Andrzej PUSZ, Małgorzata SZYMICZEK, Katarzyna MICHALIK Politechnika Śląska Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych e-mail: andrzej.pusz@polsl.pl WPŁYW ZAWARTOŚCI MONTMORYLONITU NA WSKAŹNIK SZYBKOŚCI PŁYNIĘCIA KOMPOZYTU NA OSNOWIE POLIAMIDU Streszczenie. Masowy i objętościowy wskaźnik szybkości płynięcia to podstawowe wskaźniki technologiczne przetwórstwa tworzyw polimerowych. W artykule przedstawiono wpływ zawartości montmorylonitu na masowy wskaźnik szybkości płynięcia kompozytu na osnowie poliamidu. INFLUENCE OF MONTMORILLONITE CONTENT ON MASS FLOW RATE COMPOSITE OF THE POLYAMIDE MATRIX COMPOSITE Summary. Both the mass flow rate and melt volume rate are the basic technological indictors of processing of the polymers. In this paper the influence of montmorillonite content on mass flow rate of the polyamide matrix composite was presented.
402 A.Pusz, M. Szymiczek, K. Michalik 1. WSTĘP Nanotechnologia jest szybko rozwijającą się interdyscyplinarną dziedziną wiedzy, obejmującą wiele obszarów badawczych, jak np. fizyka, chemia, biologia, mechanika czy medycyna. Nanokompozyty polimerowe to jakościowo nowa grupa materiałów. Otrzymywane są w wyniku modyfikacji tradycyjnych tworzyw poprzez zdyspergowanie w matrycy polimerowej dodatków rozdrobnionych do wymiarów kilku nanometrów. Dodatkami są najczęściej substancje nieorganiczne, np. krzemiany warstwowe, krzemionka bądź fulereny, nanorurki węglowe, metale oraz gazy. Nanokompozyty polimerowe definiowane są, jako kompozyty, w których wymiar przynajmniej jednego składnika wyrażony jest w nanometrach i zawiera się w przedziale 1-100 nm [1-6]. Duże zainteresowanie tego rodzaju nowymi kompozytami związane jest z ich właściwościami mechanicznymi, optycznymi, elektrycznymi oraz termicznymi, które są znacznie lepsze w porównaniu do tradycyjnych kompozytów. Przy czym wprowadzenie do matrycy polimerowej nanododatku w ilości 3-5% wystarcza, aby osiągnąć określone, wysokie właściwości nanokompozytu [2]. Jego właściwości związane są m.in. ze zwiększoną powierzchnią oddziaływania pomiędzy składnikami kompozytu (między nanododatkiem a fazą polimerową) oraz specyficznymi właściwościami nanododatku. Zalety nanokompozytów polimerowych to m.in. zwiększona sztywność bez utraty udarności, stabilność wymiarowa, poprawa efektu barierowego, zwiększona stabilność termiczna i odporność na działanie ognia, dobre właściwości optyczne, ograniczenie defektów powierzchniowych wyrobów, a także podwyższona lepkość i stopień krystalizacji w stosunku do polimeru wyjściowego. Do wad należy zaliczyć natomiast ich bardzo wysoką cenę, a także skomplikowany proces wytwórczy, w efekcie czego występują trudności z uzyskaniem dużego i równomiernego stopnia zdyspergowania w polimerze, a także skłonność nanonapełniacza do aglomerowania [3-6]. Badania właściwości nanokompozytów polimerowych udowodniły, iż w zależności od rodzaju matrycy polimerowej oraz od rodzaju nanododatku możliwe jest uzyskanie nowych cech takiego nanokompozytu lub pogłębienie już istniejących w porównaniu do właściwości konwencjonalnych kompozytów. Rozpatrując szeroką gamę dostępnych nanododatków, uwidaczniają się także możliwości różnorodnych zastosowań uzyskiwanych nanokompozytów polimerowych [1-3].
Wpływ montmorylonitu na wskaźnik... 403 2. BADANIA WŁASNE 2.1. Cel badań Celem badań było określenie wpływu zawartości nanonapełniacza (MMT) na masowy wskaźnik szybkości płynięcia MFR. 2.2. Próbki do badań Do wykonania próbek wykorzystano: PA 6 Ultramid przemiał. Tworzywo firmy BASF, MMT nanonapełniacz montorylonitu firmy ZGM Zębiec. Zakres badań obejmował przeprowadzenie pomiarów MFR dla przygotowanych kompozycji: oryginał PA 6 Ultramid, przemiał PA 6 Ultramid, przemiał PA 6 Ultramid + 2% MMT, przemiał PA 6 Ultramid + 4% MMT, przemiał PA 6 Ultramid + 6% MMT. W celu przygotowania kompozycji wykonano następujące czynności: suszenie tworzywa PA 6 Ultramid w temperaturze 110 C, wytłoczenie kompozycji, granulowanie, suszenie granulatu w temperaturze 110 C, przeprowadzenie badań wskaźnika szybkości płynięcia. Linia technologiczna, na której przeprowadzono proces wytłaczania składa się z wytłaczarki dwuślimakowej z automatycznym systemem dozowania, wanny chłodzącej, osuszacza i granultora. Podstawowe parametry wytłaczarki dwuślimakowej firmy Leistritz: średnica ślimaka 27mm, moc napędowa wytłaczarki 20 kw, stosunek długości do średnicy L/D 40, zakres obrotów ślimaka 10-500 obr/min z płynną regulacją, moment obrotowy ślimaka 190 Nm stały w całym zakresie, pomiar ciśnienia w zakresie 0-350 bar, napęd ślimaków współbieżny z możliwością przełączenia na przeciwbieżny z automatycznym przełączaniem na skrzyni przekładniowej,
404 A.Pusz, M. Szymiczek, K. Michalik ślimaki w wykonaniu segmentowym, segmenty mocowane na wale wielowypustowym, układ uplastyczniania chłodzony wodą w obrębie leja i na strefach grzewczych termostatem, dwie strefy odgazowania z filtrami, układ uplastyczniania posiada możliwość dozowania dodatków i napełniaczy zarówno do leja zasypowego jak i w dalszych strefach do uplastycznionego polimeru. Parametry wytłaczania podano poniżej. Temperatura na strefie 1 cylindra: 150 C, Temperatura na strefie 2 cylindra: 155 C, Temperatura na strefie 3 cylindra: 165 C, Temperatura na strefie 4 cylindra: 165 C, Temperatura na strefie 5 cylindra: 175 C, Temperatura na strefie 6 cylindra: 175 C, Temperatura na strefie 7 cylindra: 180 C, Temperatura na strefie 8 cylindra: 180 C, Temperatura na strefie 9 cylindra: 200 C, Temperatura na strefie 10 cylindra: 210 C, Temperatura dyszy: 210 C, Prędkość kątowa obrotów ślimaka: 480 rad/min, Ciśnienie masy: 48 50 bar, Temperatura masy tworzywa 216 217 C. W tabeli 1 zestawiono otrzymane kompozyty poliamidu PA 6 z nanonapełniaczem. Skład kompozycji Tabela 1 Lp. Składniki Kompozycja udział procentowy [%] 1 2 3 4 1 PA 6 Ultramid 100 98 96 94 2 Nanonapełniacz MMT - 2 4 6 Powyższe kompozycje, jak również oryginał i przemiał poliamidu 6 pozostawiono do suszenia w suszarkach w temperaturze 110 C przez okres 3 dni. Po upływie tego czasu przprowadzono badanie wskaźnika szybkości płynięcia MFR.
Wpływ montmorylonitu na wskaźnik... 405 2.3. Wyniki pomiarów wskaźnika szybkości płynięcia Badanie wskaźnika szybkości płynięcia przeprowadzono za pomoca plastometru obciążnikowego SM1-069-B-S-Sm, oraz wagi analitycznej i sekundomierza w oparciu o normę [7]. Parametry badań były następujące: temperatura badania θ, [ C]: 230 C, stosowane obciążenie [kg]: 2,16 kg, odstępy czasu odcinania t [s]: 30 s. Wyniki pomiarów MFR zamieszczono w tabeli 2. Wyniki pomiarów MFR dla poszczególnych kompozycji Tabela 2 PRÓBKI NR. PRÓBKI 1 2 3 4 5 MFR ŚR ODCH. STA A masa 0,216 0,219 0,220 0,218 0,197 MFR 4,32 4,38 4,4 4,36 3,94 4,28 0,192 B masa 0,478 0,474 0,454 0,454 0,476 MFR 9,56 9,48 9,08 9,08 9,52 9,34 0,242 C masa 0,335 0,359 0,326 0,327 0,321 MFR 6,7 7,18 6,52 6,54 6,42 6,67 0,301 D masa 0,267 0,262 0,264 0,259 0,246 MFR 5,34 5,24 5,28 5,18 4,92 5,19 0,162 E masa 0,213 0,211 0,209 0,208 0,205 MFR 4,26 4,22 4,18 4,16 4,1 4,18 0,060 F masa 0,158 0,155 0,153 0,156 0,155 MFR 3,16 3,1 3,06 3,12 3,1 3,11 0,036 A PA 6 ULTRAMID(ORYGINAŁ), B PA 6 ULTRAMID (PRZEMIAŁ), C PA 6 ULTRAMID (PRZEMIAŁ PO WYTŁOCZENIU), D PA 6 ULTRAMID + 2% MMT, E PA 6 ULTRAMID + 4% MMT, F PA 6 ULTRAMID + 6% MMT. Na wykresie (rys.1.) przedstawiono otrzymane wyniki pomiaru wskaźnika szybkości płynięcia.
406 A.Pusz, M. Szymiczek, K. Michalik 10 9 Wskaźnik MFR [g/10min] 8 7 6 5 4 3 0 2 4 6 Zawartość nanonapełniacza MMT [%] Rys.1. Zależność MFR od zawartości MMT Fig.1. MFR dependence on the MMT content Po wykonaniu badania MFR przeprowadzono ocenę wizualną wytworzonych kompozycji. Stwierdzono, że zawartość montmorylonitu wpływa na kształt granulatu, co można zauważyć na poniżyszch zdjęciach. Granulat bez MMT (rys.2.) miał kształt walca, natomiast granulat z większą zawartości nanonapełnicza stawał się bardziej płaski i szerszy (rys. 3. rys. 5.). Rys.2. Próbka granulatu PA 6 Ultramid bez dodatku MMT Fig.2. Sample of pellets PA 6 Ultramid without the MMT addition
Wpływ montmorylonitu na wskaźnik... 407 Rys.3. Próbka granulatu PA 6 Ultramid + 2% MMT Fig.3. Sample of pellets PA 6 Ultramid with 2% MMT addition Rys.4. Próbka granulatu PA 6 Ultramid + 4% MMT Fig.4. Sample of pellets PA 6 Ultramid with 4% MMT addition Rys.5. Próbka granulatu PA 6 Ultramid + 6% MMT Fig.5. Sample of pellets PA 6 Ultramid with 6% MMT addition
408 A.Pusz, M. Szymiczek, K. Michalik 3. WNIOSKI KOŃCOWE Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, iż: 1. Zawartość nanonapełniacza montmorylonitu wpływa na obniżenie współczynnika szybkości płynięcia. MFR dla poliamidu 6 przed wytłoczeniem wynosił 9,344 [g/10min], podczas gdy dla kompozycji z 2, 4 i 6% zawartością montmorylonitu malał ostatecznie uzyskał więc wartość 3,11 [g/10min]. 2. Zbliżoną wartość wskaźnika szybkości płynięcia dp MFR poliamidu 6 (oryginału) uzyskano w obu przypadkach wynik wynosił około 4,2 [g/10min]. Po dodaniu do poliamidu 6 (przemiału), 4% nanonapełniacza montmorylonitu. 3. Proces wytłaczania mieszanek PA 6 z MMT był niestabilny, gdyż tworzywo przy dodaniu kolejnej ilości nanonapełniacza, płynęło szybciej. BIBLIOGRAFIA 1. Kacperski M.: Polimery 47, nr 11-12, 2002, s.801-807. 2. Kacperski M.: Polimery 48, nr 2, 2003. 3. Kacperski M.: Kompozyty 7, 2003, s.227. 4. Gołębiewski J.: Przemysł Chemiczny 83/1, 2004, s. 15-20. 5. Piecyk L.: Tworzywa Sztuczne i Chemia nr 2, 2006 s. 20. 6. Piecyk L.: Chemia Przemysłowa, nr 4, 2002, s. 57. 7. PN-EN ISO 1133: 2006 Oznaczanie masowego wskaźnika szybkości płynięcia (MFR) i objętościowego wskaźnika szybkości płynięcia (MVR) tworzyw termoplastycznych.