Optimization of Modes for Obtaining Composites on the Basis of Polyethylene and Sander Dust of Plywood by Hot Pressing Technique

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2024.141.4
Issue: № 3 (141), 2024
Suggested:
05.10.2023
Accepted:
22.02.2024
Published:
18.03.2024
88
1
XML
PDF

Abstract

The most common method of processing composites with polymer phases of synthetic thermoplastics and lignocellulosic fillers today is extrusion. Extrusion is a highly productive method of processing polymer composites, but it has a number of disadvantages. The present work examines the issues of obtaining products from polymer composites by hot pressing. The research is dedicated to the search for optimal parameters of the technological process of obtaining products from composites with polymer phase of high-density polyethylene and sander dust of birch plywood by hot pressing. For this purpose, an experiment according to the Plackett-Berman plan was designed and implemented. As a result of its realization, experimental and statistical models describing the influence of technological parameters of the process of obtaining composites on their properties were developed. According to the obtained models, the optimal conditions for obtaining products with the required properties were found by simplex method.

1. Введение

Для получения изделий из композитов с полимерными фазами природных

,
,
,
и синтетических термопластов
,
,
и лигноцеллюлозными наполнителями применяют традиционные методы переработки термопластичных полимеров. Сочетание полимерной матрицы и натуральных армирующего лигноцеллюлозного наполнителя позволяет получить композит, обладающий лучшими свойствами каждого компонента. Поскольку пластики более мягкие, гибкие и легкие по сравнению с натуральными волокнами, их сочетание обеспечивает высокое соотношение прочности и плотности композита. Основным недостатком лигноцеллюлозных наполнителей является их высокая полярность, что делает их трудно совместимыми со слабо полярными полимерами. Кроме того, низкая водостойкость делает использование натуральных волокон менее привлекательным для использования таких композитов вне помещений или в условиях повышенной влажности. Свойства композитов с лигноцеллюлозными наполнителями зависят от свойств отдельных компонентов и их межфазного взаимодействия. Полимеры имеют различное сродство к наполнителям из-за разницы в их химической структуре. В качестве матриц для подобных композитов используются термореактивные полимеры, такие как полиэфиры, эпоксидные и фенольные смолы, а также термопластичные полимеры – полиэтилен (ПЭ), полистирол (ПС) и полипропилен (ПП). Перспективным представляется направление получения композиционных материалов с лигноцеллюлозными наполнителями на основе природных и искусственных термопластов
,
,
,
.

Для получения изделий из композитов с термопластичными матрицами

,
,
и лигноцеллюлозными наполнителями применяют традиционные методы переработки термопластичных полимеров. Наиболее распространенным способом переработки таких композитов на сегодня является экструзия. Эту технологию применяют для производства из композитов с лигноцеллюлозными наполнителями преимущественно профильно-погонажных изделий: досок и панелей для пола, ограждений, облицовочных досок и панелей для наружного применения на открытом воздухе, тонких и толстых листов и трубчатых элементов.

Экструзия является высокопроизводительным методом переработки полимерных материалов, однако имеет ряд недостатков. Одной из основных трудностей экструзии высоконаполненных композитов является необходимость компаундирования высоковязких, мало текучих, разнородных по физическим и химическим свойствам компонентов. Кроме того, изделия из композитов обычно имеют довольно большие геометрические размеры и массу, превышающие аналогичные параметры изделий из ненаполненных полимеров, что усложняет их охлаждение после выхода из экструдера

.

Также экструзия не является подходящим методом для производства более сложных в конструкционном плане изделий (тары, фурнитуры и т.д.), либо рулонных материалов (напольных и настенных покрытий, изоляционных мембран, сеток и т.д.). Полученные в работе результаты показывают, что такие изделия могут изготавливаться из полимерных композитов с лигноцеллюлозными наполнителями методами горячего прессования и каландрования.

Перспективными для практического применения по ряду физико-механических свойств и биостойкости могут быть композиты с полимерной фазой первичного полиэтилена и шлифовальной пылью березовой фанеры, которые не уступают по этим свойствам ДПК с древесной мукой

Целью исследования являлось установление закономерностей влияния технологических факторов процесса горячего прессования и компонентного состава таких композитов на их физико-механические свойства. В задачи работы также входила оптимизация технологических параметров переработки композитов и их рецептур в соответствии с установленными закономерностями.

2. Методы и принципы исследования

Для определения закономерностей влияния параметров процесса горячего прессования и компонентного состава материала на свойства композитов был проведен семифакторный эксперимент по плану Плэккетта-Бермана

. Реализация этого плана (табл. 1 и табл. 2) обеспечивает оптимальное соотношение между точностью регрессионных моделей и количеством экспериментов.  Выходные факторы эксперимента (Zi) приведены ниже:

Z1 – содержание шлифовальной пыли березовой фанеры, мас. ч.;

Z2 – содержание металена F-1108 (компатибилизатор), мас. ч.;           

Z3 – температура при горячем прессовании, о С;

Z4 – давление при горячем прессовании, МПа;          

Z5 – давление при холодном прессовании, МПа;

Z6 – продолжительность горячего прессования, мин;

Z7 – продолжительность холодного прессования, мин.

Таблица 1 - План эксперимента с кодированными значениями факторов

Номер

образца

Кодированные значения факторов (хi)

x1

x2

x3

x4

x5

x6

x7

1

–1

–1

–1

1

1

1

–1

2

1

–1

–1

–1

–1

1

1

3

–1

1

–1

–1

1

–1

1

4

1

1

–1

1

–1

–1

–1

5

–1

–1

1

1

–1

–1

1

6

1

–1

1

–1

1

–1

–1

7

–1

1

1

–1

–1

1

–1

8

1

1

1

1

1

1

1

Полимерным связующим был первичный полиэтилен высокой плотности марки 273-83. Содержание в образцах плит лубриканта (стеарата кальция) составляло 1,5 мас. %. Смешение компонентов проводилось методом экструзии.

Таблица 2 - План эксперимента с натуральными значениями факторов

Номер

образца

Натуральные значения факторов (Zi)

Z1, мас. ч.

Z2, мас. ч.

Z3, оС

Z4, МПа

Z5, МПа

Z6, мин

Z7, мин

1

25,0

0,0

175

30

12,6

20

5

2

67,0

0,0

175

15

9,4

20

10

3

25,0

1,5

175

15

12,6

10

10

4

67,0

1,5

175

30

9,4

10

5

5

25,0

0,0

185

30

9,4

10

10

6

67,0

0,0

185

15

12,6

10

5

7

25,0

1,5

185

15

9,4

20

5

8

67,0

1,5

185

30

12,6

20

10

 Для полученных образцов были определены показатели следующих свойств (Yj):

Y1 – плотность, кг/м3;

Y2 – твердость по Бринеллю, МПа;

Y3 – пластичность, %;

Y4 – модуль упругости при сжатии, МПа;

Y5 – прочность при изгибе, МПа;

Y6 – ударная вязкость, кДж/м2;

Y7 – водопоглощение за сутки, %;

Y8 – водопоглощение за 30 суток, %;

3. Основные результаты

Результаты определения физико-механических свойств образцов композитов с полимерной фазой ПЭНД и шлифовальной пылью березовой фанеры приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Показатели свойств полученных образцов плит

Номер

образца

Средние арифметические значения показателей свойств образцов плит

Y1, кг/м3

Y2, МПа

Y3, %

Y4, МПа

Y5, МПа

Y6, кДж/м2

Y7, %

Y8, %

1

956

47,2

36,9

569

36,0

14,6

0,0

1,9

2

1015

56,0

36,2

692

15,0

9,1

1,3

7,9

3

934

44,0

37,9

523

18,9

14,0

0,2

1,8

4

1031

54,4

39,0

670

34,5

23,7

1,0

7,6

5

935

45,4

40,2

543

40,7

17,0

0,0

2,5

6

1040

57,9

38,4

720

37,3

12,2

0,7

6,7

7

1033

41,9

41,6

492

20,3

17,9

0,1

1,8

8

1066

46,8

43,0

562

19,5

13,4

0,7

7,7

В результате проведенного регрессионного анализа были выведены следующие уравнения регрессии, которые описывают влияние входных факторов на свойства полученных образцов с высокой степенью достоверности (р ≥ 0,90) и точностью описания экспериментальных данных (коэффициент детерминации R2>0,90):

Y1, кг/м3 = 1,79×Z1 + 5,11×Z3 (R2 = 0,98);

Y2, МПа = 0,22×Z1 + 0,21×Z3 (R2 = 0,99);

Y3, % = 1,68×Z2 + 0,21×Z3 (R2 = 0,99);

Y4, МПа = 3,13×Z1 + 2,51×Z3 (R2 = 0,99);

Y5, МПа = 0,18×Z3 (R2 = 0,99);

Y6, кДж/м2 = 0,08×Z3 (R2 = 0,93);

Y7, % = 0,02×Z1 – 0,06×Z5 (R2 = 0,96);

Y8, % = 0,12×Z1 (R2 = 0,91).

С помощью разработанных экспериментально-статистических моделей была поставлена и решена оптимизационная задача направленную на выбор наиболее рациональных технологических условий процесса горячего прессования и компонентного состава композитов на основе ПЭНД и шлифовальной пыли березовой фанеры для производства изделий конструкционного назначения. Ниже приведено решение этой задачи.

В качестве целевой функции оптимизационной задачи был принят показатель прочности при изгибе (Y5). Оптимизация технологических параметров процесса горячего прессования должна была способствовать достижению максимального значения этого показателя.

Для ключевых показателей физико-механических свойств были предложены следующие ограничения:

1) твердость по Бринеллю (Y2) – не менее 50 МПа;

2) ударная вязкость (Y6) – не менее 10 кДж/м2;

3) водопоглощение за 30 суток (Y7) – не более 10 мас. %.

Исходя из имеющейся научно-технической информации и производственного опыта для решения оптимизационной задачи были выбраны следующие граничные условия:

1) содержание наполнителя (Z1) – не менее 50 мас. ч.;

2) содержание компатибилизатора (Z2) – не более 4 мас. ч.

3) температура горячего прессования (Z3) – в диапазоне 175 – 185 оС;

4) давление при горячем прессовании (Z4) – в диапазоне 15 – 30 МПа;

5) давление при холодном прессовании (Z5) – в диапазоне 9,4 – 12,6, МПа;

6) продолжительность горячего прессования (Z6) – не менее 10 мин.;

7) продолжительность холодного прессования (Z7) – не менее 5 мин.

В результате решения поставленной оптимизационной задачи для экспериментальной проверки были предложены следующие параметры процесса горячего прессования и компонентного состава композита с полимерной фазой ПЭНД и шлифовальной мукой березовой фанеры:

1) содержание шлифовальной пыли березы (Z1) – 67,1 мас. ч.;

2) содержание металена F-1108 (Z2) – 0,0 мас. ч.;       

3) температура при горячем прессовании (Z3) – 185 оС;

4) давление при горячем прессовании (Z4) 15 МПа;

5) давление при холодном прессовании (Z5) – 9,9 МПа.

6) продолжительность горячего прессования (Z6) – 10 мин.;

7) продолжительность холодного прессования (Z7) – 5 мин.

Результаты измерений свойств образцов плит, полученных при рассчитанных оптимальных значениях технологических параметрах по данной математической модели оптимизационной задачи приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Показатели свойств образцов плит, полученных при рассчитанных оптимальных значениях технологических параметрах

Свойство

Расчетное значение

Фактический результат

Расхождение, %

Плотность, кг/м3

1064

1058

-0,5

Твердость, МПа

54,8

52,6

-4,2

Пластичность, %

39,0

41,6

6,2

Модуль упругости при сжатии, МПа

673

645

-4,4

Прочность при изгибе, МПа

33,3

31,3

-6,4

Ударная вязкость кДж/м2

15,5

11,8

-31,4

Водопоглощение за сутки, %

1,0

1,4

28,6

Водопоглощение за 30 суток, %

8,0

8,4

4,0

4. Обсуждение

Установлено, что большинство физико-механических свойств, рассмотренных в работе композитов находятся в прямой зависимости от температуры горячего прессования (Z3). Показатели плотности твердости, жесткости и водопоглощения увеличиваются пропорционально росту содержания шлифовальной пыли (Z1) в полимерной фазе композита. Повышение давления на стадии охлаждения формы под давлением (Z5) обеспечивает формирование более ровной поверхности материала, снижает ее смачиваемость и обеспечивает более низкое водопоглощение при краткосрочном контакте с водой. Увеличение содержания металена (Z2) приводит к повышению пластичности материала, и не оказывает значимого влияния на остальные свойства композита. Общая неэффективность действия компатибилизатора противоречит известным литературным данными

, но может объясняться недостаточным максимальным уровнем его введения в материал из-за большей дисперсности наполнителя по сравнению с традиционно применяемой древесной мукой.

Значения большинства определённых показателей не отклоняются от расчётных более чем на 10%. Это является подтверждением высокой точности предложенных математических моделей. Однако показатели ударной вязкости и водопоглощения за 24 часа являются исключениями: для них расхождение между расчетными и фактическими значениями составляет 31,4 и 28,6% соответственно. Недостаточную точность прогнозирования этих свойств можно объяснить присутствием нелинейных зависимостей между ними и входными факторами эксперимента. Наличие таких зависимостей практически невозможно установить при использовании плана эксперимента Плэккетта-Бермана. Для улучшения качества экспериментально-статистических моделей необходимо проведение дополнительных опытов.

Физико-механические свойства композита, полученного при оптимальных параметрах процесса горячего прессования в целом сопоставимы с уровнем свойств композитов, получаемых с использованием в качестве полимерной матрицы ПЭНД, а в качестве наполнителя древесной муки (при 50 мас. %)

,
,
. Ключевыми преимуществами полученного материала являются высокие значения показателей прочности при изгибе (31,3 МПа) и ударной вязкости (11,8 кДж/м2) значительно превосходящие соответствующие показатели эталонных композитов с ПЭНД и древесной мукой. 

5. Заключение

В результате выполнения работы:

1. Получена серия образцов композиционных материалов на основе ПЭНД и шлифовальной пыли березовой фанеры различного состава и при различных условиях процесса горячего прессования.

2. Для полученных образцов были определены показатели ключевых физико-механических свойств.

3. Установлены закономерности влияния компонентного состава и технологических параметров получения изделий из композитов с полимерной фазой полиэтилена высокой плотности и шлифовальной пылью березовой фанеры на их ключевые физико-механические свойства.

4. Определены и экспериментально подтверждены оптимальные значения компонентного состава композитов и технологических параметров их получения.

5. Установлено, что композит, полученный при оптимальных технологических параметрах процесса прессования, по большинству физико-механических свойств сопоставим с эталонами на основе ПЭНД и древесной муки, а по показателям прочности при изгибе и ударной вязкости значительно их превосходит. 

Article metrics

Views:88
Downloads:1
Views
Total:
Views:88