Технология производства ударостойкого материала на основе ПА6

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«МИРЭА – Российский технологический университет»
РТУ МИРЭА
Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова
Кафедра философии
Кафедра химии и технологии переработки пластмасс и полимерных композитов
Реферат
по дисциплине «Технология производства полимерных
композиционных материалов»
Тема: Технология производства ударостойкого материала на основе ПА6
Выполнил - студент группы ХЕМО 05-18:
Бовырин Д.А.
Проверил, доц.
Ушакова О. Б.
МОСКВА 2018
Полиамид-6
гидролитической
(-(-NH-(CH2)5-CO-)n) - полимер, получаемый путём
полимеризации
капролактама.
Процесс
ведется
в
присутствии воды, играющей роль активатора, при температуре 240-270°С и
давлении 15-20 кгс/см2 в атмосфере азота. Производство полиамидов
осуществляется двумя способами:
•
полимеризацией капролактама (для поли-е-капрамидов), которая
осуществляется преобразованием циклической связи N-C в линейный
полимер;
•
цепной реакцией поликонденсации гексаметилендиамина и
адипиновой кислоты (для поли-ц-бензамидов), в результате которой
формируются цепи полиамида.
Оба
процесса
могут
выполняться
в
непрерывном
(самый
распространенный) и периодическом режимах. [1]
Благодаря
обусловленному
полиамиды,
сильному
межмолекулярному
водородными
представляют
связями
собой,
между
взаимодействию,
группами
труднорастворимые
-CO-NH-,
высокоплавкие
полимеры с температурой плавления 180-250°С (Тпл ПА-6=220°С).
Полиамиды применяются, прежде всего, для получения синтетического
волокна. Вследствие нерастворимости в обычных растворителях прядение
ведется сухим методом из расплава с последующей вытяжкой. Хотя
полиамидные волокна прочнее натурального шелка, трикотаж и ткани,
изготовленные из них, значительно уступают по гигиеническим свойствам
из-за недостаточной гигроскопичности полимера. Полиамиды используются
для производства технических тканей, канатов, рыболовных сетей. Шины с
каркасом
из
полиамидного
корда
более
долговечны.
Полиамиды
перерабатываются в очень прочные конструкционные изделия методами
литья под давлением, прессования, штамповки и выдувания.
Полиамид-6 обладает хорошими антифрикционными и прочностными
характеристиками, стоек к воздействию масел, спирта, слабых растворов
кислот и щелочей, а также бензина. Он так же используется при
2
изготовлении различных технических изделий, которые используются в
машиностроении, автомобилестроении и прочих отраслях. Так он может
применяться при изготовлении:
•
Подшипников скольжения, направляющих, а также вкладышей
узлов трения. Нагрузка на элементы из полиамида может достигать 20 МПа,
но только при использовании масляной, водяной или же иной смазки.
•
Блоков, шкивов, колёс различных грузоподъёмных механизмов,
таких как, гидравлические тележки, краны-балки, транспортёры и конвейеры.
Тяговое усилие не должно превышать 30 тонн.
•
Корпусов для разнообразных приборов, а также для ступиц колес
вагонеток, тележек, различных фильтров с повышенными требованиями по
ударостойкости.
•
Различных шестерён и звездочек, использование полиамида
позволяет снизить уровень шума при производстве, вплоть до 15 ДБ
•
Деталей уплотнения для дозаторов, сепараторов, оборудования
РТИ (с успехом заменяет фторопласт), а также для манжет высокого
давления (способен выдержать давление до 500 атмосфер)
•
Обвалочных и разделочных столов в пищевой промышленности
•
Детали
конвейеров,
мясоперерабатывающей
используемых
промышленности.
в
Детали
рыбной
и
конвейеров
по
производству напитков. [2]
Наименование
Эскизы заготовок
Размер заготовок, мм
Плиты
H=70-300
Стержни
D=20 - 120 L=600-1200
Круги
D=100-815 H=120-300
3
Наименование
Эскизы заготовок
Размер заготовок, мм
Втулки
D=80-735 d=35-650 L=500-1400
Листы
H=15-50 B=650 L=1100
Рисунок 1 – Конфигурация заготовок из полиамида 6 [2]
Показатель
Внешний вид
Значение показателя
Гранулы от белого до
светло-желтого цвета или окрашенные
Количество инородных и окисленных
18
частиц, на 100 г продукта, шт, не более
Размер гранул (длина), мм
1,5 ‒ 4,0
Температура плавления, не менее, °С
215
Массовая доля воды, %, не более
0,2
Относительная вязкость,
2,6 ‒ 3,2
не менее в пределах
Массовая доля экстрагируемых
1,5
веществ, не более, %
Массовая доля непрорубленных
0,5
гранул до 20 мм, не более, %
Таблица 1 – Свойства полиамидa-6 210/310 (ОСТ 6‒06-С9‒93)
Марка
Описание
ПА 6‒210/310
Полиамид ПА 6
Полиамид ПА 6
ПА 6‒210/311
наличие добавки
Низковязкий полиамид ПА 6
ПА 6‒130
c долей экстрагируемых веществ
не более 13%
ПА 6‒211-ДС
Стеклонаполненный (длинное
(первый и высший сорт)
стекло) средняя вязкость
ПА 6 с двуокисью титана
ПА 6‒211‒04
средняя вязкость
Термостабилизированный ПА 6
ПА 6‒211‒12
средняя вязкость
Свето-термостабилизированный
ПА 6‒211‒15
средняя вязкость
Стабилизированный медным комплексом
ПА 6‒211‒17
средняя вязкость
ПА 6‒211‒21
С добавлением сажи
4
Нормативный
документ
ОСТ 6‒06-С9‒93
ОСТ 6‒06-С9‒93
ОСТ 6‒06-С9‒93
ГОСТ 17648‒83
ОСТ 6‒06-С9‒93
ОСТ 6‒06-С9‒93
ОСТ 6‒06-С9‒93
ОСТ 6‒06-С9‒93
ОСТ 6‒06-С9‒93
Марка
Описание
средняя вязкость
Окрашенный
ПА 6‒211‒22
средняя вязкость
Стеклонаполненный (короткое
ПА 6‒210-КС
стекло) средняя вязкость
Стеклонаполненный (короткое
ПА 6‒211-КС
стекло) средняя вязкость
Стеклонаполненный (длинное
ПА 6‒210-ДС
стекло) средняя вязкость
Стеклонаполненный
ПА 6 ЛСВ30
(30% стекловолокна)
средняя вязкость
Полиамид
Угленаполненный
УПА 6‒5
(5% углеволокна)
Полиамид
Угленаполненный
УПА 6‒10
(10% углеволокна)
Полиамид
Угленаполненный
УПА 6‒15
(15% углеволокна)
Полиамид
Угленаполненный
УПА 6‒20
(20% углеволокна)
Полиамид
Угленаполненный
УПА 6‒30
(30% углеволокна)
Полиамид
Угленаполненный
УПА 6‒40
(40% углеволокна)
Таблица 2 - марки полиамида 6 [3]
Показатель
Нормативный
документ
ОСТ 6‒06-С9‒93
ОСТ 6‒11‒498‒79
ОСТ 6‒11‒498‒79
ГОСТ 17648‒83
ТУ 6‒06‒204‒91
ТУ 6‒12‒31‒654‒89
ТУ 6‒12‒31‒654‒89
ТУ 6‒12‒31‒654‒89
ТУ 6‒12‒31‒654‒89
ТУ 6‒12‒31‒654‒89
ТУ 6‒12‒31‒654‒89
Значение
1,13 ‒ 1,14
215
Плотность, г/см³
Температура плавления, °C, не ниже
Относительное удлинение при разрыве, %,
не менее
Ударная вязкость на образцах с надрезом,
кДж/м², не менее
Предел текучести при растяжении, МПа,
не менее
Твердость, МПа, не менее
Температура размягчения при напряжении
изгиба 1,85 МПа,°С, не менее
Модуль упругости при изгибе, ГПа
Разрушающее напряжение при изгибе, МПа
Разрушающее напряжение при растяжении,
МПа, не менее
70 ‒ 110
5,0
65
100
45
1,9 ‒ 2,0
60 ‒ 70
50
Водопоглощение, %
за 1 час кипячения
максимальное
3,5
10 ‒ 11
0,28
Коэффициент теплопроводности
5
Показатель
при 20‒150 °С, Вт/м·К
Средний коэффициент линейного теплового
расширения *10-5, 1/К в интервале температур
от ‒70 до +20 °C
от 20 до 160 °C
Изгибающее напряжение при величине
прогиба равной 1,5 толщины образца, МПа
Напряжение при относительной деформации
сжатия 25%, Мпа
Коэффициент трения по стали
Износ по сетке, мм³/(м·см²)
Теплостойкость по Вика, °C при нагрузке 9,8 Н
Прочность при разрыве, МПа
Усталостная прочность при 10⁶циклов
(при 50 Гц), МПа
Динамический модуль Юнга, МПа 10²
Удельное поверхностное электрическое
сопротивление, Ом
Удельное объемное электрическое
сопротивление, Ом·см
Электрическая прочность, кВ/мм
Тангенс угла диэлектрических потерь при
частоте 106ГЦ
Диэлектрическая проницаемость при
частоте106ГЦ
Температура морозостойкости, °C
Рабочие температуры, °C
Дугостойкость при 10 мА, °C
Кислородный индекс, %
Усадка литьевая, %
Долговременная прочность при растяжении
в течение 100 ч, МПа
Таблица 3 - Физико-механические и диэлектрические свойства
(ОСТ 6‒06-С9‒93) [3]
6
Значение
1‒8
8 ‒ 10
25 ‒ 30
90 ‒ 100
0,15 ‒ 0,25
1,5 ‒ 2,0
205 ‒ 215
56 ‒ 65
15 ‒ 25
22
10¹⁴
(1‒3)·10¹⁵
21 ‒ 23
0,025 ‒ 0,03
3,0 ‒ 3,6
‒45 – ‒40
80 ‒ 100
8 ‒ 12
24 ‒ 25
1,5 ‒ 2,5
35 ‒ 40
полиамида 6 210 / 310
Значительное распространение получила так называемая реакционная
компатибилизация - синтез совмещающей добавки в процессе получения
смеси из самих полимерных компонентов. Так, при смешении в расплаве
полиамида и полиэфира, типа поликапролактама и полиэтилентерефталата
может происходить переэтерификация контактирующих макромолекул
компонентов, которая вместе с механодеструкцией может приводить к
образованию блок-сополимеров. Аналогичным образом переэтерификация
может происходить в смеси ПЭТ ПБТ, также в смесях различных
полиамидов.
Механохимические процессы при получении смесей в расплаве в
принципе всегда могут приводить к получению привитых, блок- и вообще
интерполимеров.
Рисунок 2 – Реакция связывающих функциональных групп в полимерах А и Б, ведущая к
образования (а) блок-сополимера и (b) привитого сополимера на границе раздела фаз двух
взаиморастворимых полимеров [4]
Однако
процесс
механодеструкция
механические
как
свойства
смешения
можно
самих
обычно
меньше
организуется
влияла
смешиваемых
так,
чтобы
(отрицательно!)
полимеров,
на
поэтому
механохимическое взаимодействие полимеров сводится к минимуму.
Отдельно следует отметить значительную роль малеинового ангидрида как
эффективного
модификатора
полимеров,
обеспечивающего
получение
компатибилизаторов. Малеиновый ангидрид имеет двойную связь -СН =СН,
а также полярную ангидридную группу. Двойная связь позволяет прививать
7
его к разным полимерам (например, ПП) таким образом создать полярные
группы в макромолекуле неполярного полимера (малеинизированный ПП).
Такой
полимер
способен
интенсивно
взаимодействовать
с
другими
полимерами в межфазном слое, играя роль компатибилизатора или даже
отдельной фазы с хорошим взаимодействием с матричным полярным
полимером.
Малеинизированные
полимерные
продукты
выпускаются
промышленностью.
Рисунок 3 - примеры смесей промышленного значения и типы компатибилизаторов [4]
Бинарные смеси, содержащие компатибилизатор, носят название
сплавы полимеров. Они отличаются высокой дисперсностью полимерной
фазы в матричном полимере, высокой прочностью в межфазном слое, что
обеспечивает хороший комплекс механических свойств. Сегодня смеси без
компатибилизатора
применяются
редко.
Практически
все
смесевые
материалы сегодня являются сплавами и центр усилия их создания повышение прочности межфазного слоя. Важно также отметить, что общей
теории подбора компатибилизаторов сегодня нет, и модифицирующие
8
добавки и их дозировка подбираются путем поиска, т. е. путем проб и
ошибок. [5]
В процессе смешения расплавов химическое или механохимическое
взаимодействие с образованием компатибилизатора может происходить на
границе раздела фаз и чем мельче частицы и больше их удельная
поверхность, тем больше вероятность реакции. Такие реакции происходят в
интенсивных смесителях типа двухшнекового экструдера, хотя время
пребывания расплава в нем невелико - около одной минуты.
Широкое распространение получили механохимические реакции
вводимых добавок с макромолекулами. Типичный пример - малеиновый
ангидрид (сочетание двойной связи и полярной ангидридной группы),
который прививается в расплаве на эластомер в присутствии пероксида. Вот
пример:
Рисунок 4 – реакция компатибилизации малеинизированного эластомера к найлону
Реакция может протекать участием полиолефинов, особенно ПП
(прививка по месту реакционноспособного третичного атома водорода)
других полимеров. Малеинизированный ПП сегодня уже стал товарным
продуктом. Реализуются другие типы реакций в расплаве с образованием
“привитых” компатибилизаторов.
9
Рисунок 5 - Схема образования связи (4) с помощью компатибилизатора между цепями
матричного полимера (2) и наполнителем (3); 1- реакционноспособная привитая часть
полимерной цепи (5) связующего агента или совместителя имеет термодинамическое
сродство с первым полимеров [6]
Эффект компатибилизации показан на рисунке 5, где в смесь ППнайлон (20:80) вводили малеинизированный ПП. На оси абсцисс отложен %
МА в фазе ПП. Видно сильное снижение размера частиц ПП, когда в фазе
ПП содержится всего около 1%привитого малеинового ангидрида.
Рисунок 6 - Эффект компатибилизации в смеси ПП-найлон (20:80)
Подводя итог, следует отметить, что часто существенное улучшение
свойств смесей полимеров достигается улучшением “свойств” МФС.
Компатибилизаторы, локализуясь в объеме МФС, снижают межфазное
натяжение, но главным образом: а) увеличивают прочность связи между
фазами, что улучшает механические свойства смесевого материала, придают
ему пластичность и стойкость к удару; б) повышают взаимодействие между
10
фазами в расплаве, что приводит к улучшению диспергирования полимера
полимере; в) упрочненный МФС предотвращает коалесценцию частиц, что
также увеличивает степень дисперсности и повышает механическую
однородность
смеси.
Сегодня
большинство
смесей
содержат
компатибилизаторы, обеспечивающие высокую дисперсность и улучшающие
комплекс механических свойств. Бинарные смеси полимеров становятся
сплавами и являются фактически трехкомпонентными системами. [7]
11
Список использованных источников
1- Промышленные материалы. Отраслевой портал. [Электронный ресурс].–
Режим доступа
http://promresursy.com/materialy/polimery/poliamid/svoystva.html
(Дата обращения 16.01.2019);
2- АО “Электромаш”. Портал производителя. [Электронный ресурс].-Режим
доступа http://www.elmash.net/production/poliamid-6/
(Дата обращения 16.01.2019);
3- Компания АНИД. Портал производителя. [Электронный ресурс].-Режим
доступа http://anid.ru/poliamid/6 (Дата обращения 16.01.2019);
4- Мещанкина М.Ю., Чвалун С.Н., Щербина М.А., Кузнецова Я.А. Создание
биоразлагаемых материалов на основе ПЛА и ПА-6 / шестая Всероссийская
Каргинская конференция «Полимеры - 2014» Том II. Cборник тезисов
стендовых докладов в 2 частях. Часть первая Москва 27 января – 31 января
2014 г. С. 661, [с. 511];
5- Кулезнев В.Н. Смеси и сплавы полимеров (конспект лекций). - СПб.:
Научные основы и технологии, 2013. - 216 стр., ил, [5 - с. 20-22], [7 – c. 7173];
6- Новые полимерные технологии. Отраслевой портал. [Электронный ресурс].–
Режим доступа http://www.np-tech.ru/page4.html (Дата обращения 16.01.2019).
12