Розробка полімерних композитів з наповнювачами, модифікованими полімерними четвертинними амонієвими солями

Размещено на http://www.allbest.ru

УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ

ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

05.17.06 - Технологія полімерних і композиційних матеріалів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Розробка полімерних композитів з наповнювачами, модифікованими полімерними четвертинними амонієвими солями

Суха Ірина Валеріївна

Дніпропетровськ 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському державному хіміко-технологічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор хімічних наук, професор

Бурмістр Михайло Васильович,

Український державний хіміко-

технологічний університет, ректор,

завідувач кафедри переробки пластмас та фото-, нано- і поліграфічних матеріалів.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Євчик Віктор Сидорович, Український державний науково-дослідний конструкторсько-технологічний інститут еластомерних матеріалів і виробів, головний науковий співробітник, м.Дніпропетровськ.

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Дідусенко Вікторія Миколаївна, науково-іноваційна компанія "ЕЛКО", провідний науковий співробітник, м.Дніпропетровськ.

Провідна установа: Інститут хімії високомолекулярних сполук НАН України, відділ молекулярної фізики полімерів, м. Київ.

Захист відбудеться 20.11.2003 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 08. 078.03 в Українському державному хіміко-технологічному університеті за адресою: 49005, м.Дніпропетровськ, пр.Гагаріна 8, к.220.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Українського державного хіміко-технологічного університету: м.Дніпропетровськ, пр.Гагаріна 8

Автореферат розісланий 15.10.2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Шевцова К.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Хімія і технологія полімерних композиційних матеріалів (ПКМ) спирається у своєму розвитку на два аспекти. Перший пов'язаний з пошуком і удосконаленням інгредієнтів композицій. Другий - з дослідженням взаємного впливу інгредієнтів у процесі створення і переробки.

У випадку багатотоннажних полімерів не можливо досягти істотних змін властивостей і функцій ПКМ. З цього погляду, особливий інтерес викликає пошук модифікуючих добавок поліфункційної дії, які б одночано виконували активуючу, стабілізуючу, диспергуючу та інші функції. Це дозволило б уніфікувати і спростити рецептури ПКМ. З іншого боку, одним з факторів, що визначають фізико-механічні властивості полімерних композиційних матеріалів, є посилення адгезійної взаємодії наповнювача і звязуючого. Цим зумовлений інтерес до способів модифікації поверхні наповнювачів ПКМ. Поверхнева модифікація наповнювачів переслідує дві задачі: по-перше, вона призводить до зміни хімічної природи поверхні, чим поліпшує її змочуваність полімером; по-друге, забезпечуючи контакт і являючись проміжним шаром, модифікатор виконує відносну екрануючу функцію і підвищує рівень міжмолекулярної взаємодії полімеру і наповнювача.

З цього погляду перспективним є застосування в якості модифікаторів іоногенних полімерів, і зокрема, полімерних четвертинних амонієвих солей (ПЧАС). Наявність іонної функції в ланцюзі визначає присутність у цих полімерах комплексу специфічних фізико-хімічних властивостей. Це, насамперед, водорозчинність, біологічна активність, здатність вступати в реакції комплексоутворення, поверхнева активність. Крім цього, виходячи з досвіду використання четвертинних амонієвих солей, при каталізації радикальних процесів, логічно припустити, що ПЧАС будуть впливати на структурування ПКМ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження є частиною робіт, виконаних у рамках держбюджетної теми “Розробка наукових основ синтезу і переробки полімерів і композиційних матеріалів на їх основі з використанням вітчизняної сировини” (1999-2002 рр., № держреєстрації 35000490).

Мета роботи і задачі дослідження. Метою роботи є створення полімерних композиційних матеріалів на основі еластомерних і термопластичних полімерних матриць з підвищеним комплексом технологічних і фізико-механічних характеристик. Досягнення поставленої задачі планується за рахунок введення в ПКМ модифікованих полімерними четвертинними амонієвими солями мінеральних дисперсних і волокняних наповнювачів.

Для встановлення впливу модифікації наповнювачів на властивості полімерних композиційних матеріалів вирішувалися наступні задачі:

вивчення механізму адсорбції ПЧАС на наповнювачах з різною природою поверхні за допомогою дослідження властивостей розчинів ПЧАС, аналізу модифікованих наповнювачів ПКМ;

оптимізація концентрації ПЧАС на наповнювачах, концентрації наповнювачів при найбільшому ступені посилення ПКМ;

відпрацювання складів ПКМ з модифікованими наповнювачами і встановлення механізму взаємодії модифікованого наповнювача і полімерної матриці, а також механізму впливу ПЧАС на структурування ПКМ.

Обєкти дослідження. Полімерні композиційні матеріали на основі еластомерів і термопластів з мінеральними і волокняними наповнювачами.

Предмет дослідження. Полімерні четвертинні амонієві солі алкілароматичного ряду з різною іонною концентрацією і гідрофобно-гідрофільним балансом як модифікатори наповнювачів ПКМ.

Методи дослідження. Адсорбцію ПЧАС на наповнювачах вивчали з використанням ІЧ-спектроскопії, диференційно-термічного аналізу; модифікуючи розчини ПЧАС аналізували з використанням методів поверхневого натягу, електропровідності та в'язкості. Виготовлення ПКМ здійснювали за загальноприйнятими методами переробки еластомерів та термопластів з використанням серійного обладнання. Технологічні та фізико-хімічні властивості ПКМ досліджували за стандартними методиками. Оптимізацію складу здійснювали з використанням методів планування експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів. За реакцією Меншуткіна синтезований ряд алкілароматичних термостабільних водорозчинних полімерних четвертинних амонієвих солей.

Вперше встановлено, що для водних розчинів ПЧАС характерна складна концентраційна залежність поверхневого натягу, питомої електропровідності та приведеної в'язкості з екстремумом в області концентрації 0,01-0,02 г/дл, що зумовлене утворенням міцел, причому критичні концентрації міцелоутворення, визначені трьома незалежними методами, збігаються.

Встановлено, що оптимальна сорбція ПЧАС дисперсними мінералами спостерігається при концентрації ПЧАС у водних розчинах - 0,01-0,02 г/дл, тобто з міцелярних розчинів.

Показано, що ПЧАС здатні незворотньо зв'язуватися з поверхнею наповнювачів за іонообмінним механізмом і, частково, завдяки фізичній сорбції, що пояснюється закріпленням органічних катіонів на обмінних позиціях у процесі іонообмінної адсорбції та адсорбції силанольными групами кислого характеру органічних катіонів.

Адсорбція полімерних четвертинних амонієвих солей на поверхні натуральних волокон супроводжується комплексоутворенням за гідроксильними групами волокна і четвертинними амонієвими угрупуваннями ПЧАС.

Показано, що введення модифікованих ПЧАС наповнювачів в еластомерні композиції супроводжується зміною кінетики вулканізації і структури вулканізатів, що свідчить про активуючий вплив ПЧАС на процес сірчаної вулканізації, і, як наслідок, істотним поліпшенням фізико-механічних показників.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені методи модифікації різних мінеральних дисперсних і волокняних наповнювачів полімерних композиційних матеріалів полічетвертинними амонієвими солями з метою інтенсифікації технологічних процесів і підвищення фізико-механічних показників ПКМ. В умовах ВАТ “Дніпрошина” (м.Дніпропетровськ), ЗАТ СП “Росава” (м.Біла Церква), здійснені випробування модифікованих полімерними четвертинними амонієвими солями наповнювачів у складах промислових гумових сумішей і гумоволокняних композитів. Отримані позитивні ефекти від використання ПЧАС як модифікаторів або апретів наповнювачів підтверджені двома актами про лабораторне випробування.

Особистий внесок здобувача полягає у виконанні експериментальної частини роботи, аналізі та обробці отриманих результатів і формулюванні основних наукових положень і висновків роботи. Постановка задач дослідження та обговорення результатів здійснені з науковим керівником д.х.н., професором Бурмістром М.В. Овчаров В.І., Менніг Г., Міхаель Г. прийняли участь в плануванні експерименту та інтерпретації одержаних даних. Рачков В.І., Овчаренко В.Г., Сухий К.М., Аурих Т., Охтіна О.В., Варівода О.В. приймали участь в обговоренні результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідалися на наступних конференціях: ІІ Українській науково-технічній конференції “Пути повышения работоспособности и эффективности производства шин и резинотехнических изделий” (Дніпропетровськ, Україна, 1998); міжнародній науково-практичній конференції “Екологічні аспекти застосування природних розчинів та мінералів” (Полтава, Україна, 1999); ХХ Міжнародній конференції “Композиционные материалы в промышленности (Славполиком-2000)” (Київ, Україна, 2000); ІХ Українській конференції з високомолекулярних сполук (Київ, Україна, 2000); VI, VII, VIII, IX Російських науково-практичних конференціях “Резиновая промышленность. Сырье, материалы, технология” (Москва, Росія, 1999-2002); III, IV Українських міжнародних науково-технічних конференціях “Эластомеры: материалы, технология, оборудование, изделия” (Дніпропетровськ, Україна, 2000, 2002); “Technomer 99; 2001. 16, 17 Fachtagung uber Verarbeitung und Anwendung von Polymeren” (Chemnitz, BRD, 1999, 2001); “Polymerwerkstoffe 2001, 2002. Internationale Fachtagung” (Halle/Saale, BRD, 2000, 2002); Всеукраїнській науково-технічній конференції студентів і аспірантів “Хімія і хімічна технологія - 2001, 2002” (Дніпропетровськ, Україна, 2001, 2002); Українсько-Польській науковій конференції “Полімери спеціального призначення” (Дніпропетровськ, Україна, 2002).

Публікації. Основний зміст роботи викладений у 10 статтях. За матеріалами дисертації отримані 2 патенти України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з загальної характеристики роботи, 5 розділів, висновків, списку літератури і додатків. Матеріали дисертації викладені на 160 сторінках і містять 33 рисунка і 21 таблицю. В бібліографії наведені 170 літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета та задачі дослідження, зазначена наукова новизна та практичне значення роботи.

У першому розділі систематизовані дані щодо створення полімерних композиційних матеріалів. Показано, що одним з перспективних методів удосконалення властивостей ПКМ та створення нових ПКМ є застосування модифікуючих добавок. Розглянуті аспекти структурної, хімічної та фізичної модифікації ПКМ в цілому та окремих інгредієнтів. Проведений аналіз впливу різних видів модифікаторів на властивості ПКМ.

На основі узагальнення літературних даних зроблений висновок про високу потенційну ефективність модифікації мінеральних і синтетичних наповнювачів ПКМ, яка дає змогу вирішувати питання покращення фізико-механічних, технологічних та експлуатаційних параметрів ПКМ.

У другому розділі наведені об'єкти та методи дослідження.

У якості об'єктів дослідження обрані ПКМ на основі еластомерних і термопластичних полімерів, наповнених модифікованими дисперсними та волокняними наповнювачами. В якості наповнювачів обрані дисперсні мінерали, що широко застосовують при виготовленні ПКМ, а саме каолін, цеоліт, монтморилоніт, сапоніт і крейда; поліамідне і лляне волокна. В якості модифікаторів використані синтезовані в роботі алкілароматичні полімерні четвертинні амонієві солі наступної будови:

Размещено на Allbest.ru