Пластик - Вторично переработанный формовочный материал - Анализ полиамида (PA)

Пластик - Вторично переработанный формовочный материал: Анализ полиамида (PA)

Введение
Полиамиды (PA), широко известные как нейлоны, являются одним из ключевых инженерных пластиков благодаря выдающемуся сочетанию механической прочности, износостойкости, химической стойкости и способности к переработке. В свете глобального стремления к экономике замкнутого цикла, использование вторично переработанного полиамида (rPA) становится критически важным. Однако переработка неизбежно влияет на молекулярную структуру и, как следствие, на свойства материала. Данный анализ фокусируется на характеристиках вторично переработанного формовочного полиамида, исследуя его ключевые свойства для определения областей целесообразного применения.

1. Объекты испытаний
Основными объектами исследования выступают гранулированные формовочные композиции на основе вторично переработанного полиамида (rPA). Для проведения сравнительного анализа и установления степени деградации в ходе переработки, параллельно исследуются образцы первичного полиамида (vPA) того же типа и номинального состава.

• Типы полиамида: Основное внимание уделяется наиболее распространенным типам:
  • PA 6 (Поликапролактам): Широко распространен, особенно в текстиле, пленках, инженерных деталях.
  • PA 66 (Полигексаметиленадипинамид): Обладает более высокой температурой плавления и прочностью, чем PA 6, используется в ответственных технических изделиях.
• Источники вторичного сырья: rPA может быть получен из различных потоков отходов:
  • Пост-промышленные отходы (PIR): Обрезь, литники, бракованные детали из производств первичного полиамида или изделий из него. Считается более стабильным по составу.
  • Пост-потребительские отходы (PCR): Изношенные изделия, собранные после эксплуатации (ковры, текстиль, автокомпоненты, упаковка). Требует более сложной сортировки и очистки, может иметь большую вариабельность состава и содержать примеси.
• Уровень переработки: Исследуются материалы после однократного (rPA1) и многократного (rPAn) циклов переработки для оценки кумулятивного эффекта.
• Модификации: Рассматриваются как чистые rPA, так и композиции, содержащие стабилизаторы, модификаторы ударной вязкости или армирующие наполнители (стекловолокно), добавленные на этапе регрануляции для компенсации потерь свойств.

2. Область испытаний
Анализ сосредоточен на ключевых свойствах, определяющих пригодность rPA для различных применений и подверженных влиянию переработки:

• Механические свойства:
  • Прочность на растяжение и относительное удлинение при разрыве.
  • Прочность на изгиб и модуль упругости при изгибе.
  • Ударная вязкость (по Шарпи/Изоду, при комнатной температуре и пониженных температурах).
  • Твердость (по Роквеллу или Бринеллю).
• Термические свойства:
  • Температура плавления (Tm).
  • Температура стеклования (Tg).
  • Температура начала термического разложения (Td).
  • Теплостойкость по Вика (HDT) и температура прогиба под нагрузкой (DTUL) при различных напряжениях.
  • Коэффициент линейного теплового расширения (CLTE).
• Реологические свойства:
  • Индекс расплава (MFR/MVR) при стандартных температурах и нагрузках. Ключевой показатель для оценки деградации молекулярной массы и текучести расплава при переработке (литье под давлением, экструзия).
• Гидрофильные свойства:
  • Водопоглощение за 24 часа и при насыщении (равновесное влагосодержание). Критично для PA, так как влияет на размеры и механические свойства.
• Структурные и морфологические характеристики:
  • Молекулярно-массовое распределение (ММР) - методом Гель-проникающей хроматографии (GPC).
  • Кристалличность (методами DSC, рентгеноструктурного анализа).
  • Присутствие примесей и дефектов (визуальный анализ, микроскопия).
• Долговременные характеристики (при необходимости):
  • Стойкость к термическому старению.
  • Стойкость к гидролитической деградации (особенно для PA при повышенных температурах и влажности).

3. Методы испытаний
Исследование свойств rPA проводится в соответствии с международными и национальными стандартами, обеспечивающими воспроизводимость и сопоставимость результатов:

• Механические испытания:

  • Растяжение: ISO 527 / ASTM D638 (Скорость нагружения, тип образца - чаще 1A или 1B).
  • Изгиб: ISO 178 / ASTM D790 (Скорость нагружения, метод расчета модуля).
  • Ударная вязкость: ISO 179 (Шарпи), ISO 180 (Изод) / ASTM D256 (Изод), ASTM D6110 (Шарпи). Образцы с надрезом и без.
  • Твердость: ISO 2039-1 (Бринелль), ISO 2039-2 (Роквелл) / ASTM D785 (Роквелл).

• Термические испытания:

  • DSC (Дифференциальная сканирующая калориметрия): ISO 11357 / ASTM D3418 (Tm, Tg, кристалличность).
  • TGA (Термогравиметрический анализ): ISO 11358 / ASTM E1131 (Td, остаточный вес).
  • HDT/DTUL: ISO 75 (Методы A, B, C) / ASTM D648 (При нагрузках 0.45 МПа или 1.82 МПа).
  • CLTE: ISO 11359-2 / ASTM E831, ASTM D696.

• Реологические испытания:

  • MFR/MVR: ISO 1133 / ASTM D1238 (Стандартные условия для PA: например, PA6 - 230°C / 2.16 кг; PA66 - 275°C / 5.0 кг).

• Водопоглощение: ISO 62 / ASTM D570 (Погружение в воду при 23°C и 100°C).

• Структурные и морфологические исследования:

  • GPC: Для определения ММР (относительно стандартов полистирола или узких PA).
  • FTIR (Фурье-ИК спектроскопия): Для идентификации типа PA и возможных продуктов деградации.
  • Оптическая и электронная микроскопия: Для выявления примесей, неоднородностей, оценки распределения наполнителей.

4. Испытательное оборудование
Для проведения указанных испытаний требуется специализированное контрольно-измерительное оборудование:

• Универсальная испытательная машина: Электромеханическая или гидравлическая, с замкнутым контуром управления, оснащенная датчиками силы высокой точности и экстензометрами (для точного измерения деформации при растяжении). Должна быть укомплектована захватами для испытаний на растяжение, приспособлениями для испытаний на изгиб по 3-х точечной схеме.
• Маятниковый копер: Для определения ударной вязкости по Шарпи и Изоду. Требуется контроль энергии удара, угла зажима образца, точности измерения поглощенной энергии.
• Твердомеры: Приборы для измерения твердости по Роквеллу (шкалы M, L для PA) или Бринеллю с соответствующими инденторами и нагрузками.
• Дифференциальный сканирующий калориметр (DSC): Прибор для измерения тепловых потоков при нагреве/охлаждении образца в инертной среде. Калибруется по температурам плавления индиевого и цинкового стандартов.
• Термогравиметрический анализатор (TGA): Высокоточные весы, помещенные в печь с регулируемой атмосферой (N2, воздух), измеряющие изменение массы образца в функции температуры.
• Прибор для определения теплостойкости (HDT/DTUL): Термостат с масляной или воздушной ванной, оснащенный устройством для приложения изгибающей нагрузки к образцу и измерителем прогиба.
• Дилатометр: Прибор для точного измерения изменения линейных размеров образца при нагреве (CLTE).
• Прибор для измерения индекса расплава (MFR/MVR): Экструзионный пластиметр с заданной температурой цилиндра, калиброванным капилляром и грузом. Оснащен устройством для взвешивания или измерения объема выдавливаемого материала за время.
• Аналитические весы: Весы высокой точности (0.1 мг) для взвешивания образцов при определении водопоглощения, плотности и в TGA.
• Устройства для кондиционирования: Климатические камеры или водяные термостаты для выдерживания образцов при заданной температуре и влажности перед испытаниями (особенно важно для PA).
• Гель-проникающий хроматограф (GPC/SEC): Состоит из насоса, колонок с пористым гелем, детектора (чаще рефрактометрического). Требует калибровки по стандартам известной молекулярной массы.
• Фурье-ИК спектрометр: Прибор для получения инфракрасных спектров поглощения образцов (в виде пленок, таблеток с KBr, суспензий).
• Оптические и электронные микроскопы: Для визуального контроля качества гранул и поверхностей разрушения образцов после механических испытаний, выявления крупных примесей и дефектов.

Заключение
Комплексный анализ вторично переработанного полиамида требует системного подхода, охватывающего исследование как базовых механических и термических свойств, так и структурных характеристик, напрямую связанных с влиянием циклов переработки. Сравнение данных, полученных для rPA и vPA по стандартизированным методикам на специализированном оборудовании, является основой для:

1. Понимания степени деградации: Установления, какие свойства и в какой мере ухудшаются.
2. Оценки пригодности: Определения возможных областей применения rPA с учетом его реальных характеристик (например, менее нагруженные детали, изделия с увеличенными допусками).
3. Разработки компенсирующих мер: Оптимизации состава регранулята (добавки стабилизаторов, модификаторов, наполнителей) для достижения требуемого уровня свойств.
4. Контроля качества: Установления спецификаций и методик входного контроля для партий вторичного материала.

Использование вторично переработанного PA не только отвечает экологическим императивам, но и может быть экономически оправдано. Однако успешное применение rPA в новых изделиях напрямую зависит от глубокого понимания его свойств, достигаемого путем тщательного анализа, описанного выше.