатационные свойства наполненных материалов в значительной степени зависят от формы, размера, удельной поверхности, содержания в композиции, физико-химических характеристик наполнителей и технологии их введения [38]. Для оценки возможности использования базальтовой ваты в качестве наполнителя для базальтопластиков определен ряд ее свойств: гранулометрический состав, насыпная плотность, поведение при воздействии повышенных температур.

Рис.6. Распределение частиц измельченной базальтовой ваты по размерам

Дисперсность наполнителя влияет на процессы формирования и параметры структуры, и в итоге на деформационно-прочностные свойства наполненных композиций. Подготовка базальтовой ваты заключалась в ее измельчении на гидравлическом прессе при давлении 5 МПа до размера 25 мм. Исследуемый наполнитель обладает значительным разбросом частиц по размерам (рис.6). Насыпная плотность измельченной БВ составляет 38,2 кг/м³, потери массы при сушке (Т=90⁰С) – 0,2%.- %.

Для определения параметров переработки ПКМ на основе полиэтилена и базальтовой ваты (БВ), перерабатывающего оборудования и режимов переработки оценивалась текучесть композиции по показателю текучести расплава (ПТР). Применяемое давление обратно пропорционально текучести: чем выше текучесть, тем меньше должно быть давление, и наоборот. Низкая текучесть дает недооформленное изделие, а чрезмерно высокая текучесть приводит к вытеканию массы из пресс-формы. Текучесть полимерного материала зависит от природы полимера, вида и качества наполнителя, присутствия пластификатора, смазывающих веществ и других добавок. С увеличением содержания наполнителя уменьшается текучесть ПКМ пропорционально содержанию наполнителя.

Для получения композиционного материала полиэтилен наполняли разным %- ным соотношением отработанной базальтовой ваты. Для равномерного распределения базальтовой ваты в композиции ее измельчали на гидравлическом прессе при давлении 5 МПа до размера 25 мм.

Как видно из табл.4 с повышением содержания БВ в ПКМ текучесть композиции уменьшается, а вязкость соответственно увеличивается. С повышением температуры на 10⁰С ПТР резко увеличивается при наполнении композиции 10 и 15 % базальтовой ваты, однако при 20% наполнения БВ ПТР не изменяется.

Таблица 4

Изменение показателя текучести расплава композиции в зависимости от ее состава и температуры

Для повышения текучести композиции на основе ПЭВД в нее добавляли 5% смазывающего вещества (полиэтиленсилоксановой жидкости – ПЭС-5) [39]. Из данных табл.4 видно, что с повышением температуры текучесть композиции на основе ПЭВД увеличивается, однако эти значения ниже, чем для не модифицированной композиции. По-видимому это связано с тем, что добавление ПЭС-5 приводит к комкованию БВ и более худшим ее распределением в композиции, поэтому введение ПЭС-5 в композицию не целесообразно.

Выявлено влияние количества базальтовой ваты на термолиз базальтопластиков на основе ПЭВД, которое проявляется в поведении материала при горении его на воздухе (табл.5). Все образцы с 10, 15, 20 мас.ч. БВ поддерживают горение на воздухе и потери массы составляют 36,37, 31,89, 24,15% соответственно. Введение 20 масс.ч. БВ в ПЭВД не обеспечивает малых потерь массы при поджигании на воздухе, однако потери массы по сравнению с ненаполненной композицией уменьшаются. Поэтому в дальнейших исследованиях планируется введение в композиции антипиренов.

Таблица 5

Показатели горючести разработанных ПКМ

Подтверждением более плотной и более сшитой структуры БП являются данные по термостабильности образцов, определенных термогравиметрическим анализом (табл.6). По увеличению коксового остатка, меньшей потере массы до 600⁰С, возрастанию энергии активации можно утверждать о более полном взаимодействии полиэтилена с базальтовой ватой по сравнению с ненаполненным ПЭ.