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

Для получения изделий из композитов с полимерными фазами природных

Для получения изделий из композитов с термопластичными матрицами

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.

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

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.

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.

 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, %;

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

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.

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

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. %)

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.