CC BY
0
A UNIVERSUM:
№11(128)_ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_ноябрь. 2024 г.
ИССЛЕДОВАНИЕ УВЕЛИЧЕНИЯ ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТИ ТРИАЦЕТАТА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ В ПРОЦЕССЕ ФОРМОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТРИАЦЕТАТ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ПОЛИКАПРОЛАКТАМ И ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТ
Холов Илхом Абдукаюмович
доцент,
Ташкентский государственный технический университет
имени Ислама Каримова, Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: [email protected]
Бахтиёров Жалолиддин Шарафиддинович
доцент
Ташкентский государственный технический университет
имени Ислама Каримова, Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: [email protected]
Эркинов Хикмат Гайрат угли
ассистент
Ташкентский государственный технический университет
имени Ислама Каримова, Республика Узбекистан, г. Ташкент
Эшмухамедов Мурод Азимович
профессор
Ташкентский государственный технический университет
имени Ислама Каримова, Республика Узбекистан, г. Ташкент
Норпулатов Миржалол Нуриддинович
тьютор
Ташкентский государственный технический университет
имени Ислама Каримова, Республика Узбекистан, г. Ташкент
Балтабаев Рахматилла
профессор
Академии Министерств чрезвычайных ситуаций Республики Узбекистан, г. Ташкент
STUDY OF INCREASE IN THERMOSTABILITY OF CELLULOSE TRIACETATE DURING THE FORMING PROCESS IN THE SYSTEM OF CELLULOSE TRIACETATE POLYCAPROLACTAM AND POLYETHYLENE TEREPHTHALATE
Ilkhom Kholov
Associate professor
Tashkent State Technical University named after Islam Karimov,
Republic of Uzbekistan, Tashkent
Jaloliddin Bakhtiyorov
Associate professor
Tashkent State Technical University named after Islam Karimov,
Republic of Uzbekistan, Tashkent
Библиографическое описание: ИССЛЕДОВАНИЕ УВЕЛИЧЕНИЯ ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТИ ТРИАЦЕТАТА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ В ПРОЦЕССЕ ФОРМОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТРИАЦЕТАТ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ПОЛИКАПРОЛАКТАМ И ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Холов И.А. [и др.]. 2024. 11(128). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/18578
A UNÎVERSUM:
№11(128)_Л^ ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_ноябрь. 2024 г.
Hikmat Erkinov
Assistant
Tashkent State Technical University named after Islam Karimov,
Republic of Uzbekistan, Tashkent
Murod Eshmukhamedov
Professor
Tashkent State Technical University named after Islam Karimov,
Republic of Uzbekistan, Tashkent
Mirzhalol Norpulatov
Tutor
Tashkent State Technical University named after Islam Karimov,
Republic of Uzbekistan, Tashkent
Rakhmatilla Baltabaev
Professor,
Academy of Ministries of Emergency Situations, Republic of Uzbekistan, Tashkent
АННОТАЦИЯ
В статье рассматриваются вопросы синтеза триацетата целлюлозы (ТАЦ) с повышенной термостабильностью, для формования волокон из его расплавов, исследование увеличения термостабильности триацетатного целлюлозы путем введения в его состав термостабилизаторов. Установлены закономерности пластификации триацетата целлюлозы с низко- и высокомолекулярными соединениями.
Рассчитаны кинетические параметры термического распада триацетатов целлюлозы, полученных при различных условиях и показано, что, в зависимости от типа взятого катализатора, температура начала термического распада ТАЦ возрастает в ряду: серная кислота диоксанат серной кислоты хлорная кислота.
Впервые сформованы бысоставные волокна из расплава путем использования систем триацетат целлюлозы-синтетический полимер (ацетопропионат целюлозы, полистирол, поликапролактам, полиэтилентерефталат).
ABSTRACT
The article considers the issues of synthesis of cellulose triacetate (CTA) with increased thermal stability, for forming fibers from its melts, study of increasing the thermal stability of triacetate cellulose by introducing heat stabilizers into its composition. Regularities of plasticization of cellulose triacetate with low- and high-molecular compounds are established.
Kinetic parameters of thermal decomposition of cellulose triacetates obtained under various conditions are calculated and it is shown that, depending on the type of the catalyst taken, the temperature of the onset of thermal decomposition of CTA increases in the series: sulfuric acid dioxanate sulfuric acid perchloric acid.
For the first time, composite fibers from a melt are formed using cellulose triacetate - synthetic polymer systems (cellulose acetopropionate, polystyrene, polycaprolactam, polyethylene terephthalate).
Ключевые слова: триацетата целлюлозы, термостабильность, пластификация, полимер, микроволокна, бысоставные волокна, поликапролактам, полиэтилентерефталат, высокоэластичная деформация, пластифицирующий эффект, температура стеклования, деструкцию.
Keywords: cellulose triacetate, thermal stability, plasticization, polymer, microfibers, non-composite fibers, polycaprolactam, polyethylene terephthalate, highly elastic deformation, plasticizing effect, glass transition temperature, destruction.
Введение
Процесс формования бисоставных волокон из смести полимеров, которые не имеют общего растворителя, т.е. полиэтилентерефталат (ПЭТФ) и поликапролактам (ПКЛ) с триацетатом целлюлозы, осуществлялся из расплава на лабораторной прядильной установке непрерывного действия /III/. Для формования волокон из смесей полимеров использовали следующие соотношения триацетата целлюлозы и синтетического полимера: 95:5, 93:7, 90:10, 85:15, 80:20. Предварительно полимеры измельчали до одинаковой степени дисперсности и смешивали на электромельнице МРВ-1. В процессе
формования бисоставных волокон на основе ТАЦ с добавками полимеров било изучено влияние различных параметров, таких как температура и скорость формования, которые влияют на свойства сформованных волокон, давление при получении бисос-тавных составляло 3,2 МПа. Результаты исследований представлены в таблицах 3 и 4.
Из данных таблицы 1 видно, что формование-волокон из смеси ТАЦ с ПКЛ приводит к улучшению их физико-механических показателей. Причем наилучший результат достигнут при формовании волокна из смеси/ содержащей 5-7% ПКЛ (от массы ТАЦ). Прочность бисоставных волокон увеличивается
до 18,6 сН/текс. Увеличение содержания ПКЛ в смеси от 10 до 20 % приводит к ухудшению формуемости, т.е. волокна формуется с частыми обрывами, физико-
механические свойства также ухудшаются, прочность составляет 8,3 - 10,6 сН/текс, а удлинение 7,0 - 8,7 %.
Таблица 1.
Влияние условий формования на процесс получения бисоставных волокон на основе ТАЦ с ПЭТФ и их свойства
Кол-во полимерной добавки, % (масс) Условия формования Физико-механические свойства Примечание
Температура фильеры, К Скорость формования, м/мин Разрывная прочность, сН/текс Разрывное удлинение, % Линейная плотность волокна текс
0 633 440 14,5 14,0 1,37 Формуется успешно
0 623 440 11,2 10,5 1,23 Формуется с редкими обрывами
0 613 440 9,8 10,0 1,13 Формуется с частыми обрывами
5 633 440 15,5 13,1 1,38 Формуется устойчиво
623 440 14,6 13,7 1,32 Формуется устойчиво
613 440 12,6 12,1 1,25 Формуется с редкими обрывами
7 633 440 18,2 12,9 1,40 Формуется устойчиво
623 440 16,8 12,9 1,28 Формуется с редкими обрывами
613 440 14,8 11,9 1,28 Формуется с редкими обрывами
10 633 440 18,0 13,9 1,43 Формуется с редкими обрывами
623 440 16,0 12,3 1,36 Формуется с частыми обрывами
613 440 14,8 9,6 1,30 Формуется с частыми обрывами
15 633 440 14,7 12,6 1,40 Формуется с частыми обрывами
623 440 12,6 10,9 1,31 Формуется с частыми обрывами
613 440 9,2 9,4 1,29 Формуется с частыми обрывами
20 633 440 13,7 15,4 1,41 Формуется с частыми обрывами
0 633 800 17,2 14,8 1,1 Формуется устойчиво
5 633 800 18,7 13,1 0,85 Формуется устойчиво
5 633 800 17,9 6,5 0,63 Формуется с обрывами
7 633 800 18,0 12,7 0,87 Формуется с обрывами
10 633 800 14,9 12,9 0,90 Формуется с частыми обрывами
Уменьшение температуры формования от 633 К до 613 К, во всех случаях, приводит к ухудшению процесса формования к физико-механических свойств волокон. Поэтому оптимальной температурой является 633 К. Увеличение формования от 440 м/мин до 800 м/мин приводит к увеличению прочности 17,3-20,0 сН/текс. Волокна формуются устойчиво, без обрывов. Подобные результаты были получены при формовании волокон на основе смеси ТАЦ с ПЭТФ, т.е. наилучшие результаты достигнуты при формовании волокон из смеси, содержашей 5- % ПЭТФ (от массы ТАЦ). Прочность таких бисостав-ных волокон, по сравнению с волокном из ТАЦ, увеличивается от 14,5 сН/текс до 18,2 сН/тек, удлинение не составляет 12,0-13,4 % с увеличением количества НЭТФ в смеси до 10-20 % происходит ухудшение процесса формования, наблюдаются частые обрывы волокна, физико-механические показатели такие уменьшаются. Отрицательно сказывается
на процесс получения бисоставных волокон и уменьшение температуры формования от 633 К до 613 к эффект улучшения физико-механических свойств волокон наблюдается при увеличении скорости формования до 800 м/мин, прочность увеличивается при этом до 17,2 18,7 сН/текс а удлинение соответственно уменьшается.
Таким образом, на основании приведенных данных можно делать вывод о том, что введение синтетических полимеров в состав ТАЦ положительно сказывается на процессе формования и прочности бисоставных волокон. При этом наблюдается некоторое уменьшение температуры формования за счет пластифицирующего эффекта водимой добавки, что приводит к уменьшению деструкции смеси. Причем оптимальным количеством вводимой добавки является 5-7 % (от массы • ТАЦ). С целью улучшения равномерности распределения ПТФ в сформованных бисоставных волокнах был проведен их элементный анализ.
Элементный анализ волокон из расплава смеси полимеров ТАД-ПЭТФ представлен ниже: Элементный состав:
Таблица 2.
Элементный состав
Количество Смеси Волокна
ПЭТФ, % С. % Н, % С. % Н, %
0 48,7 5,6 48,7 5,6
10 50,2 5,6 49,06 6,4
15 50,76 5,32 50,19 6,11
20 51,27 5,25 51,25 6,49
ПЭТФ. Для анализа растворяли триацетатную часть волокна в смеси метиленхлорид-спирт (9^Г), а остаток , отмытый от ТАЦ, взвешивали:
Таблица 3.
Значения
Навеска волокна, г Количество ТАЦ,.г Количество ПЭТФ, г
1,0069 теорет практич теорет практич
0,9063 0,9097 0,1006 0,0972
Из анализа виднее, что в волокне содержание С и П сохраняется такое как и в исходной смеси ТАЦ-ПЭТФ. Это подтверждается также количественным анализом бисоставных волокон, содержащих 10 % ПЭТФ. Для анализа растворяли триацетатную часть
волокна в смеси метиленхлорид-спирт (9^Г), а остаток, отмытый от ТАЦ, взвешивали. Анализ волокон, сформованных из снеси ТАЦ~5 % и 10 % ПКЛ (от массы ТАЦ), показал, что в волокне элементный состав сохраняется, как и в исходной смеси для формования.
Таблица 4.
Элементный состав волокна из расплава ТАЦ с поликапролактамом
Соотношение полимеров Элементный состав волокна, %
ПКЛ ТАЦ Практ. N Теор. N Практ. C Теор. C Практ. H Теор. H
5 95 0.51 0.55 49.31 49.60 6.05 5.95
10 90 1.22 1.10 50.76 50.16 6.54 6.07
15 85 1.95 1.66 50.90 50.75 6.63 6.28
20 80 1.95 2.23 51.55 51.3 6.94 6.50
Полученные волокна были исследованы различными физико-химическими методами: термомеханическим, акустическим, а также методами оптической и электронной микроскопии. При действии
а)
метиленхлорида на волокна, содержащие поли-капролактах, происходит растворение триацетата целлюлозы (а), а поликапролактам остается в виде ненабухших микроволокон (б).
б)
Исследование волокна ТАЦ с поликапролак-тамом травленного метиленхлоридом показало, что протяженные области поликапролактама имеют вид
микроволокон, количество которых увеличивается с увеличением добавки (рис.4 а).
Рисунок 2. Электронные микрофотографы бисоставного волокна ТАЦ с 10 % ПКЛ: после травления MX-(а); ультратонкий продольный срез не травленный ИХ-(б); ультратонкий продольный срез тропленный MX-(в)
На микрофотографиях ультратонких продольных срезов (рис.2, б, в,) видны протяженные вдоль оси волокна области нерастворивщегося поликапролактама. Исследование поперечного среза волокна показало, что эти поликапролактамовые микроволокна имеют округлую форму, но отличаются по диаметру. Таким образом, имеется структура, где ТАЦ играет роль матрицы армированной поликапролактамом. И так, при течении расплавов смесей термодинамически несовместимых полимеров реализуется процесс образования одного из компонентов в массе другого, в виде большого количества ультратонких микроволокон. Это явление отчетливо выражено при изучении волокон, полученных из расплава смесей ТАЦ с ПЭТФ, Эксперимент по травлению метилен-хлоридом пучка макроволокон большой длины дал возможность убедиться в том, что волокна рассыпаются и не сохраняют своей формы, хотя количество собранных остатков волокна по массе совпадает с тем количеством ПЭТФ, которое было введено в смесь полимеров перед формованием. Причиной этого может быть либо прерывность микроволокон по длине волокна, или же их толщина настолько мала, что не позволяет сохранить макроструктуру волокна.
Следует подчеркнуть, что наибольшей прочностью и ориентацией обладают волокна 0,5% добавкой ПЭТФ. С ростом количества добавки, наряду с небольшим уменьшением ориентации, наблюдается значительное падение прочности, что очевидно обусловлено перепутыванием и разветле-нием армирующей добавки и нарушением непрерывности матричного каркаса.
Таким образом, электронно-микроскопические исследования позволяют наблюдать специфическое распределение компонентов в волокнах из расплава смесей термодинамически несовместимых полимеров. Термомеханические кривые (рис.3) показывают
уменьшение температуры стеклования от 441 к у триацетата целлюлозы, до 424 К у ТАЦ о 7 % поликапро-лактама и до 412 К у ТАЦ 10 % поликапролактама, а такие повышению высокоэластической деформации с ростом количества добавки, что объясняется ее пластифицирующим эффектом. При введении 20 % поликапролактама температура стеклования снова увеличивается до 408 К, а пластическая деформация падает. Известно, что термомеханический метод анализа полимеров является весьма чувствительным к различным изменениям в структуре. Представляло интерес исследовать влияние добавок полиэтилентерефталата на термомеханические кривые, где деформация изменяется с ростом температуры и при постоянном напряжении ( ТЦК ).
На рис.4. показаны термомеханические кривые бисоставных волокон на основе ТАЦ с ПЭТФ. Волокна в результате нагрева развивают небольшие высокоэластические деформации, что заметно отличает их от ТАЦ-волокон, сформованных сухим и мокрый способом, имеющих большие высокоэластические деформации на ТМК. Разрывное удлинение ТАЦ-волокон, сформованных из расплава при больших серостях имеет значительно меньшую величину по сравнению с ТАЦ сухого формования (7-10 % против 25 - 30%).
В области 493 К наблюдается некоторый спад деформации, что и свидетельствует о прохождении процессов кристаллизация, Температура вязкого течения занимает небольшой температурный интервал в области 533-553 К.
Термомеханическая кривая чистого ПЭТФ имеет четко выравненные области перехода в высокоэластическое состояние. Однако, в области высокоэластического состояния наблюдается понижение деформации, что свидетельствует о кристаллизации, проходящей з образце при нагревании под нагрузкой.
Рисунок 3. Термомеханические кривые ТАЦ-(1); ТАЦ с 5; ШСЛ-(2); ТАЦ с 7 % Ш-- (3); ТАЦ с 10 % ШУ1 (4); ТАЦ с 20 % ШСЛ-(5)
Рисунок 4. Термомеханические кривые волокон из расплава:ТАЦ (1); ПЭТФ (2); ТАЦ с 5% ПЭТФ (3); ТАЦ с 10% ПЭТФ (4); ТАЦ с 15% ПЭТФ (5)
Исследования структуры волокон ТАЦ с ПЗТФ показали, что ПЭТФ располагается в ТАЦ в виде протяженных нитевидных участив, т.е. образует отдельную фазу, играющую роль армирующих элементов и матрице триацетата целлюлозы, значительно упрочняя исходное волокно.
Таким образом, впервые сформованы бисостав-ные волокна из расплава путей использования систем триацетат целюлозы-синтетический полимер, такие как ацетопропионат, полистирол, поликапролактам, полиэтилентерефталат. Исследованы структура и свойства полученных волокон и показано, что бисоставные волокна по физико-механическим показателям превосходят волокна на основе ТАЦ.
Заключение
Показано, что добавление к ТАЦ перед термообработкой или в процессе получения стабилизаторов термоокислительной деструкции приводит к значительному увеличению его термостабильности. Наилучшей стабилизирующий эффект при формовании
волокон из расплава достигнут при использовании антрахинонового дисперсного красителя и анти-оксиданта-2246.
Показано, что путем введения в ТАЦ пластификаторов, способствующих снижению температуры плавления, формование волокон из расплава можно осуществлять при более низких температурах и, естественно, значительно уменьшить деструкцию полимера.
Впервые сформованы бысоставные волокна из расплава путем использования систем триацетат целлюлозы-синтетический полимер (ацетопропионат целюлозы, полистирол, поликапролактам, поли-этилентерефталат).
Исследование структуры и свойств этих волокон термомеханическим и электронномикроскопическим методами показало, что бысоставные волокна по физико-механическим свойствам превосходят волокна из ТАЦ.
Список литературы:
1. Осилила А.А., Композиционные полимерные материалы, Киев, изд-во Паукова душка, 1980 г. вып.6, с. 15-48.
2. Кестельман В.Н. Физические методы модификации полимерных материалов, М., издательство «Химия», 1980, с. 17-21.
3. Ровкина Н.М., Ляпков А.А. Лабораторный практикум по химии и технологии полимеров. Часть 3. Получение полимеров методом полимеризации: Учебное пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2010. - 138 с.
4. Сутягин В.М., Ляпков А.А. Физико-химические методы исследования полимеров: Учебное пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - 130 с.
5. Балтабаев Р., Беренштейн Е.И., Кайбушева Р.Х., Халмирзаева Р., Айхождаев Б.И.- Композиция для формования волокон из расплава ТАЦ, Авт.свид. 852901, 1981 г. Б.И, 1й 29 от 08.
6. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учебное пособие / под ред. А.А. Берлина. - Санкт- Петербург: Профессия, 2014.-591 с.
