Исследование полиэтиленовых порошковых покрытий для аккумуляторных ящиков

Резюме

Шесть типов полиэтиленовые порошковые покрытия Для аккумуляторных ящиков были разработаны смеси полиэтилена с различными свойствами. Испытания на текучесть расплава, механические свойства и кислотостойкость пленок полиэтиленовых порошковых покрытий, полученных различными способами смешивания, позволили выбрать состав полиэтиленового порошкового покрытия с наилучшими комплексными характеристиками. Полученное полиэтиленовое порошковое покрытие отвечает требованиям к выравниванию поверхности аккумуляторных ящиков, а также обладает превосходными механическими свойствами и химической стойкостью, что позволяет существенно продлить срок службы аккумуляторных ящиков.

Ключевые слова

Аккумуляторный отсек; Полиэтилен; Смешивание; Порошковые покрытия
Классификационный код: TQ637.82
Код документа: А

Введение 1

В связи с ужесточением требований к охране окружающей среды контроль выбросов выхлопных газов и снижение загрязнения воздуха стали важными показателями охраны окружающей среды [1].

Традиционные транспортные средства, работающие на топливе, как правило, используют ископаемое топливо в качестве источника энергии, и их самым серьёзным недостатком является выброс большого количества выхлопных газов, что серьёзно загрязняет окружающую среду. В отличие от этого, транспортные средства на новых источниках энергии, использующие аккумуляторные батареи в качестве тягового средства, не производят выхлопных газов и не загрязняют атмосферу, поэтому они пользуются всё большей популярностью на рынке [2].

В течение срока службы промышленные аккумуляторные ящики подвергаются эрозии под воздействием аккумуляторной кислоты, что ускоряет коррозию и выход из строя. Поэтому защита аккумуляторных ящиков от коррозии всегда была актуальной темой исследований. Промышленные аккумуляторные ящики обычно изготавливаются из углеродистой стали, которая сама по себе не обладает хорошими антикоррозионными свойствами [3].

Таким образом, эффективно повысить антикоррозионные свойства коробок можно только путём обработки внутренних и внешних поверхностей. Распространенная технология обработки поверхности заключается в нанесении на поверхность коробок слоя антикоррозионного покрытия, которое должно не только противостоять кислотной эрозии, но и обеспечивать плотное прилегание к основанию.

Полиэтиленовые порошковые покрытия обычно состоят из полиэтиленовой смолы, добавок, наполнителей, пигментов и т. д. Они термопластичные порошковые покрытия с превосходной химической стойкостью и высокой экономической эффективностью.

Учитывая требования к антикоррозионной защите аккумуляторных ящиков, а также требования к внешнему виду и стоимости, полиэтиленовые порошковые покрытия являются экономически выгодным вариантом антикоррозионного покрытия. Однако существует противоречие между механическими свойствами и текучестью полиэтилена. Полиэтиленовым порошковым покрытиям, как правило, сложно одновременно обеспечить отличную текучесть и механические свойства, поэтому их необходимо модифицировать для соответствия требованиям к покрытию аккумуляторных ящиков. В данном исследовании путем смешивания модифицированного полиэтилена с различными свойствами было разработано полиэтиленовое порошковое покрытие для аккумуляторных ящиков. Это покрытие обладает превосходными механическими свойствами, химической стойкостью, высокой адгезией и хорошим выравниванием поверхности.

2 Экспериментальная секция

2.1 Экспериментальное сырье и инструменты

2.1.1 Сырье

• Полиэтилен (ПЭ-А, ПЭ-Б, ПЭ-С): Sinopec;
• Полиэтилен (ПЭ-Д): Dow Chemical;
• Полиэтилен (ПЭ-Э): Prime Polymer Co., Ltd., Япония;
• Полиэтиленовый клей (MAH-g-PE): Модель SZ-07, Huangshan Beno Technology;
• Антиоксидант: Модель K7001, Luan JIENT;
• Светостабилизатор: Модель UV531, BASF;
• Полиэтиленовый восковой агент для повышения текучести: Шанхайская фабрика добавок;
• Нуклеирующий агент: Модель Hyperform HPN-20E, Milliken Chemical, США;
• Пигментный технический углерод: Модель R600R, Cabot.

2.1.2 инструментов

• Двухшнековый экструдер: модель T-35, Nanjing Rub Machine, Ltd.;
• Пластинчатая вулканизационная машина: модель XLB-D, Huzhou Shyn Machinery Co., Ltd.;
• Испытательная установка на растрескивание под воздействием окружающей среды: Модель NYK-06, ChengdeTesting Equipment Co., Ltd.;
• Универсальная испытательная машина для пластмасс: Модель WDS-3, Boyi InstruEquipment Co., Ltd.

2.2 Экспериментальные методы

2.2.1 Подготовка порошковых покрытий

Сырьё взвешивали согласно формуле, приведённой в таблице 1, и помещали в смеситель для высокоскоростного перемешивания. Затем смесь помещали в двухшнековый экструдер для грануляции методом экструзии расплава при температуре 160 °C. Гранулы помещали в мельницу для измельчения в порошок, после чего проводили классификацию и просеивание.

Таблица 1. Формула полиэтиленового порошкового покрытия

2.2.2 Подготовка покрытий

A кипящий слой Для нанесения полиэтиленовых порошковых покрытий на поверхность аккумуляторных ящиков использовался метод окунания. Поверхность аккумуляторного ящика сначала подвергалась пескоструйной обработке, затем нагревалась в печи до 250–350 °C. После этого полиэтиленовое порошковое покрытие наносилось методом окунания в псевдоожиженный слой, а пластификация достигалась за счет остаточного тепла изделия или путем его помещения в печь.

2.2.3 Подготовка образцов для испытаний производительности

Образцы для испытания механических свойств порошкообразного полиэтилена были изготовлены методом компрессионного формования.

2.3 Тестирование производительности

• Скорость течения расплава (MFR) полиэтиленовых порошковых покрытий была испытана в соответствии с GB/T 3682-2018;
• Испытания на стойкость к растрескиванию под воздействием окружающей среды (ESC) полиэтиленовых порошковых покрытий проводились в соответствии с GB/T 1842-2008;
• Испытания на растяжение полиэтиленовых порошковых покрытий проводились в соответствии с GB/T 1040.2-2018;
• Кислотостойкость полиэтиленовых порошковых покрытий была испытана с использованием 30% (массовая доля) раствора серной кислоты в соответствии с GB/T 11547-2008;
• Адгезия полиэтиленовых порошковых покрытий была испытана в соответствии с GB/T 9286-2008.

Основные эксплуатационные показатели полиэтиленовых порошковых покрытий для аккумуляторных ящиков приведены в таблице 2.

Таблица 2 Основные эксплуатационные показатели полиэтиленовых покрытий для аккумуляторных ящиков

3 Результаты и обсуждение

3.1 Анализ характеристик полиэтилена

Анализ эксплуатационных характеристик различных типов полиэтилена является необходимым условием для разработки рецептуры смесевых полиэтиленовых порошковых покрытий. В данном исследовании в качестве сырья для порошковых покрытий были выбраны 5 различных типов полиэтилена, свойства которых были исследованы в соответствии с действующими стандартами. Результаты представлены в таблице 3.

Как видно из Таблицы 3, PE-A и PE-B имеют чрезвычайно высокие показатели текучести расплава, поэтому они могут соответствовать требованиям к высокому выравниванию поверхности покрытия. Однако прочность PE-A и PE-B относительно низкая. Удлинение при разрыве PE-A составляет всего 100%, а его время стойкости к растрескиванию под напряжением составляет всего 1 час, поэтому он не может соответствовать требованиям к механическим свойствам покрытий для аккумуляторных ящиков. PE-C представляет собой линейный полиэтилен низкой плотности с умеренной скоростью текучести расплава, который в принципе может соответствовать требованиям к выравниванию обычных покрытий, но его прочность также низкая. Как PE-D, так и PE-E являются металлоценовыми линейными полиэтиленами низкой плотности, и оба обладают превосходной прочностью и прочностью на разрыв. Разница заключается в том, что PE-E имеет чрезвычайно низкий индекс текучести расплава, что не может соответствовать требованиям к выравниванию внешнего вида покрытия.

Таблица 3 Свойства различных типов полиэтилена

3.2 Выбор и оптимизация полиэтилена

Скорость течения расплава (ПТР) полиэтилена является показателем, отражающим текучесть полиэтилена в горячем расплаве, и в определенной степени представляет собой выравнивающий эффект полиэтиленового покрытия. Как правило, чем выше значение ПТР, тем лучше выравнивающий эффект покрытия. Однако, чем выше значение ПТР, тем обычно ниже относительная молекулярная масса полиэтилена и тем хуже его механические свойства. Поэтому часто бывает сложно одновременно удовлетворить требованиям как текучести, так и механических свойств, что также подтверждают результаты испытаний, представленные в таблице 3. Если смешать полиэтилен с различными свойствами и использовать вместе, чтобы смесь имела как отличную текучесть, так и механические свойства, теоретически можно получить полиэтиленовые порошковые покрытия с комплексными свойствами, отвечающими требованиям.

Таблица 4. Различные схемы смешивания

 Из Таблицы 3 видно, что как PE-A, так и PE-B имеют высокие показатели текучести расплава, но PE-B имеет относительно более высокую ударную вязкость, поэтому PE-B может быть использован в качестве матричного материала для улучшения текучести смеси; PE-D и PE-E имеют хорошие механические свойства и могут быть использованы в качестве матричных материалов для улучшения механических свойств смеси. Однако PE-E имеет низкую скорость текучести расплава, поэтому он не подходит в качестве матричного материала. Для полиэтилена с большой средней относительной молекулярной массой, такого как PE-E, плотность запутывания цепей высока, а скорость течения низкая. Однако, когда он подвергается внешним нагрузкам, его механизмом текучести в основном является сдвиговая деформация, и очевидный молекулярный поток нелегко осуществить, поэтому он имеет высокую прочность и ударную вязкость [6]. Поэтому PE-B и PE-D были смешаны в различных пропорциях для приготовления смешанного модифицированного полиэтилена. В то же время, для улучшения прочности сцепления между полиэтиленовым порошковым покрытием и подложкой аккумуляторного отсека следует добавить соответствующее количество полиэтиленового клея (MAH-g-PE). Полиэтиленовый клей представляет собой связующее, полученное путем прививки малеинового ангидрида к полиэтилену. В результате были разработаны 6 различных схем смешивания, представленных в таблице 4.

3.3 Анализ характеристик полиэтиленовых порошковых покрытий

На основании таблицы 1 и схем смешивания, представленных в таблице 4, сырье было смешано, экструдировано и измельчено для получения полиэтиленовых порошковых покрытий. Испытания на текучесть расплава, механические свойства при растяжении, стойкость к растрескиванию под напряжением и кислотостойкость порошковых покрытий проводились в соответствии с национальными стандартами. Результаты представлены в таблице 5.

Таблица 5. Результаты испытаний производительности различных схем смешивания

Как видно из таблицы 5, скорость течения расплава смеси быстро снижается с увеличением доли ПЭ-Д. Это обусловлено главным образом тем, что при смешивании ПЭ-Б (с низкой относительной молекулярной массой) с ПЭ-Д (с высокой относительной молекулярной массой) и экструзии расплава в экструдере длинные молекулярные цепи обволакивают короткие молекулярные цепи, что приводит к быстрому снижению скорости течения расплава. Следовательно, количество добавляемого полиэтилена с низкой текучестью оказывает большое влияние на текучесть смеси, и его количество следует учитывать при разработке рецептуры смешанных полиэтиленовых порошковых покрытий. С другой стороны, текучесть ПЭ-Д (полиэтилена с низкой текучестью) также может быть значительно улучшена при смешивании с ПЭ-Б (полиэтиленом с относительно высокой текучестью). Это объясняется тем, что полиэтилен с короткими молекулярными цепями может быть плотно вставлен в полиэтилен с длинными молекулярными цепями, образуя слоистую структуру, тем самым ослабляя переплетение молекулярных цепей. Модификаторы текучести для полиэтилена с высокой относительной молекулярной массой обычно используют этот принцип для улучшения текучести полиэтилена [7].

Из Таблицы 5 также можно увидеть, что прочность на разрыв и удлинение при разрыве смешанных полиэтиленовых порошковых покрытий постепенно увеличиваются с увеличением количества добавляемого ПЭ-Д, что указывает на хорошую совместимость между двумя различными типами полиэтилена. Это объясняется главным образом тем, что значения энтальпии и энтропии ПЭ-Б и ПЭ-Д схожи, поэтому свободная энергия смеси практически не изменяется, а совместимость между двумя типами полиэтилена высокая. По сравнению со Схемой 1, Схема 6 имеет значительное увеличение прочности, удлинение при разрыве увеличивается в 2 раза, а ударная вязкость покрытия значительно улучшается. Хотя прочность и ударная вязкость покрытия значительно улучшаются с увеличением количества добавляемого ПЭ-Д, скорость улучшения намного ниже скорости снижения скорости течения расплава. Это объясняется тем, что включение ПЭ-Б снижает плотность запутывания молекулярных цепей ПЭ-Д, что повышает вероятность возникновения потока молекулярных цепей в процессе растяжения, в то время как эффект сдвига ослабевает.

В полиэтиленовом покрытии, нанесенном на поверхность аккумуляторного ящика, снятие напряжений, вызванное тенденцией к стабилизации внутренней структуры, и концентрация напряжений, образующаяся в угловых зонах, могут привести к растрескиванию покрытия. Поэтому стойкость к растрескиванию под напряжением является важным стандартом для оценки срока службы покрытия. Из результатов испытаний на воздействие окружающей среды, представленных в таблице 5, видно, что стойкость к растрескиванию под напряжением полиэтиленового порошкового покрытия соответствует его прочности, то есть чем выше прочность покрытия, тем выше его стойкость к растрескиванию под напряжением. ПЭ-Д может значительно повысить стойкость к растрескиванию под напряжением смешанного полиэтиленового порошкового покрытия.

Полиэтиленовое порошковое покрытие для аккумуляторных ящиков непрерывно корродирует под воздействием аккумуляторной кислоты, поэтому оно должно обладать превосходными антикоррозионными свойствами. Из результатов испытаний на кислотостойкость, представленных в таблице 5, видно, что после погружения полиэтиленового порошкового покрытия, приготовленного по схеме 1, в раствор кислоты, не образуются пузырьки или растворение, но наблюдается сильное набухание, а степень адгезии покрытия составляет всего 5; по сравнению со схемой 1, покрытие, приготовленное по схеме 2, имеет относительно меньшее набухание после коррозии под воздействием кислотного раствора, а адгезия достигает степени 3; полиэтиленовые покрытия, приготовленные по другим схемам, не демонстрируют явных коррозионных явлений, а адгезия покрытия может превышать степень 1. Металлоценовый ПЭ-Д сам по себе обладает превосходной химической стойкостью, поэтому с постепенным увеличением его количества, антикоррозионные свойства покрытия постепенно улучшаются.

В ходе испытаний производительности полиэтиленовых порошковых покрытий с различными формулами, разработанными выше, результаты показывают, что полиэтиленовые порошковые покрытия, полученные по схеме 3 и схеме 4, не только обладают высокой текучестью, но также обладают превосходными механическими свойствами и антикоррозионными характеристиками, которые могут соответствовать эксплуатационным требованиям, предъявляемым к порошковым покрытиям для аккумуляторных ящиков. Как правило, чем выше скорость течения расплава полиэтиленовых порошковых покрытий, тем лучше выравнивающая способность и более гладкая поверхность покрытия. Когда скорость течения расплава обычно используемых полиэтиленовых порошковых покрытий выше 10 г/(10 мин), они могут соответствовать более высоким требованиям выравнивания. Однако скорости течения расплава по схеме 5 и схеме 6 ниже 10 г/(10 мин), поэтому они не могут соответствовать требованиям выравнивания. Хотя схема 1 имеет относительно высокую скорость течения расплава, ее прочность и ударная вязкость плохие, и она не проходит испытание на кислотостойкость; Схема 2 не обеспечивает очевидного улучшения механических свойств, а адгезия снижается после погружения в кислоту, поэтому ее можно применять в ситуациях, когда предъявляются высокие требования к внешнему виду покрытия, но низкие требования к механическим свойствам и антикоррозионным характеристикам.

Заключение 4

В данном исследовании, путём смешивания и использования полиэтилена с различными свойствами, были разработаны различные схемы нанесения порошковых покрытий на основе модифицированного полиэтилена, а также проведены испытания их эффективности. Результаты показывают, что полиэтиленовые порошковые покрытия, разработанные по схемам 3 и 4, не только отвечают требованиям к выравниванию поверхности защитного покрытия аккумуляторных ящиков, но и обладают хорошими механическими свойствами и антикоррозионными характеристиками. Результаты исследования играют важную роль в антикоррозионной защите аккумуляторных ящиков, а научные идеи имеют важное руководящее значение для разработки модифицированных полиэтиленовых порошковых покрытий.

Референсы

[1] Джи И. Внутренний рынок порошковых покрытий быстро растёт [J]. Информация о промышленности строительных материалов, 2003(10): 17.

[2] Ли З Р. Краткий анализ проблем и мер противодействия разработке новых энергетических транспортных средств [J]. Automobile World, 2020(4): 1.

[3] Лу Дж. К. Антикоррозионная технология промышленных аккумуляторных ящиков [Ж]. Технология судостроения, 2001(4): 27-28.

[4] Юй ГЛ, Ван Ж., Ван С.К. и др. Новейшие достижения в исследовании новых покрытий [J]. Покрытия и защита, 2019, 40(10): 49-52.

[5] Liu CQ, Cai Y M. Исследование высококачественных полиэтиленовых порошковых покрытий [J]. Coating Technology, 1993(2): 4-7.

[6] Ляо Х.Й., Тао Г.Л. Ударная прочность и скорость течения расплава смесей полиэтилена высокой плотности [J]. Полимерные материалы и инженерия, 2013, 29(7): 72-75, 79.

[7] Ван С., Ван К. З., Чэнь И. и др. Прогресс в исследовании модификации текучести носителей из сверхвысокомолекулярного полиэтилена [J]. Engineering Plastics Application, 2014(10): 113-117.

Похожие статьи:

Термопластичный порошок для аккумуляторных ящиков