CC BY
194
УДК 614.895; 678.675
И. Ш. Абдуллин, Р. Х. Фатхутдинов, О. Ю. Миронова,
Д. П. Шалыминова, И. Ф. Сайфутдинова
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИАМИДА
ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕМБРАННОЙ ЗАЩИТНОЙ ОДЕЖДЫ
Ключевые слова: защита, одежда, полиамид, паропроницаемость.
Получены пленки на основе полиамида с добавлением пластификаторов. Проведены исследования паропроницаемости по воде и защитных свойств. Полученные результаты свидетельствуют о высоких физиолого-гигиенических свойствах.
Keywords: protection, clothing, nylon, water vapor permeability.
Obtained based on the polyamide film with the addition of plasticizers. The studies on water vapor permeability and protective properties. The results show high physiological and sanitary qualities.
Введение связи с молекулами воды. Отсутствие подобных
При использовании в качестве защитной одежды воздухонепроницаемые материалы (изолирующие, пленочные) задерживают процесс рассеивания тепла человеческого тела, обычно достигаемого через испарение пота. Без существенного пропускания паров воды или воздухопроницаемости, продолжительное
применение таких материалов может привести к непереносимому дискомфорту.
Из литературных данных широко известно использование бутилкаучука (БК), различных видов фторированных каучуков, этилепропиленового каучука (СКЭП) и их смесей для изготовления резинотканевых защитных материалов [1,2]. Защитные свойства данных каучуков обусловлены в первую очередь их структурой.
Малая ненасыщенность БК обусловливает его высокую тепло-, свето- и озоностойкость, а также устойчивость к действию множества агрессивных сред - растворов щелочей, кислот, спиртов. Время защитного действия по модельному веществу для материала на основе БК составляет не менее 6 ч; по аварийно химически опасным веществам (АХОВ) не менее 1 ч. Часто используют различные смеси каучуков с целью усиления защитных свойств материалов, так известно применение БК со СКЭП, фторированными каучуками и.т.д.
Большое содержание атомов фтора в молекуле фторсодержащих каучуков делает их химически инертными к действию многих агрессивных сред [3]. Материал, наружный слой которого представляет собой сочетание фторкаучука с фторопластом, а внутренний слой бутилкаучука обладает защитными свойствами по модельному веществу более 15 часов, по АХОВ более 8 часов.
Однако, несмотря на довольно высокую защиту по спецпродукту и по АХОВ данных каучуков, ни один их них не обладает достаточной паропроницаемостью для изготовления, так называемого, «дышащего» материала.
Проникновение паров воды через пленку мембрану обусловлено макромолекулами, имеющими достаточное количество гидрофильных групп, которые могут образовывать лабильные водородные
групп и объясняет исключительно малую паропроницаемость (в том числе и
воздухопроницаемость) каучуков и фторопластов.
Поэтому довольно сложно подобрать полимерный материал, сочетающий высокие защитные и физиолого-гигиенические свойства: так полиэтилен и другие полиолефины имеет низкие защитные свойства, полиэтилентерефталат, обладая высокими защитными свойствами и большой прочностью, имеет повышенную жесткость и низкую прочность и паропроницаемость.
Анализ литературных данных по паропроницаемости стеклообразных полимеров показывает, что достаточно высокой проницаемостью по парам воды обладает полиамидсодержащий полимер; известны также его высокие барьерные свойства по отношению к АХОВ.
С целью использования в качестве основы мембранного материала, рассмотрены полимеры, сочетающие в себе высокую химическую и термическую стабильность: полиамиды. В литературе имеются сведения об использовании данных полимеров в качестве мембран для микро- и ультрофильтрации.
Обсуждение результатов
Как известно, помимо высоких защитных свойств полимерный мембранный материал, предназначенный для изготовления защитной одежды, должен обладать и высокими физиолого-гигиеническими свойствами (паропроницаемость не менее 1800 г/м2 за 24ч). При использовании в качестве защитной одежды воздухонепроницаемые материалы (изолирующие, пленочные) задерживают процесс рассеивания тепла человеческого тела, обычно достигаемого через испарение пота. Без существенного пропускания паров воды или воздухопроницаемости продолжительное применение таких материалов может привести к непереносимому дискомфорту.
В работе исследована возможность использования полимерных пленок на основе полиамидов 54/10 и 6/66.
Таблица 1 - Значение паропроницаемости для некоторых полимеров
Для оценки свойств полиамидов (ПА), подходящих в качестве мембранного материала для изготовления защитной одежды, во всех случаях определялось время защитного действия по модельному веществу и паропроницаемость по воде.
Пленки из ПА наносили поливом
(температура поливочного раствора 30-40°С) на гладкие поверхности стеклянных пластин, на которых после удаления растворителя в процессе термической обработки (до 70°С) формировались тонкие пленки.
Непроницаемость ПА по отношению к модельному веществу определяется структурой полиамида.
Замена этилового спирта на изопропиловый в случае ПА 6/66 с целью удешевления раствора, приводила к увеличению паропроницаемости (1632 г/м2 за 24ч), при этом вязкость исходного раствора полимера визуально увеличивается.
В целом пленки из ПА показали хороший результат по паропроницаемости, отвечающий физиолого-гигиеническим требованиям защитных мембранных материалов, а также и по защитным свойствам. Однако во всех опытах пленки получались жесткими (хрупкими), что затрудняет их использование в качестве материала для пошива одежды.
На практике при приготовлении полимерных пленок, в том числе и мембранных, применяют ряд добавок как высокой, так и низкой молекулярной массы. Эти добавки используются для придания пленкам желательных свойств: морфологии, рабочих показателей [4].
Для придания более эластичных свойств пленок ПА изучено влияние некоторых пластификаторов на свойства пленок. Все
пластификаторы вводили в раствор полимера в количестве до 10%.
Таблица 2 - Характеристика пленок на основе ПА
Наимено- вание образца Толщина плен ки, мкн Паропро-ницаемост ь г/м2 24 часа Время защитного действия по модельному веществу, ч
ПА 54/10 80 836 25
ПА 6/66 90-95 492,5 20
ПА 6/66 30-40 1632 -
ПА/ПЭГ 3 масс% 30-40 1100 -
ПА/1111Г 3.2 масс% 80-100 1228 2,5
ПА/1111Г 5 масс% 50-70 2340 мгно- венно
ПА 54/10 /ППГ 3 масс%. 60-100 1214 -
ПА 6/66/ДХЭФ 3 масс% 50-70 400 3
ПА 6/66/ДХЭФ 8.8 масс% 60-80 952 1
ПА 6/66/ДБС 3 масс% 80 322 1
ПА 54/10/ДБС 4,8 масс% 50-90 615 10 мин
ПА 54/10/ДБС 4 масс%. 50 540 10 мин
ПА 6/6/ДБС 10 масс%. 70 850 мгно- венно
Одним из основных требований,
предъявляемых к пластификаторам, которое вытекает их механизма пластификации, является
растворимость пластификатора в полимере. Исследование водных растворов пластификаторов: димефосфон (10%), акриловый полимер АК-101 (2%) показало, что происходит сильное загустевание, что в свою очередь затрудняет изготовление пленок из этих растворов.
В связи с этим было решено перейти к добавлению спиртовых растворов пластификаторов, хорошо растворимых в полимере ПА.
При увеличении количества пластификатора полипропиленгликоля марки «11111 -200» от 3 до 5% наблюдается увеличение значений
паропроницаемости с 1214 до 2340 г/м2 за 24 ч, однако защитные свойства резко снижаются.
Тип материала Коэффициент паропроницаемости (г/м2 за 24 часа)
полиэтилен высокой плотности 3-12
полипропилен неориентированный 8-10
полипропилен ориентированный 5-10
полиэтилен низкой плотности 15-20
ТуеИеш Б 20
полиэтилентерефталат 15-30
сополимер этилена и винилового спирта 15-50
пленка ЭВА (сополимер этилена и винилового спирта), на основе ЭВА марки 12206-007 40-70
полиамид >150
Аналогичные результаты получены при использовании в качестве пластифицирующего вещества - дихлорэтилфосфата (ДХЭФ) и дибутилсибацината (ДБС). Увеличение содержания ДХЭФ до 8% в растворе ПА способствует возрастанию паропроницаемости (952 г/м2 за 24ч), и уменьшению времени защитного действия с 3-х до 1 ч. При содержании 10% ДБС паропроницаемость пленки возрастает; однако защитные свойства отсутствуют.
Введение пластификатора не только повышает проницаемость пленки по парам воды, но и изменяет ее внешние и физико-механические характеристики: повышает эластичность,
уменьшается «хруст» вплоть до полного его исчезновения. В результате добавления
пластификаторов возникают каналы транспорта между полимерными цепями, паропроницаемость растет, но защитные функции полимерных пленок существенно снижаются. В результате растворения молекул пластификатора в полимере, макромолекулы полимера оказываются окруженными и частично разделенными молекулами пластификатора. Это ведет к понижению взаимодействия между макромолекулами, и как следствие, к повышению их кинетической гибкости, что в свою очередь ведет к облегчению взаимной перегруппировки звеньев макромолекул под влиянием внешних механических полей. В целом происходит изменение всего комплекса свойств полимера.
Экспериментальная часть
В качестве материала для приготовления пленок использовали полиамиды: 54/10 (ТУ 2224-00259355715-2008, производства ООО «Химтех-Р»), представляющий собой продукт поликонденсации капролактама и соли АГ (соль гексаметилендиамина и адипиновой кислоты) и 6/66 (ОСТ 2224-438-
02099342-93, производства ОАО «Институт пластмасс»), представляющий собой продукт поликонденсации капролактама и соли СГ (соль гексаметилендиамина и себациновой кислоты).
В качестве пластифицирующего вещества использовали полипропиленгликоль марки «11111'-200», дихлорэтилфосфат (ДХЭФ) и дибутилсибацинат (ДБС).
Исходный раствор определенной концентрации полимера готовили растворением соответствующего количества ПА в растворителе (воды и спирта) при температуре 50-60°С, руководствуясь получением раствора необходимой вязкости для нанесения на основу. Выбран раствор с оптимальной концентрацией ПА 20 масс %.
Выводы
Проведенные исследования полимерных материалов на основе полиамида, показали хороший результат по паропроницацаемости: около 1600 г/м2 за 24 часа. Введение низкомолекулярных пластификаторов в состав ПА пленок приводило к возрастанию данного показателя (паропроницаемость соответственно 2000 г/м2 за 24 часа), что отвечает физиолого-гигиеническим требованиям защитных мембранных материалов. В целом пленки из ПА показали хороший результат и по защитным свойствам при действии токсичных веществ (время защитного действия составило для ПА 6/66 - 20 часов). Таким образом, на основе полученных данных возможно изготовление защитной одежды из полиамидного полимерного материала.
Литература
1. Патент РФ № 2375192 МПК В 32В25/00, В 32В25/10, А 62В17/00 Универсальный защитный материал.-Фатхутдинов Р.Х., Шергина И.И., Никитаев С.П., Матвеева В.Ю., Рыжикова Т.Я.- ОАО «Казанский химический научно-исследовательский институт», заявл.
27.12.2007, опубл. 10.12.2009.
2. Патент РФ № 2388608 МПК В32В25/10, С08К7/02
Композиционный слоистый резинотканевый защитный материал- Балашов А. Т., Гореленков В. А., Ларионов В.Ф., Романов Р.В. - ООО «Научно-исследовательский
институт эластомерных материалов и изделий», заявл.
10.11.2008, опубл. 10.05.2011.
3. Паншин, Ю.А. Фторопласты / Ю.А. Паншин, С.Г. Малкевич, И.С. Дунаевская - Ленинградское отделение: Химия, 1978 - 232 с.
4. Мулдер, М. Введение в мембранную технологию: пер. с анг.- М.: Мир, 1999.-513с.
© И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, [email protected]; Р. Х. Фатхутдинов - канд. хим. наук, ст. науч. сотр. КНИТУ; О. Ю. Миронова - канд. хим. наук, ст. науч. сотр. КНИТУ; Д. П. Шалыминова - канд. техн. наук, науч. сотр. КНИТУ; И. Ф. Сайфутдинова - асп. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, [email protected].
