CC BY
66
УДК 691-423
А. В. Несмачная, Н. М. Никулин, А. К. Овсяников,
В. Г. Харюков, Е. В. Ясинская
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ХРАНЕНИЯ ИСХОДНЫХ КОМПОНЕНТОВ НА КАЧЕСТВО МЕТАЛЛОПЛАСТИКОВЫХ ПРОФИЛЕЙ
Исследовано 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.
An unfluence of duration and conditions of storage on quality of the initial components used by manufacture of metal-plastic profiles is 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.
Ключевые слова: драйбленб, металлопластиковый профиль, условия хранения, капиллярные явления.
Key words: drybland, metal-plastic profile, conditions of storage, capillary phenomena.
В данной работе исследовалось влияние продолжительности и условий хранения на качество исходных компонентов, используюшдхся при производстве металлопластиковых профилей. Объекты исследований (гранулы поливинилхлорида (ПВХ), стабилизатор, модификатор, наполнитель, драйбленд и образцы готовых трехкамерных профилей) были предоставлены ООО «Кёниг-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 130° С. На втором этапе драйбленд загружался в экструдер, где плавился при температуре 180° С, 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 — маски из алюминиевой фольги.
Дисперсный состав гранул ПВХ определялся путем измерения размеров гранул при помощи электронного сканирующего микроскопа с последующим построением функции распределения [1]:
f (r) = dF(r) dP(r) , dr dr
r
где F(r) = J f (r)dr; P(r) — полином 8-го порядка, аппроксимирующий дискретную функцию 0
F '(Ті ).
На рисунке 1 представлены сканы соответственно модификатора, стабилизатора и наполнителя, а также сканы гранул ПВХ, хранящихся как в нормальных условиях, так и в условиях повышенной влажности.
Вестник Российского государственного университета им. И. Канта. 2010. Вып. 10. С. 120—125.
Рис. 1. Сканы компонентов драйбленда: а — модификатора; б — стабилизатора; в — наполнителя; г — гранул ПВХ Анализ изображений позволяет сделать предположение, что в процессе длительного хранения произошло агрегирование наночастиц модификатора и наполнителя: на сканах видны агрегаты, имеюшде 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 интенсивном внешнем воздействии.
Вывод подтверждается исследованиями сканов сколов пластика металлопластиковых профилей (рис. 3, в). На скане видны крупные агрегаты наполнителя и модификатора, вошедшие в состав пластика. На рисунке 2 показан скан отдельной гранулы ПВХ, хранившейся в условиях повышенной влажности, и скан ее поверхности.
Поверхность отдельной гранулы имеет необычайно развитую структуру, на ее скане видны многочисленные поры — капилляры, закрытые с одной стороны, и многие из них диаметром 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 9 вблизи открытого конца капилляра возрастал и стремился к п/2. Кривизна поверхности жидкости при этом K = (cos 9)/г ^ 0. Поэтому давление воды в капилляре после его заполнения водой 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 радиуса r = 0,5 мкм при нормальном атмосферном давлении. Уравнение Клапейрона — Клаузиуса:
dP = q
б
(2)
(1)
Рис. 2. Скан гранулы ПВХ, хранившейся в условиях повышенной влажности (я); скан поверхности
отдельной гранулы ПВХ (б) где ц _ 2,26 МДж/ кг. Пренебрегаем удельным объемом жидкости в (1) и считаем, что к пару применимо уравнение Клапейрона — Менделеева:
йР_цц йТ Р ~ Я Т2 '
где ц — молярная масса воды; Я — универсальная газовая постоянная.
Интегрируя (2) и считая, что при давлении Р0 температура кипения жидкости равна Т0, получим:
inp=
Po R
(3)
Давление в пузырьке радиуса г1, образующемся в закипающей жидкости, Р1 _ Р0 + 2ст / г1, ст — коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Так как радиус пузырька г1 меньше радиуса капилляра г, то
Рг > Ро + 2ст / г. (4)
При г = 0,5 мкм, Т = 130° С, ст = 50 мН/ м давление в пузырьке, как это следует из (4), равно 3,0-105 Па и отношение Р/Р0 в (3) равно 3. Тогда температура кипения воды в капилляре, учитывая (3), равна 134° С.
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. 3, в).
б
в
Рис. 3. Скан поверхности пластикового профиля: а — поры; б — каверна; в — агрегаты в объеме пластика
Это подтверждается также изменением функции распределения для гранул ПВХ, хранившихся в условиях повышенной влажности, по сравнению с функцией распределения для гранул, хранившихся в нормальных условиях. На рисунке 4 представлены функции распределения (нормированные на значение функций при г = 120 мкм) для гранул ПВХ, хранившихся в нормальных условиях (сплошная кривая) и в условиях повышенной влажности (пунктирная кривая), а на рисунке 5 — ненормированные функции распределения для драйбленда. 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 г » 120 мкм. В этом драйбленде практически отсутствуют мелкие окатыши.
На основе 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.
Рг,
ч У / / \ч \ч. \ X \ \ \ N
7 У X \
а
Рис. 4. Нормированные функции распределения для гранул ПВХ, хранившихся в нормальных условиях (сплошная кривая), и гранул ПВХ, хранившихся в условиях повышенной влажности (пунктирная кривая)
Рис. 5. Ненормированные функции распределения для драйбленда: 1, 2 — изготовленного из компонентов, хранившихся в нормальных условиях, 3 — из гранул ПВХ, хранившихся в условиях повышенной влажности
Подтверждением этому являются результаты исследований металлопластиковых профилей, изготовленных из драйбленда, содержащего воду. На рисунке 3 показаны сканы поверхности пластикового профиля. Видно, что к поверхности прилегает большое количество микропор различных размеров. Средний радиус пор Я составил 0,75 мкм.
Предполагая, что микропоры имеют форму сферы и равномерно распределены по объему, коэффициент пустотелости пластика к п, равный доле объема, заполненного пустотами, можно найти по формуле
где N — количество микропор на поверхности профиля, находящихся на площади поверхности 5.
Из (5) следует, что в пластике металлопластиковых профилей 0,35 % объема занимают микропоры, заполненные водой. Вода, находящаяся в микропорах, при изменении температуры окружающей среды может находиться в газообразном, жидком и твердом 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 объеме 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 проведенных 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 объеме пластика формировалось большое количество микропор, средний размер которых в исследованных образцах оказался равным 0,75 мкм. Коэффициент пустотелости пластика к п в этих образцах составил 0,35 %. Часть микропор, сливаясь, образовала полости, размеры которых достигали нескольких миллиметров.
1. Щиголев Б. М. Математическая обработка наблюдений. М., 1969.
2. Суздалев И. П. Нанотехнология. Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.,
(5)
Список литературы
2006.
Об авторах
Анастасия Владимировна Несмачная e-mail: [email protected]
студ., РГУ
им.
И. Канта,
Николай Михайлович Никулин — канд. физ.-мат. наук, доц., РГУ им. И. Канта, e-mail: [email protected]
Александр Константинович Овсяников — студ., РГУ им. И. Канта, e-mail: [email protected]
Владимир Геннадьевич Харюков — канд. техн. наук, доц., РГУ им. И. Канта.
Елена Витальевна Ясинская — ст. преп., РГУ им. И. Канта, e-mail: [email protected]
Authors
Anastasiya Nesmachnaja — student, IKSUR, e-mail: nesma-anastasiya@ yandex.ru Dr Nikolay Nikulin — head of department, IKSUR, e-mail: nickulinnick@ mail.ru Aleksandr Ovsyanikov — student, IKSUR, e-mail: [email protected] Dr Vladimir Kharukov — assistant professor, IKSUR.
Elena Yasinskaya — high instructor, IKSUR, e-mail: [email protected]
