50._PUSZ Andrzej SZYMICZEK Małgorzata MICHALIK Katarzyna

Andrzej PUSZ, Małgorzata SZYMICZEK, Katarzyna MICHALIK
Politechnika Śląska
Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych
e-mail: [email protected]
WPŁYW ZAWARTOŚCI MONTMORYLONITU NA WSKAŹNIK
SZYBKOŚCI PŁYNIĘCIA KOMPOZYTU NA OSNOWIE POLIAMIDU
Streszczenie. Masowy i objętościowy wskaźnik szybkości płynięcia to podstawowe
wskaźniki technologiczne przetwórstwa tworzyw polimerowych. W artykule
przedstawiono wpływ zawartości montmorylonitu na masowy wskaźnik szybkości
płynięcia kompozytu na osnowie poliamidu.
INFLUENCE OF MONTMORILLONITE CONTENT ON MASS FLOW
RATE COMPOSITE OF THE POLYAMIDE MATRIX COMPOSITE
Summary. Both the mass flow rate and melt volume rate are the basic technological
indictors of processing of the polymers. In this paper the influence of montmorillonite
content on mass flow rate of the polyamide matrix composite was presented.
402
A.Pusz, M. Szymiczek, K. Michalik
1. WSTĘP
Nanotechnologia jest szybko rozwijającą się interdyscyplinarną dziedziną wiedzy,
obejmującą wiele obszarów badawczych, jak np. fizyka, chemia, biologia, mechanika
czy medycyna.
Nanokompozyty polimerowe to jakościowo nowa grupa materiałów. Otrzymywane
są w wyniku modyfikacji tradycyjnych tworzyw poprzez zdyspergowanie w matrycy
polimerowej dodatków rozdrobnionych do wymiarów kilku nanometrów. Dodatkami
są najczęściej substancje nieorganiczne, np. krzemiany warstwowe, krzemionka bądź
fulereny, nanorurki węglowe, metale oraz gazy. Nanokompozyty polimerowe definiowane
są, jako kompozyty, w których wymiar przynajmniej jednego składnika wyrażony
jest w nanometrach i zawiera się w przedziale 1-100 nm [1-6].
Duże
zainteresowanie
tego
rodzaju
nowymi
kompozytami
związane
jest z ich właściwościami mechanicznymi, optycznymi, elektrycznymi oraz termicznymi,
które są znacznie lepsze w porównaniu do tradycyjnych kompozytów. Przy czym
wprowadzenie do matrycy polimerowej nanododatku w ilości 3-5% wystarcza, aby osiągnąć
określone, wysokie właściwości nanokompozytu [2]. Jego właściwości związane są m.in.
ze zwiększoną powierzchnią oddziaływania pomiędzy składnikami kompozytu (między
nanododatkiem a fazą polimerową) oraz specyficznymi właściwościami nanododatku.
Zalety nanokompozytów polimerowych to m.in. zwiększona sztywność bez utraty
udarności, stabilność wymiarowa, poprawa efektu barierowego, zwiększona stabilność
termiczna i odporność na działanie ognia, dobre właściwości optyczne, ograniczenie defektów
powierzchniowych wyrobów, a także podwyższona lepkość i stopień krystalizacji w stosunku
do polimeru wyjściowego. Do wad należy zaliczyć natomiast ich bardzo wysoką cenę, a także
skomplikowany proces wytwórczy, w efekcie czego występują trudności z uzyskaniem
dużego i równomiernego stopnia zdyspergowania w polimerze, a także skłonność
nanonapełniacza do aglomerowania [3-6].
Badania właściwości nanokompozytów polimerowych udowodniły, iż w zależności
od rodzaju matrycy polimerowej oraz od rodzaju nanododatku możliwe jest uzyskanie
nowych cech takiego nanokompozytu lub pogłębienie już istniejących w porównaniu
do właściwości konwencjonalnych kompozytów. Rozpatrując szeroką gamę dostępnych
nanododatków, uwidaczniają się także możliwości różnorodnych zastosowań uzyskiwanych
nanokompozytów polimerowych [1-3].
Wpływ montmorylonitu na wskaźnik ...
403
2. BADANIA WŁASNE
2.1. Cel badań
Celem badań było określenie wpływu zawartości nanonapełniacza (MMT) na masowy
wskaźnik szybkości płynięcia MFR.
2.2. Próbki do badań
Do wykonania próbek wykorzystano:
PA 6 Ultramid – przemiał. Tworzywo firmy BASF,
MMT – nanonapełniacz montorylonitu firmy „ZGM Zębiec”.
Zakres badań obejmował przeprowadzenie pomiarów MFR dla przygotowanych
kompozycji:
oryginał PA 6 Ultramid,
przemiał PA 6 Ultramid,
przemiał PA 6 Ultramid + 2% MMT,
przemiał PA 6 Ultramid + 4% MMT,
przemiał PA 6 Ultramid + 6% MMT.
W celu przygotowania kompozycji wykonano następujące czynności:
suszenie tworzywa PA 6 Ultramid w temperaturze 110°C,
wytłoczenie kompozycji,
granulowanie,
suszenie granulatu w temperaturze 110°C,
przeprowadzenie badań wskaźnika szybkości płynięcia.
Linia technologiczna, na której przeprowadzono proces
wytłaczania
składa
się z wytłaczarki dwuślimakowej z automatycznym systemem dozowania, wanny chłodzącej,
osuszacza i granultora.
Podstawowe parametry wytłaczarki dwuślimakowej firmy Leistritz:
średnica ślimaka
27mm,
moc napędowa wytłaczarki
stosunek długości do średnicy
zakres obrotów ślimaka
10-500 obr/min z płynną regulacją,
moment obrotowy ślimaka
190 Nm stały w całym zakresie,
pomiar ciśnienia w zakresie
0-350 bar,
napęd ślimaków współbieżny z możliwością przełączenia na przeciwbieżny
20 kW,
L/D 40,
z automatycznym przełączaniem na skrzyni przekładniowej,
404
A.Pusz, M. Szymiczek, K. Michalik
ślimaki w wykonaniu segmentowym, segmenty mocowane na wale
wielowypustowym,
układ uplastyczniania chłodzony wodą w obrębie leja i na strefach grzewczych
termostatem,
dwie strefy odgazowania z filtrami,
układ uplastyczniania posiada możliwość dozowania dodatków i napełniaczy
zarówno do leja zasypowego jak i w dalszych strefach do uplastycznionego
polimeru.
Parametry wytłaczania podano poniżej.
Temperatura na strefie 1 cylindra:
150°C,
Temperatura na strefie 2 cylindra:
155°C,
Temperatura na strefie 3 cylindra:
165°C,
Temperatura na strefie 4 cylindra:
165°C,
Temperatura na strefie 5 cylindra:
175°C,
Temperatura na strefie 6 cylindra:
175°C,
Temperatura na strefie 7 cylindra:
180°C,
Temperatura na strefie 8 cylindra:
Temperatura na strefie 9 cylindra:
180°C,
200°C,
Temperatura na strefie 10 cylindra:
Temperatura dyszy:
Prędkość kątowa obrotów ślimaka:
Ciśnienie masy:
Temperatura masy tworzywa
210°C,
210°C,
480 rad/min,
48 – 50 bar,
216 – 217°C.
W tabeli 1 zestawiono otrzymane kompozyty poliamidu PA 6 z nanonapełniaczem.
Tabela 1
Skład kompozycji
Kompozycja – udział procentowy [%]
Lp.
1
2
Składniki
PA 6 Ultramid
Nanonapełniacz
MMT
1
2
3
4
100
98
96
94
-
2
4
6
Powyższe kompozycje, jak również oryginał i przemiał poliamidu 6 pozostawiono
do suszenia w suszarkach w temperaturze 110°C przez okres 3 dni. Po upływie tego czasu
przprowadzono badanie wskaźnika szybkości płynięcia MFR.
Wpływ montmorylonitu na wskaźnik ...
405
2.3. Wyniki pomiarów wskaźnika szybkości płynięcia
Badanie wskaźnika szybkości płynięcia przeprowadzono za pomoca plastometru
obciążnikowego – SM1-069-B-S-Sm, oraz wagi analitycznej i sekundomierza w oparciu
o normę [7].
Parametry badań były następujące:
temperatura badania θ, [° C]:
stosowane obciążenie [kg]:
odstępy czasu odcinania t [s]:
Wyniki pomiarów MFR zamieszczono w tabeli 2.
230° C,
2,16 kg,
30 s.
Tabela 2
Wyniki pomiarów MFR
dla poszczególnych kompozycji
NR. PRÓBKI
MFR ŚR ODCH. STA
1
2
3
4
5
masa 0,216 0,219 0,220 0,218 0,197
A
4,28
0,192
MFR 4,32 4,38
4,4
4,36 3,94
masa 0,478 0,474 0,454 0,454 0,476
B
9,34
0,242
MFR 9,56 9,48 9,08 9,08 9,52
masa 0,335 0,359 0,326 0,327 0,321
C
6,67
0,301
MFR
6,7
7,18 6,52 6,54 6,42
masa 0,267 0,262 0,264 0,259 0,246
D
5,19
0,162
MFR 5,34 5,24 5,28 5,18 4,92
masa 0,213 0,211 0,209 0,208 0,205
E
4,18
0,060
MFR 4,26 4,22 4,18 4,16
4,1
masa 0,158 0,155 0,153 0,156 0,155
F
3,11
0,036
MFR 3,16
3,1
3,06 3,12
3,1
A – PA 6 ULTRAMID(ORYGINAŁ), B – PA 6 ULTRAMID (PRZEMIAŁ),
C – PA 6 ULTRAMID (PRZEMIAŁ PO WYTŁOCZENIU),
D – PA 6 ULTRAMID + 2% MMT, E – PA 6 ULTRAMID + 4% MMT,
F – PA 6 ULTRAMID + 6% MMT.
PRÓBKI
Na wykresie (rys.1.) przedstawiono otrzymane wyniki pomiaru wskaźnika szybkości
płynięcia.
406
A.Pusz, M. Szymiczek, K. Michalik
10
Wskaźnik MFR [g/10min]
9
8
7
6
5
4
3
0
2
4
6
Zawartość nanonapełniacza MMT [%]
Rys.1. Zależność MFR od zawartości MMT
Fig.1. MFR dependence on the MMT content
Po wykonaniu badania MFR przeprowadzono ocenę wizualną wytworzonych
kompozycji. Stwierdzono, że zawartość montmorylonitu wpływa na kształt granulatu,
co można zauważyć na poniżyszch zdjęciach. Granulat bez MMT (rys.2.) miał kształt walca,
natomiast granulat z większą zawartości nanonapełnicza stawał się bardziej płaski i szerszy
(rys. 3. – rys. 5.).
Rys.2. Próbka granulatu PA 6 Ultramid bez dodatku MMT
Fig.2. Sample of pellets PA 6 Ultramid without the MMT addition
Wpływ montmorylonitu na wskaźnik ...
Rys.3. Próbka granulatu PA 6 Ultramid + 2% MMT
Fig.3. Sample of pellets PA 6 Ultramid with 2% MMT addition
Rys.4. Próbka granulatu PA 6 Ultramid + 4% MMT
Fig.4. Sample of pellets PA 6 Ultramid with 4% MMT addition
Rys.5. Próbka granulatu PA 6 Ultramid + 6% MMT
Fig.5. Sample of pellets PA 6 Ultramid with 6% MMT addition
407
408
A.Pusz, M. Szymiczek, K. Michalik
3. WNIOSKI KOŃCOWE
Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, iż:
1. Zawartość nanonapełniacza – montmorylonitu wpływa na obniżenie współczynnika
szybkości płynięcia. MFR dla poliamidu 6 przed wytłoczeniem wynosił 9,344
[g/10min], podczas gdy dla kompozycji z 2, 4 i 6% zawartością montmorylonitu malał
ostatecznie uzyskał więc wartość 3,11 [g/10min].
2. Zbliżoną wartość wskaźnika szybkości płynięcia dp MFR poliamidu 6 (oryginału)
uzyskano w obu przypadkach wynik wynosił około 4,2 [g/10min]. Po dodaniu do
poliamidu 6 (przemiału), 4% nanonapełniacza montmorylonitu.
3. Proces wytłaczania mieszanek PA 6 z MMT był niestabilny, gdyż tworzywo przy
dodaniu kolejnej ilości nanonapełniacza, płynęło szybciej.
BIBLIOGRAFIA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Kacperski M.: Polimery 47, nr 11-12, 2002, s.801-807.
Kacperski M.: Polimery 48, nr 2, 2003.
Kacperski M.: Kompozyty 7, 2003, s.227.
Gołębiewski J.: Przemysł Chemiczny 83/1, 2004, s. 15-20.
Piecyk L.: Tworzywa Sztuczne i Chemia nr 2, 2006 s. 20.
Piecyk L.: Chemia Przemysłowa, nr 4, 2002, s. 57.
PN-EN ISO 1133: 2006 – Oznaczanie masowego wskaźnika szybkości płynięcia (MFR)
i objętościowego wskaźnika szybkości płynięcia (MVR) tworzyw termoplastycznych.