Исследование влияния условий хранения исходных компонентов на качество металлопластиковых профилей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование влияния условий хранения ИСХОДНЫХ КОМПОНЕНТОВ на качество металлопластиковых профилей

А.В. Несмачная, Н.М. Никулин, А.К. Овсяников,

В.Г. Харюков, Е.В. Ясинская

Аннотация

Исследовалось влияние продолжительности и условий хранения на качество исходных компонентов, использующихся при производстве металлопластиковых профилей. Показано, что длительность хранения и влажность воздуха оказывают существенное влияния на физико-технические характеристики исходных материалов и на качество изделий, изготавливаемых из них.

Annotation

хранение металлопластиковый профиль качество

Influence of duration and conditions of storage on quality of the initial components used by manufacture of metal-plastic profiles was investigated. It is shown, that the storage period and humidity of air render essential influences on physic-technical characteristics of initial materials and on quality of the products made of them.

Основная часть

В данной работе исследовалось влияние продолжительности и условий хранения на качество исходных компонентов, использующихся при производстве металлопластиковых профилей. Объекты исследований (гранулы поливинилхлорида (ПВХ), стабилизатор, модификатор, наполнитель, драйбленд и образцы готовых трехкамерных профилей) были предоставлены ООО «Кениг-Пласт», г. Калининград.

Металлопластиковые профили изготавливались в два этапа. На первом этапе исходные компоненты через дозаторы поступали в цилиндрическую камеру со шнековым перемешивателем. В процессе перемешивания формировались окатыши - драйбленд, являющийся исходным материалом для производства пластмассы. Перемешивание компонентов происходило при температуре 130⁰С. На втором этапе драйбленд загружался в экструдер, где плавился при температуре 180⁰С, в результате чего получалась пластмасса, используемая для производства металлопластиковых профилей.

Исследование исходных компонентов осуществлялось на электронном сканирующем микроскопе JSM 6390 LV (JEOL, Япония) с разрешением 7 нм. Так как все компоненты драйбленда являлись изоляторами, для предотвращения образования объемного заряда на них в процессе измерений на микроскопе, использовался режим низкого, контролируемого вакуума, а при исследовании готовых профилей - использовались маски из алюминиевой фольги.

Дисперсный состав гранул ПВХ определялся путем измерения размеров гранул при помощи электронного сканирующего микроскопа с последующим построением функции распределения [1]:

,

где: _; - полином 8-го порядка, аппроксимирующий дискретную функцию .

На рис. 1 представлены сканы, соответственно, модификатора, стабилизатора и наполнителя, а также сканы гранул ПВХ, хранящихся как в нормальных условиях, так и в условиях повышенной влажности.

.

а) б)

в) г)

Рис. 1 Сканы компонентов драйбленда: а) модификатора; б) стабилизатора; в) наполнителя; г) гранул ПВХ

Анализ изображений позволяют сделать предположение, что в процессе длительного хранения произошло агрегирование наночастиц модификатора и наполнителя: на сканах видны агрегаты, имеющие размеры, существенно превышающие размеры отдельных частиц исходных материалов. Это обусловлено тем, что наночастицы в исходных материалах имели высокую удельную площадь поверхности и, следовательно, интенсивно взаимодействовали друг с другом, образуя крупные частицы. Этот процесс энергетически выгоден, так как уменьшает поверхностную энергию слипающихся частиц [2]. Энергия связи частиц в таких агрегатах достаточно велика, вследствие чего они не разрушаются при достаточно интенсивном внешнем воздействии. Этот вывод подтверждается исследованиями сканов сколов пластика металлопластиковых профилей (рис. 3, в). На скане видны крупные агрегаты наполнителя и модификатора, вошедшие в состав пластика.

На рис. 2 представлен скан отдельной гранулы ПВХ, хранившейся в условиях повышенной влажности и скан поверхности отдельной гранулы ПВХ.

а) б)

Рис. 2 Скан гранулы ПВХ, хранившейся в условиях повышенной влажности (а), скан поверхности отдельной гранулы ПВХ (б)

Поверхность отдельной гранулы ПВХ имеет необычайно развитую структуру. На скане отдельной гранулы ПВХ (рис. 2, б) отчётливо видны многочисленные поры - капилляры. Капилляры закрыты с одной стороны и многие из них имели диаметр не более 1 мкм. Поскольку температура, при которой хранились исходные компоненты, многократно опускалась ниже точки росы, в капиллярах гранул появилась вода. Далее, уровень жидкости в них возрастал вследствие капиллярной конденсации. По мере заполнения капилляра краевой угол и вблизи открытого конца капилляра возрастал и стремился к р/2. Кривизна поверхности жидкости при этом K = (cosи)/r>0. Поэтому давление воды в капилляре после его заполнения водой лишь незначительно отличалось от атмосферного давления Р₀. Очевидно, что длина капилляров невелика, поэтому в процессе анализа мы пренебрегали гидростатическим давлением воды в них.

Оценим температуру кипения воды в капилляре с радиусом r = 0,5 мкм при нормальном атмосферном давлении. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса:

; (1)

где: q=2,26 МДж/кг.

Пренебрегая удельным объемом жидкости в (1) и считая, что к пару применимо уравнение Клапейрона - Менделеева, получим:

; (2)

где: м - молярная масса воды, R- универсальная газовая постоянная.

Интегрируя (2) и считая, что при давлении температура кипения жидкости равна , получим:

. (3)

Давление в пузырьке радиусом r_1, образующемся в закипающей жидкости равно:

,

где: у- коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

Так как радиус пузырька r₁ меньше радиуса капилляра r, то:

; (4)

При r = 0,5 мкм, Т = 130⁰С, у = 50 мН/м давление в пузырьке, как это следует из (4), равно 3,0•10⁵ Па и отношение P/P₀ в (3) равно 3. Температура кипения воды в капилляре в этом случае, как это следует из (3), равна 134⁰С.

Следовательно, вода, находившаяся в некоторых капиллярах гранул ПВХ, в процессе изготовления драйбленда не испаряется и остается внутри окатышей.

Гранулы с заполненными водой приповерхностными капиллярами становятся более активными и формируют крупные агрегаты (Рис. 2, а). Это подтверждается также изменением функции распределения для гранул ПВХ, хранившихся в условиях повышенной влажности по сравнению с функцией распределения для гранул ПВХ, хранившихся в нормальных условиях. На рисунке 3, а представлены функции распределения (нормированные на значение функций при r= 120 мкм) для гранул ПВХ, хранившихся в нормальных условиях (сплошная кривая) и в условиях повышенной влажности (пунктирная кривая), а на рисунке 3, б - ненормированные функции распределения для драйбленда.

а) б)

Рис. 3 а) - нормированные функции распределения для гранул ПВХ, хранившихся в нормальных условиях (сплошная кривая) и гранул ПВХ, хранившихся в условиях повышенной влажности (пунктирная кривая), б) - ненормированные функции распределения для драйбленда (1, 2 - изготовленного из компонентов, хранившихся в нормальных условиях, 3 - с использованием гранул ПВХ, хранившихся в условиях повышенной влажности)

Сравнение функции распределения для драйбленда, полученного с использованием гранул ПВХ, хранившихся во влажной среде, с другими функциями показывает, что в первом случае преобладают крупные окатыши: усиливается максимум функции распределения с модой r ? 120 мкм. В этом драйбленде практически отсутствуют мелкие окатыши. На основании вышеизложенного можно утверждать, что гранулы ПВХ, хранившиеся в условиях повышенной влажности и драйбленд, изготовленный из них, содержат воду, которая затем переходит в пластмассу в процессе плавления драйбленда в экструдере. Подтверждением этому являются результаты исследований металлопластиковых профилей, изготовленных из драйбленда, содержащего воду. На рис. 3 показаны сканы поверхности пластикового профиля. Видно, что к поверхности прилегает большое количество микропор различных размеров. Средний радиус пор R составил 0,75 мкм.

а) б) в)

Рис. 3 Скан поверхности пластикового профиля: а) поры, б) каверна, в) агрегаты в объеме пластика

Предполагая, что микропоры имеют форму сферы и равномерно распределены по объему, коэффициент пустотелости пластика , равный доле объема, заполненного пустотами, может быть найден по формуле

, (5)

где: N - количество микропор на поверхности профиля, находящихся на площади поверхности S.

Из (5) следует, что в пластике металлопластиковых профилей 0,35% объёма занимают микропоры, заполненные водой. Вода, находящаяся в микропорах, при изменении температуры окружающей среды может находиться в газообразном, жидком и твёрдом состояниях, что в процессе термоциклирования может приводить к дополнительным напряжениям внутри пластика. Такой пластик должен обладать повышенной хрупкостью, что и наблюдалось в процессе изготовления образцов. Очевидно, что такие металлопластиковые профили и изделия из них также обладают низким качеством. Анализ сканов сколов пластика свидетельствует о том, что в объёме его формируется большое количество гигантских полостей, образовавшихся, по-видимому, в результате слияния микропор. Размеры этих полостей достигали в отдельных случаях нескольких миллиметров (рис. 3, б).

В результате проведённых исследований было установлено, что длительное хранение нанодисперсных компонентов (модификатор, наполнитель) приводило к образованию крупных агрегатов, которые затем, не разрушаясь, входили в состав конечного продукта, уменьшая его прочность. Хранение гранул ПВХ во влажной атмосфере вследствие капиллярных явлений приводило к накоплению и консервации воды в драйбленде, которая затем переходила в пластик. При этом в объёме пластика формировалось большое количество микропор, средний размер которых в исследованных образцах оказался равным 0,75 мкм. Коэффициент пустотелости пластика в этих образцах составил 0,35 %. Часть микропор, сливаясь, образовала полости, размеры которых достигали нескольких миллиметров.

Список литературы

1. Щиголев Б.М. Математическая обработка наблюдений. М.: Наука, 1969.

2. Суздалев И.П. Нанотехнология. Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: КомКнига, 2006.

Размещено на Allbest.ru