Исследование микродефектности полимеров (резины и прорезиненных тканей) с использованием экспресс-методики оценки сорбционно-весовым методом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование микродефектности полимеров (резин и прорезиненных тканей) с использованием экспресс-методики оценки сорбционно-весовым методом

Бабаян А.Л.

В работе приведены результаты исследований по оценке параметров микродефектности полимеров (в том числе и эластомерных композиций) в исходном состоянии.

В нашей работе были исследованы резины на основе натурального каучука (рецептура Б-201), натуральный каучук (НК), бутилкаучук (БК), механические и физико-химические свойства которых представлены в таблице 1, а также полимерные плёночные материалы, отличающиеся по химической природе, физическому состоянию и степени кристалличности.

Таблица 1 - Механические и физико-химические свойства эластомеров

Примечание: N - фактическое число циклов истирания. БК**- вулканизат, наполненный техническим углеродом.

Для исследования были выбраны полимерные плёночные материалы, отличающиеся по химической природе, физическому состоянию и степени кристалличности для того, чтобы попытаться уяснить процессы изменения параметров микродефектности. Это такие материалы как пластифицированный поливинилхлорид (ПВХ), полиэтилентерефталат (ПЭТФ) различной толщины и плотности, полистирол (ПС), поликарбонат (ПК), полиметилметакрилат (ПММА), полиамид-12 (ПА-12), полиимид (ПИ).

Таблица 2 - Механические и физико-механические свойства полимеров

Для обоснования разработанной нами экспресс-методики определения параметров микродефектности полимерных материалов использовались полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) и политетрафторэтилен, по которым известны параметры микродефектности, определённые на весах Мак-Бена, а также активированные угли ФАС и ПАУ-СВ, предоставленные ИФХ РАН.

Выбор тестовой жидкости для оценки микродефектности определялся отсутствием химического взаимодействия с исследуемыми материалами и относительно небольшим физическим взаимодействием (растворимостью) в отличие от принципа “подобное растворяется в подобном”. В качестве такой жидкости был выбран ацетон.

Таблица 3 - Состав рецептуры Б - 201

В 70-х годах прошлого века профессором Громовым А.Н. с сотрудниками был теоретически и экспериментально обоснован подход к рассмотрению структуры полимерных материалов с учётом фактора дефектности /3/. Для количественной оценки микродефектности были использованы основные положения теории объёмного заполнения микропор, разработанный академиком Дубининым М.М с сотрудниками для широкого класса адсорбентов /4/.

Общепринятый метод оценки пористой структуры адсорбентов с использованием установок типа весов Мак-Бена является весьма точным и широко применяемым. В силу своей достаточной сложности он требует специального оборудования и профессиональных навыков, а также большого временного интервала для проведения единичного опыта.

Таблица 4 - Параметры микропористости и микродефектности для некоторых полимерных материалов и активных углей полученные по изотермам сорбции паров НМЖ

Для проверки возможности использования данного подхода были использованы активные угли ФАС И ПАУ-СВ, а также образцы полимерных материалов: фторопласт-4 и его сополимеры, фторопласт- 2М, фторопласт-3 и полиэтилен низкой плотности. Полученные параметры микродефектности некоторых полимерных материалов, вычисленные по данной методике, с использованием весов Мак-Бена сведены в таблицу 4. Здесь же приведены результаты, полученные классическим методом.

Экспресс-методика исследования микродефкектности заключалось в следующем /6/.

Для исследования недеформированных образцов использовали эксикатор с адсорбатом. Специальная решетка, пропускающая пары адсорбата была встроена над дном эксикатора. На эту решетку помещался предварительно взвешенный на весах АДВ образец длиной 10 см и шириной 1 см. На время эксперимента эксикатор плотно закрывался крышкой. Взвешивание образца осуществлялось через каждые 10 минут при комнатной температуре. После того как привес образца прекращался, эксперимент заканчивался. По полученным экспериментальным данным строилась сорбционная кривая.

В таблице 5 приведены параметры микродефектности исходных полимерных материалов. Определение параметров микродефектности проводилось по выбранному для этих целей низкомолекулярному веществу - ацетону при температуре 293 К.

При анализе данных таблицы за точку отсчёта формально взяты параметры ПЭНП.

Образцы Ф-4, по сравнению с образцами ПЭНП имеют предельный адсорбционный объём W на 1 порядок меньше, линейный нормированный размер микродефектов К от сравнимой величины (с ПЭНП) в 3 раза больше, количество микродефектов на единицу площади меньше на 1 порядок.

Таблица 5 - Параметры микродефектности исходных полимерных материалов

У образцов ПА - 12 параметры микродефектности соизмеримы с такими же параметрами у ПЭНП, отличие составляет величину порядка 13%.

При обосновании выбора материалов уже упоминалось, что наряду с образцами прорезиненных тканей, нами оценивалась микродефектность ряда полимеров, которые являлись эталонными материалами, которые, с одной стороны, хорошо исследованы, включая и их структуру, нашли широкое применение, а с другой стороны, обладают различным химическим строением.

Рассмотренные материалы обладают примерно одинаковой степенью кристалличности (60 - 66 %), но разной плотностью, поэтому в первом приближении можно утверждать, что увеличение плотности ведёт к уменьшению предельного адсорбционного объёма и концентрации исходных микродефектов в единице объёма полимера, условный линейный размер микродефектов k обладает обратной тенденцией, т.е. с увеличением плотности увеличивается.

В таблице 6 приведены параметры микродефектности исходных эластомерных композиций, определённых при температуре 293 К.

При рассмотрении таблицы 6 за точку отсчёта взяты параметры микродефектности НК и БК.

Таблица 6 - Параметры микродефектности исходных эластомерных композиций

Для образцов резины на основе НК (рецептура Б - 201) параметры микродефектности по сравнению с образцами НК имеют различия. Так предельный адсорбционный объём у НК на 5% больше, чем у Б - 201.

Величины характеристической энергии адсорбции Е и нормированного линейного размера k также имеют обратно пропорциональную зависимость. Параметр характеристической энергии адсорбции Е у НК в 2 раза больше чем у Б - 201, а нормированного линейного размера к в 2 раза меньше.

У образцов БК параметры микродефектности различаются от таких же параметров прорезиненных тканей следующим образом.

В целом параметры микродефектности образцов НК и резины Б - 201 не носят принципиальных отличий за исключением условного размера микродефекта К, который у образцов резины Б - 201 в 2 раза больше, это можно связать с большей неоднородностью резины по сравнению с исходным каучуком.

При сравнении резины Б - 201 и БК, у последнего количество микродефектов в единице объёма на порядок меньше, что соответствует известной меньшей газопроницаемости у БК и несколько большей плотности.

Полученные результаты экспериментальной оценки зависимости условных размеров единичных микродефектов от величин предельного адсорбционного объёма для всех исследованных исходных образцов полимеров, включая эластомеры показывают, что, несмотря на значительный разброс экстремальных данных, качественно наблюдается уменьшение условного среднего размера дефектов при увеличении их количества в единице объёма. Можно предположить, что такая качественная взаимосвязь параметров W и k является достаточно общей для полимерных материалов.

Выводы: в реальных полимерных материалах, в том числе и эластомерных композициях - резинах и прорезиненных тканях, установлено наличие исходных локальных микродефектов (количество микродефектов n варьируется от 11017см-3 до 61019см-3, а нормированный линейный размер k от 2 нм до 7 нм), возникающих в процессе синтеза.

полимерный химический сорбционный микродефектность

Список литературы

1. Брунауэр, С. Адсорбция газов и паров: Пер. с англ./ С. Брунауэр / Под ред. М.М. Дубинина. - М.: Издатинлит, 1948. - 782 с.

2. ТУ 2512-215-00149245 Смеси резиновые невулканизированные товарные.

3. Манин, В.Н. Дефектность и эксплуатационные свойства полимерных материалов / В.Н. Манин, А.Н. Громов, В.П. Григорьев.- Л.: Химия, 1986.-184 с.

4. Дубинин, М.М. // М.М. Дубинин// Доклады АН СССР, 1984. - т. 275, с.1442.

5. Регель, В.Р. Кинетическая природа прочности твердых тел./ В.Р. Регель, А.И. Слуцкер, Э.Е. Томашевский. - М.: Наука, 1974. - 276 с.

6. Экспресс-метод оценки параметров пористой структуры адсорбентов и микродефектности полимерных материалов сорбционно-весовым методом. / А.Л. Бабаян, А.Р. Агаев, А.В. Иванов, А.Н. Громов // Тезисы докладов VI Всероссийского симпозиума с участием иностранных ученых. “Актуальные проблемы теории адсорбции и синтеза сорбентов.”-М.: ИФХ РАН, 2000. - 161 с.

Размещено на Allbest.ru