Термопластичний композит

Реферат: Термопластичний композит, зокрема із поліпропілену і його співполімерів з етиленом і неорганічними наповнювачами або армуванням, який додатково містить 3-15 % маси вуглецевого волокна. UA 102452 U (12) UA 102452 U UA 102452 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Технічне рішення стосується термопластичного композиту, зокрема з поліпропілену і його співполімерів з етиленом і неорганічними наповнювачами і/або армуванням і виготовлених з нього трубок. Термопластичні композити виготовляються з різними органічними заповнювачами, наприклад деревне борошно, але, головне, з неорганічними наповнювачами, з яких найбільш часто застосовується карбонат кальцію, і/або армування, яке головним чином складається із скловолокна і тальку. Застосування неорганічних наповнювачів і армування в термопластичних композитах в теперішній час є розповсюдженою технологією. Але, якщо заповнювачі повинні бути дійсно ефективними і повинні суттєво впливати на механічні й інші фізичні властивості, то їх необхідно використовувати з концентрацією мінімально 20-30 % маси. Це може бути вимогливим з фінансової сторони, особливо якщо розглядати підвищену щільність матеріалу, що заповнюється або укріпляється неорганічними речовинами. Щільність поліолефінів, особливо поліпропілену і поліетилену, як типових представників, звичайно знаходиться в межах 890-960 3 кг/м , а щільність неорганічного наповнювача і армування звичайно знаходиться в межах 22503 2600 кг/м . У термопластичних композитів в більшості випадків є прагнення поліпшити механічні властивості матеріалу. Менш звичайним є прагнення до поліпшення і/або одержання бажаних змін інших фізичних властивостей. Мова, наприклад, може йти також про зміну електричних властивостей. В цьому випадку дії направлені до зменшення поверхневого і/або об'ємного електричного опору. Для цього зазвичай застосовується одна із форм алюмінію електропровідна сажа. З термопластичних композитів із сажею, і не тільки електропровідною, завдяки підвищеному поглинанню теплового випромінювання або передачі тепла, що міститься у ґрунті, воді або повітрі, виготовляються теплообмінні елементи, зазвичай у формі трубок або мішків. По цим теплообмінним елементам протікає рідина, найчастіше вода, яка передає енергію для подальшого її використання, наприклад для нагріву приміщень і технічної води. З інших форм вуглецю до уваги приходить вуглецеве волокно. Його застосування як армування для пластиків зазвичай спрямовано на поліпшення механічних властивостей результатного композиту. В основу корисної моделі поставлено задачу створення термопластичного композиту із зменшеним коефіцієнтом теплового розширення (надалі по тексту використовується скорочення CLTE), який можна застосовувати для виробництва трубок. Це досягається у відповідності з технічним рішенням термопластичним композитом, зокрема з поліпропілену і його співполімеру з етиленом з неорганічними наповнювачами і/або армуванням, яке, зокрема, полягає в тому, що воно містить вуглецеве волокно в об'ємі 3-15 % маси. З точки зору дозування вигідним буде, коли застосовується мелене вуглецеве волокно. З точки зору можливості обробки вигідним буде, коли застосовується рубане вуглецеве волокно. З функціональної точки вигідним буде, коли термопластичний композит містить до 5 % маси в'яжучого засобу на основі поліпропілену і його співполімерів з етиленом і полярними сомономерами. З урахуванням зменшення CLTE доцільно, щоб трубка містила мінімально в одному шарі вуглецеве волокно, яке у двошаровій трубці є внутрішнім шаром, а у тришаровій трубці середнім шаром. Перевагою термопластичного композиту і виготовлених з нього трубок, відповідно технічного рішення, є економія витрат на створення трубопровідних систем. Ця економія досягається зменшенням CLTE трубок, і тим самим зменшення кількості компенсаторів теплового розширення у трубопровідній системі і кількості з'єднувальних фітингів. Технічне рішення буде більш детальніше пояснено із застосуванням креслень, на фіг. 1 показано поперечний розріз одношарової трубки; на фіг. 2 поперечний розріз двошарової трубки, і на фіг. 3 поперечний розріз тришарової трубки. В першу чергу розглядаються термопластичні композити на основі поліпропілену і його співполімерів з етиленом і неорганічними наповнювачами і армуванням. Під наповнювачами в наступному тексті згадуються неорганічні або органічні частинки приблизно з шароподібною симетрією, наприклад дрібний порошок карбонату кальцію, деревне борошно або скляні кульки. В наступному тексті згадуються неорганічні або органічні частинки, що застосовуються у звичайній кількості, з приблизно плоскою або волокнистою формою, наприклад скловолокно, базальтове волокно, вуглецеве волокно, волластоніт, слюда або тальк. Знову, якщо не буде вказано інакше, в зазвичай вказаних кількостях також як добавки, під якими в наступному тексті розуміються термоокислюючі стабілізатори, стабілізатори проти дії УФ 1 UA 102452 U 5 10 15 20 25 30 35 випромінювання, мастило, пігменти і барвники, добавки проти утворення напливів на насадці, нейтралізатори кислотності, диспергатори наповнювачів і армування (наприклад ребристі співполімери і модифікований віск), засоби для зв'язування наповнювачів і/або армування з матрицею терпопластика (наприклад силани) та інше. Використаний метод оцінки коефіцієнта лінійного теплового розширення. Зразки у формі трубок вимірювались в напрямку виготовлення трубки, тобто в подовжньому напрямку. Вимірювання було запропоновано в стандартному виконанні на випробуваному тілі довжиною 15 мм, виготовленому з робочої частини багатоцільового випробуваного тіла, що упорскує, розміри якого були стабілізовані підігріванням протягом 7 днів при температурі 95 °C. Обладнання, що застосовувалось DMA DXT04 (фірма RMI Чеська Республіка) дозволяє здійснювати вимірювання так, що випробуване тіло розміщено в пристрої, що вдавлює і піддається дії постійного тиску 4 кПа. Під час температурних сканувань вимірювалось зміна Δh початкової висоти тіла h0. Умови вимірювання вибирались, після зміни на підставі досвіду у вимірюванні у 2010 році, наступним чином: нагрівання до температури 95 °C із швидкістю 3 °C/хв., витримування 20 хв. охолодження до 20 °C із швидкістю 1 °C/хв., запис кожні 0,5°, витримування 20 хв. нагрівання до температури 95 °C із швидкістю 1 °C/хв., без витримування охолодження до 20 °C із швидкістю 10 °C/хв., ЗУПИНКА графік температурної залежності Δh=h-h0 апроксимується прямою: h=h0*[1+α*(T-23 °C)] Оцінка виконувалась як для першого охолодження зразка, так і для другого нагрівання. Значення порівнювались, і далі для кожного матеріалу розраховувалося середнє значення. Оцінювалась зміна довжини І випробуваних тіл в залежності від температури. По результатам цих вимірювань було розраховано місцевий коефіцієнт теплового розширення: 1 dh 1 h     h dT h T , де розрахунок похідної було замінено місцевою інтерполяцією прямої через п'ять виправлених точок, що йдуть одна за одною. Розрахунки були виконані як для першого охолодження зразка, так і для другого нагрівання. Значення порівнювались, і далі для кожного матеріалу розраховувалося середнє значення. Приклад 1 - виконання технічного рішення у відповідності до стану техніки. Як термопластичну матрицю застосовано статичний співполімер пропілену і етилену з наступними характеристиками: - індекс потоку розплаву 0,25 (г/10 хвилин), (230 °C, 2,16 кг), (ISO 1133), - вміст етилену 5 % маси, 3 - щільність 902 кг/м (ISO 1183/A), було підготовлено таблицю з розмірами, що зазначені у табл. 1. Таблиця 1 Розміри одношарової трубки зовнішній діаметр (мм) внутрішній діаметр (мм) загальна товщина стінки (мм) 20 15 2,50 40 45 50 Вищезазначеним способом був виміряний коефіцієнт лінійного теплового розширення -6 (CLTE) з результатом α[10 /°С]=178. Схематичний поперечний розріз цієї трубки показано на фіг. 1. Приклад 2 - виконання, згідно з технічним рішенням. Як термопластичну матрицю застосовано статичний співполімер пропілену і етилену з наступними характеристиками: - індекс потоку розплаву 0,25 (г/10 хвилин), (230 °C, 2,16 кг), (ISO 1133), - вміст етилену 5 % маси, 3 - щільність 902 кг/м (ISO 1183/A). Було виготовлено термопластичний композит з 3 % маси вуглецевого волокна з параметрами, що зазначені в табл. 2. Як в'яжучий засіб між волокнами і полімерною матрицею було добавлено поліпропілен, оброблений малеїновим ангідридом в кількості 1 % маси. 2 UA 102452 U Таблиця 2 Властивості рубаного вуглецевого волокна Властивості Поверхнева обробка волокон Діаметр волокон (мкм) Довжина волокон перед компаундуванням (мм) Вміст вуглецю (% маси) 5 10 15 20 25 30 35 40 значення аміносиланова 7,2 6 95 З термопластичного композиту із 3 % маси вуглецевого волокна, згідно з табл. 2, була виготовлена трубка з такими же розмірами, як зазначені в табл. 1. Схематично поперечний розріз такої трубки показано на фіг. 1, де термопластичний композит присутній тільки в одному шарі 1. -6 Виміряний коефіцієнт лінійного теплового розширення (CLTE) досяг [10 /°С]=96. Приклад 3 - виконання, згідно з технічним рішенням. Як термопластичну матрицю застосовано статичний співполімер пропілену і етилену з наступними характеристиками: - індекс потоку розплаву 0,25 (г/10 хвилин), (230 °C, 2,16 кг), (ISO 1133) - вміст етилену 5 % маси, 3 - щільність 902 кг/м (ISO 1183/A), Було виготовлено термопластичний композит з 7 % маси вуглецевого волокна з параметрами, що зазначені в табл. 2. З цього композиту із 7 % маси вуглецевого волокна з властивостями, згідно з табл. 2, була виготовлена трубка з такими же розмірами, як зазначені в табл. 1. Схематичний поперечний розріз такої трубки показано на фіг. 1, з термопластичним композитом в одному шарі 1. Як в'яжучий засіб між волокнами і полімерною матрицею було добавлено поліпропілен, оброблений малеїновим ангідридом в кількості 2,1 % маси. Описаним методом був виміряний коефіцієнт лінійного теплового розширення (CLTE), він -6 досяг [10 /°С]=37. Приклад 4 - виконання, згідно з технічним рішенням. Трубка, згідно з фіг. 2, складається із двох шарів. Як термопластичну матрицю застосовано статичний співполімер пропілену і етилену з наступними характеристиками: - індекс потоку розплаву 0,25 (г/10 хвилин), (230 °C, 2,16 кг), (ISO 1133), - вміст етилену 5 % маси, 3 - щільність 902 кг/м (ISO 1183/A). Було виготовлено термопластичний композит з 10 % маси вуглецевого волокна з параметрами, що зазначені в табл. 2, і надалі по тексту вказаний як КОМПОЗИТ PPR4. Як в'яжучий засіб між волокнами і полімерною матрицею було добавлено поліпропілен, оброблений малеїновим ангідридом в кількості 3 % маси. Другим матеріалом був основний статичний співполімер пропілену і етилену з наступними характеристиками: - індекс потоку розплаву 0,25 (г/10 хвилин), (230 °C, 2,16 кг), (ISO 1133), - вміст етилену 5 % маси, 3 - щільність 902 кг/м (ISO 1183/A). Була виготовлена трубка з розмірами, що зазначені в табл. 1. Схематичний поперечний розріз такої трубки показано на фіг. 2, на ньому із композиту PPR4 виготовлено внутрішній шар 2, а з основного статичного співполімеру пропілену і етилену - зовнішній шар 3. Розміри трубки зазначені в табл. 2. Була виготовлена коекструдована трубка, яка має два шари, див. табл. 3. 3 UA 102452 U Таблиця 3 Розміри двошарової трубки Зовнішній діаметр (мм) Внутрішній діаметр (мм) Загальна товщина стінки (мм) Товщина зовнішнього шару - статичний співполімер пропілену і етилену (мм) Товщина внутрішнього шару - КОМПОЗИТ PPR4 (мм) 5 10 15 20 20 15 2,50 1,25 1,25 Описаним методом був виміряний коефіцієнт лінійного теплового розширення (CLTE), він -6 досяг [10 /°С]=28. Приклад 5 - виконання, згідно з технічним рішенням. Як термопластичну матрицю застосовано статичний співполімер пропілену і етилену з наступними характеристиками: - індекс потоку розплаву 0,25 (г/10 хвилин), (230 °C, 2,16 кг), (ISO 1133), - вміст етилену 5 % маси, 3 - щільність 902 кг/м (ISO 1183/A). З нього було виготовлено термопластичний композит з 15 % маси вуглецевого волокна. Як в'яжучий засіб між волокнами і полімерною матрицею було добавлено поліпропілен, оброблений малеїновим ангідридом в кількості 5 % маси з параметрами, що зазначені в табл. 2, і надалі по тексту вказаний як КОМПОЗИТ PPR5. Була виготовлена тришарова трубка з розмірами, зазначеними в табл. 4. Схематичний поперечний розріз такої трубки показано на фіг. 3, причому композит PPR5 є середнім шаром 4, а зовнішній шар 3 і внутрішній шар 2-з статичного співполімеру пропілену і етилену з наступними характеристиками: - індекс потоку розплаву 0,25 (г/10 хвилин), (230 °C, 2,16 кг), (ISO 1133), - вміст етилену 5 % маси, 3 - щільність 902 кг/м (ISO 1183/A). Таблиця 4 Розміри тришарової трубки Зовнішній діаметр (мм) Внутрішній діаметр (мм) Загальна товщина стінки (мм) Товщина зовнішнього шару - статичний співполімер пропілену і етилену (мм) Товщина середнього шару КОМПОЗИТ PPR5 (мм) Товщина внутрішнього шару - статичний співполімер пропілену і етилену (мм) 25 30 20 12 4 1,00 2,00 1,00 Описаним вище методом був виміряний коефіцієнт лінійного теплового розширення (CLTE), -6 він досяг [10 /°С]=18. Приклад 6 - виконання, згідно з технічним рішенням. Як термопластичну матрицю застосовано статичний співполімер пропілену і етилену з наступними характеристиками: - індекс потоку розплаву 0,25 (г/10 хвилин), (230 °C, 2,16 кг), (ISO 1133), - вміст етилену 5 % маси, 3 - щільність 902 кг/м (ISO 1183/A). З нього було виготовлено термопластичний композит з 15 % маси меленого вуглецевого волокна з параметрами, що зазначені в табл. 5, і надалі по тексту вказаний як КОМПОЗИТ PPR5. Як в'яжучий засіб між волокнами і полімерною матрицею було добавлено поліпропілен, оброблений малеїновим ангідридом в кількості 5 % маси. 35 4 UA 102452 U Таблиця 5 Властивості меленого вуглецевого волокна Властивості Поверхнева обробка волокон Діаметр волокон (мм) Довжина волокон перед компаундуванням (мм) Вміст вуглецю (% маси) 5 значення аміносиланова 7,4 0,2 98 Було виготовлено тришарову трубку з розмірами, зазначеними в табл. 6. Схематичний поперечний розріз такої трубки показано на фіг. 3, причому композит PPR5 є середнім шаром 4, а зовнішній шар 3 і внутрішній шар 2 - з статичного співполімеру пропілену і етилену з наступними характеристиками: - індекс потоку розплаву 0,25 (г/10 хвилин), (230 °C, 2,16 кг), (ISO 1133), - вміст етилену 5 % маси, 3 - щільність 902 кг/м (ISO 1183/A). 10 Таблиця 6 Розміри тришарової трубки Зовнішній діаметр (мм) Внутрішній діаметр (мм) Загальна товщина стінки (мм) Товщина зовнішнього шару - статичний співполімер пропілену і етилену (мм) Товщина середнього шару КОМПОЗИТ PPR5 (мм) Товщина внутрішнього шару - статичний співполімер пропілену і етилену (мм) 15 20 25 30 20 12 4 1,00 2,00 1,00 Описаним вище методом був виміряний коефіцієнт лінійного теплового розширення (CLTE), -6 він досяг [10 /°С]=18. Приклад 7 - виконання, згідно з технічним рішенням. Як термопластичну матрицю застосовано статичний співполімер пропілену і етилену з наступними характеристиками: - індекс потоку розплаву 0,30 (г/10 хвилин), (230 °C, 2,16 кг), (ISO 1133), 3 - щільність 905 кг/м (ISO 1183/A). Було виготовлено термопластичний композит з 7 % маси вуглецевого волокна з параметрами, що зазначені в табл. 2. З цього композиту з 7 % маси вуглецевого волокна з властивостями, згідно з табл. 2 було виготовлено трубку з такими же розмірами, як зазначено в табл. 1. Схематичний поперечний розріз такої трубки показано на фіг. 1, з термопластичним композитом в одному шарі 1. Як в'яжучий засіб між волокнами і полімерною матрицею було добавлено поліпропілен, оброблений малеїновим ангідридом в кількості 2,1 % маси. Описаним вище методом був виміряний коефіцієнт лінійного теплового розширення (CLTE), -6 він досяг [10 /°С]=32. Технічне рішення може застосовуватись для виробництва пластикових трубок та інших елементів трубопроводів з поліпропілену або його співполімерів з етиленом зі зменшеним коефіцієнтом теплового розширення. Його також можна застосовувати для виробництва коекструдованих трубок для застосування під тиском і без тиску. Також можна застосовувати для виготовлення плит або плівок, особливо коекструдованих (два-три шари) плит. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 1. Термопластичний композит, зокрема із поліпропілену і його співполімерів з етиленом і неорганічними наповнювачами або армуванням, який відрізняється тим, що він містить 3-15 % маси вуглецевого волокна. 5 UA 102452 U 5 2. Термопластичний композит за п. 1, який відрізняється тим, що вуглецеве волокно є рубаним. 3. Термопластичний композит за п. 1, який відрізняється тим, що вуглецеве волокно є меленим. 4. Термопластичний композит за пп. 1, 2 та 3, який відрізняється тим, що він містить 5 % маси в'яжучого засобу на основі поліпропілену і його співполімерів з етиленом і полярними сомономірами. 6 UA 102452 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7