Способ получения древесно-полимерной композиции на основе жесткого поливинилхлорида
Владельцы патента RU 2465292:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный архитектурно-строительный университет" КазГАСУ (RU)
Изобретение относится к способу получения жесткой поливинилхлоридной композиции с использованием в качестве органического наполнителя древесной муки для изготовления высоконаполненных древесно-полимерных материалов. Способ включает приготовление полимерной композиции на основе ПВХ, модификатора ударной прочности, термостабилизатора, связующего агента и введение модифицированной древесной муки. Древесную муку получают предварительной пропиткой древесной муки водными растворами связующих агентов - кремнезоля или углеродных нанотрубок, перемешиванием полученной смеси и высушиванием. Древесно-полимерные материалы на основе полученной высоконаполненной жесткой поливинилхлоридной композиции обладают повышенной прочностью на растяжение и термостабильностью, а также пониженными вязкостью, горючестью и водопоглощением. 1 табл.
Изобретение относится к технологии производства жестких поливинилхлоридных композиций с использованием в качестве органического наполнителя древесной муки для изготовления высоконаполненных древесно-полимерных материалов.
Известен способ получения древесно-полимерной композиции на основе термопластичного связующего (полипропилена, полиэтилена низкой и высокой плотностей, поливинилхлорида и полистирола) и древесных частиц (Патент SU №1666306, кл. В27N 3/02, 1991 г.).
К недостаткам композиции следует отнести низкие значения физико-механических характеристик получаемых материалов при снижении содержания полимерного связующего.
Известен способ приготовления древесно-полимерной композиции на основе полужесткого ПВХ и древесной муки (до 57 масс.%) (Патент RU №2081135, кл. С08L 97/02, 1997). Древесно-полимерную композицию получали следующим образом: предварительно осуществлялась сушка древесной муки при температуре 50-80°С в термостате типа СНОЛ-1,5 либо в специальном сконструированном трибоактиваторе-сушилке до требуемой остаточной влажности 0.1-5 масс.%. Далее осуществлялась трибоактивация (высокоскоростное смешение при температуре от 10 до 220°С и скорости вращения ротора от 2 до 1200 об/мин) древесной муки с неорганическим модификатором (кальцит, юарит, вермикулит или тальк) на нестандартном высокоскоростном трибоактиваторе. После трибоакивации древесную муку и другие компоненты загружали в скоростной смеситель и из полученной смеси в результате последующей экструзии формовали необходимые для проведения испытаний образцы.
К недостаткам данного способа можно отнести сложную технологию трибоактивации древесной муки и нестандартное применяемое оборудование, необходимое для получения готовой продукции.
Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления жестких ПВХ-композиций на основе древесной сосновой муки (Yanjun Xu. Creep behavior of natural fiber reinforced polymer composites: a Dissertation for the degree of Doctor of philosophy: in School of Renewable Natural Recources / Yanjun Xu. - Louisia State, 2009. - P.9). Максимальная степень наполнения древесной мукой равнялась 30 масс.% или 40 масс.ч. на 100 масс.ч. ПВХ. В качестве связующего агента-модификатора использовался СЭБС (стиролэтиленбутилстирол), который вводили от 0 до 5 масс.%. Способ приготовления древесно-полимерной композиции на основе жесткого ПВХ заключался в следующем: взвешенные в соответствии с рецептурой компоненты полимерной смеси перемешивались при температуре 196-202°С и 4800 об/мин. Затем полученный материал охлаждался и гранулировался, а потом снова перемешивался при 180°С и 60 об/мин в течение 10 мин для более однородного распределения связующего агента в полимерной матрице. Пластины для испытаний готовились прессованием при 190°С.
К основным недостаткам композиции можно отнести сложную и трудоемкую технологию распределения связующего агента в древесно-полимерной композиции, относительно невысокое содержание органического наполнителя (не более 30 масс.% наполнителя) и увеличение горючести при введении органического связующего агента.
Проведенный анализ техники и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволили установить, что не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками, тождественными всем существенным признакам заявляемого изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «новизна».
Задачей изобретения является получение высоконаполненных (содержание органического наполнителя более 50 масс.%) жестких ПВХ-композиций на основе древесной муки с сохранением технологических и эксплуатационных характеристик.
Результат достигается тем, что способ получения древесно-полимерной композиции на основе жесткого поливинилхлорида (ПВХ), включающий приготовление полимерной композиции на основе ПВХ, модификатора ударной прочности, термостабилизатора, связующего агента и введение модифицированной древесной муки, согласно изобретению отличается тем, что древесную муку предварительно пропитывают водными растворами связующих агентов - кремнезоля или многослойных углеродных трубок, тщательно перемешивают и высушивают при 102±3°С до постоянной массы, при этом концентрация кремнезоля в древесной муке составляет 0,01-10%, концентрация углеродных нанотрубок - 0,001-0,05%, а степень наполнения древесно-полимерной композиции составляет 26-60 масс.% модифицированной древесной муки.
Для получения древесно-полимерной композиции на основе жесткого ПВХ использовались компоненты, удовлетворяющие следующим требованиям.
Поливинилхлорид суспензионный марки С7058М (ГОСТ 14332-78).
Термостабилизатор, например PAPS 805, ВИКОСТАБ, Interstab. В качестве примера использован Interstab (сертификат №99-00244), представляет собой комплекс на основе двухосновного стеарата свинца (51% Рb), Тплавл=107°С.
Модификатор ударной прочности, например DEGALAN 3 FK, АСМ-2, Acrylic Impact Modifier, FM-22. В качестве примера использован FM-22 - акрилбутадиен-стирольный сополимер, представляет собой однородный порошок белого цвета с насыпной плотностью 510 кг/м3 и средним размером частиц 220 мкм.
Древесная мука марки 180 (ГОСТ 16361-87).
В качестве связующего агента-модификатора использовали:
Кремнезоль (золь оксида кремния) - бесцветный или слабоокрашенный желтоватого или сероватого оттенка коллоидный раствор. Стабильность коллоидной системы обеспечивается содержанием в растворе гидроксида натрия, поэтому раствор имеет щелочную реакцию (рН 10,3). Плотность кремнезоля равна 1,2 г/см3, концентрация диоксида кремния - 330-340 г/л, концентрация оксида натрия - 3,4 г/л, вязкость - не более 20 сСт, диаметр мицелл - 5-9,5 нм.
Или углеродные нанотрубки (УНТ) - представляющие собой цилиндры, полученные при свертывании без швов плоской гексагональной сетки графитового слоя - поверхности, выложенной правильными шестиугольниками с атомами углерода, расположенными в вершинах. В работе применялись многослойные углеродные нанотрубки Graphistrength™ фирмы Arcema, растворенные в дистиллированной воде, имеющие 10-15 слоев трубок с внешним диаметром 10-15 нм, длиной 1-15 мкм со средней плотностью 50-150 кг/м3, удельной поверхностью 119,33 м2/г, модулем Юнга ~0,8 ГПа, коэффициентом Пуассона ~0,33 и модулем сдвига ~0,45 ГПа.
Древесно-полимерную композицию на основе жесткого ПВХ готовили следующим образом: кремнезоль или углеродные нанотрубки разбавлялись дистиллированной водой, далее полученным разбавленным раствором связующего агента-модификатора смачивали древесную муку, которую затем тщательно перемешивали в течение 5 минут механически. Полученную модифицированную древесную муку высушивали при температуре 102±3°С до постоянной массы. Концентрация кремнезоля в древесной муке составляет 0,01-10%, концентрация УНТ - 0,001-0,05%). Высушенную наномодифицированную древесную муку в количестве 26-60 масс.%) добавляли в ПВХ-композицию.
Для исследований свойств полученной древесно-полимерной композиции были изготовлены образцы в виде пленок. Пленочные образцы готовились методом термопластикации на лабораторных вальцах с фрикцией 1:1.25 при температуре валков 160-180°С в течение 5-6 мин в зависимости от содержания древесной муки. Вальцевание проводилось при толщине зазора между валками 8-13 мкм.
Свойства композиций с разной степенью наполнения представлены в таблице 1.
Таблица 1
| Сравнительные характеристики ПВХ-комлозиций*, наполненных исходной и модифицированной кремнезолем / УНТ древесной мукой | |||
| Наполнитель (на 100 масс.ч. ПВХ) | Показатель | ||
| Прочность на растяжение, МПа | Показатель текучести расплава (ПТР), г/10 мин | Термостабиль- ность, мин |
|
| Без древесной муки (контрольный) | 32 | 0,31 | 72 |
| Исходная древесная мука: | |||
| 40 масс.ч. | 33 | 0, 24 | 81 |
| 70 масс.ч. или 40 масс.% (макс.) | 26 | 0, 16 | 85 |
| Модифицированная кремнезолем | |||
| (0,35%) древесная мука: | |||
| 40 масс.ч. или 26 масс.% | 38 | 0,32 | 86 |
| 80 масс.ч. | 34 | 0,18 | 100 |
| 120 масс.ч. | 30 | 0 | 110 |
| 160 масс.ч. или 60 масс.% (макс.) | 27 | 0 | 118 |
| Модифицированная УНТ (0,008%) | |||
| древесная мука: | |||
| 40 масс.ч. или 26 масс.% | 43 | 0,14 | 96 |
| 80 масс.ч. | 35 | 0,05 | 110 |
| 120 масс.ч. | 28 | 0 | 116 |
| 160 масс.ч. или 60 масс.% (макс.) | 24 | 0 | 127 |
| Прототип: | |||
| 30 масс.%+0% СЭБС | 31 | нет данных | нет дан- |
| 30 масс.%+2.5% СЭБС | 34 | ных | |
| 30 масс.%+5% СЭБС | 27 | ||
| * - ПВХ - композиции были получены при следующем соотношении компонентов, масс.ч.: ПВХ - 100, модификатор ударной прочности FM-22 - 7, термостабилизатор Interstab - 5.5, наномодифицированная древесная мука (сосновая) - 0-160. |
Степень наполнения предложенных жестких ПВХ-композиций по сравнению с прототипом удалось увеличить в 2 раза (с 30 до 60 масс.% древесной муки).
При этом в случае применения в качестве связующего агента-модификатора УНТ значительно улучшаются термостабильность и прочностные показатели. Недостатком применения данного модификатора можно считать снижение показателя текучести расплава (ПТР).
Для образцов, наполненных модифицированной неорганическим кремнезолем древесной мукой, наряду с повышением прочности на растяжение и термостабильности удается значительно снизить вязкость и уменьшить горючесть и водопоглощение.
Способ получения древесно-полимерной композиции на основе жесткого поливинилхлорида (ПВХ), включающий приготовление полимерной композиции на основе ПВХ, модификатора ударной прочности, термостабилизатора, связующего агента и введение модифицированной древесной муки, отличающийся тем, что используют древесную муку, которую получают предварительной пропиткой древесной муки водными растворами связующих агентов - кремнезоля или углеродных нанотрубок, перемешиванием полученной смеси и высушиванием при 102±3°С до постоянной массы, при этом концентрация кремнезоля в древесной муке составляет 0,01-10%, концентрация углеродных нанотрубок 0,001-0,05%.
