CC BY
4УДК 675.92.035
Блиева М. В. Blieva M. V.
ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛЕНОК ПОД ВЛИЯНИЕМ РЕГУЛЯТОРОВ ПРОКЛЕИВАНИЯ
CHANGE OF PHYSICO-MECHANICAL PROPERTIES OF FILMS UNDER THE INFLUENCE OF SIZING REGULATORS
Когезионная прочность проклеивающего материала является одним из наиболее важных факторов, определяющих деформационно-прочностные свойства обувных картонов. В связи с этим были проведены исследования влияния синтанов и КСДБ на модуль упругости и прочностные показатели пленок из дисперсий полимеров. В работе излагаются результаты исследования физико-механических свойств пленок, отвечающих за прочность волокнисто-пористых композитов из кожевенных волокон. Использованные для исследования пленки получали из сополимерных дисперсий ОЭПА (10 %-ной концентрации), ДБМВА (20%-ной концентрации) и латекса ДВХБ-70 (20%-ной концентрации) методом высушивания в изотермических условиях при 80 С. С целью регулирования коллоидно-химических свойств латексов и дисперсий использовали синтаны различной природы. Установлено, что синтаны образуют в матрице полимера упорядоченную структуру. Оптимальным количеством синтана, обеспечивающим повышение физико-механических свойств полимерных пленок, 0,5+2,0 г/100 г полимера. Выявлено, что введение синтетических дубителей в дисперсии полимеров и латек-сы оправдано и приводит к улучшению условий проклеивания кожевенных волокон в производстве обувных картонов и, следует ожидать, к повышению качества готового волокнисто-пористого композиционного материала.
Ключевые слова: неионогенная дисперсия, латекс, пленки, синтаны, прочность, упругость, структурообразование, волокнисто-композиционный материал.
Блиева Мадина Валериевна -
доктор технических наук, профессор кафедры товароведения и туризма, ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет имени В. М. Кокова», г. Нальчик Тел.: 8 928 690 24 42 Е-mail: madina.blieva@gmail.com
Cohesive strength of the sizing material is one of the most important factors in determining deformation and strength properties of shoe cardboards. In this regard, we have investigated the influence of syntans and KSDB on the modulus and strength characteristics of films made of dispersions of polymers. This paper is examined results of researches of physical-mechanical properties offilms responsible for the strength offibrous-porous composites of leather fibers. Films used for the study were obtained from the copolymer dispersions of DBMV (20% concentration) and OEPA (10% concentration) and latex KSDB-70 (20% concentration) by method of drying under isothermal conditions at 80 °C. To regulate colloidal-chemical properties of dispersions used syntans of different nature. It is established that syntans are formed of the polymer matrix ordered structure. The optimal number of syntans, providing improved physical and mechanical properties of polymer films, is about 0.5+2.0 g/100 g of polymer. It is revealed that the introduction of syntans to the dispersions of polymers and latexes is justified and leads to improve sizing leather fibers in the manufacture of Shoe cardboard should be expected to improve the quality of the finished fiber-porous composite of materials.
Key words: nonionic dispersion, latex, film, syntans, strength, elasticity, structure, fiber-composite material.
Blieva Madina Valerievna -
Doctor of Technical Sciences, Professor of the department of commodity science and tourism, FSBEI HE «Kabardino-Balkarian State Agrarian University named after V. M. Kokov», Nalchik Tel.: 8 928 690 24 42 E-mail: madina.blieva@gmail.com
Введение. Когезионная прочность проклеивающего материала является одним из наиболее существенных факторов, обусловливающих деформационно-прочностные свойства обувных картонов [10, 11]. В связи с этим было исследовано влияние синтанов и КСДБ на прочностные показатели, модуль упругости пленок из дисперсий полимеров.
Представленные в статье материалы являются частью расширенного эксперимента по совершенствованию технологии производства и качества обувных картонов путем использования новых проклеивающих материалов и регуляторов проклеивания [2, 3, 9]. В работе излагаются результаты исследования физико-механических свойств пленок, отвечающих за прочность волокнисто-пористых композитов из кожевенных волокон.
Экспериментальная база. Исследования по изучению физико-механических свойств пленок из проклеивающих дисперсий проводились на кафедре товароведения и туризма, кафедре полимерных пленочных материалов и искусственных кож МГУДТ и полупроизводственных условиях Нальчикского ОАО «Нарбек» в 2011-2014 гг.
Материал и методика исследований. Пленки, использованные для исследования, получали из сополимерной дисперсии дибу-тилмалеината и винилацетата (ДБМВА) (20%-ной концентрации), дисперсия оксиэти-лированного полиамида (ОЭПА) (10%-ной концентрации) и латекса ДВХБ-70 (сополимера дивинила и винилиденхлорида) (20%-ной концентрации) методом высушивания в изотермических условиях при 80°С. Вследствие развития больших внутренних напряжений, приведших к растрескиванию пленок из дисперсии ДБМВА с содержанием синтанов МТК свыше 5,0 г на 100 г полимера, испытания их не проводили. В отличие от традиционно используемого в промышленности искусственных кож ионогенного латекса ДВХБ-70, применение неионогенных полимерных связующих интересно с экологической точки зрения - снижения загрязненности сточных вод поверхностно-активными веществами в технологии производства жестких искусственных кож [2]. Наличие большого числа функциональных групп в полимере дисперсий позволяет предположить возможность их взаимодействия с функциональными группами коллагена и целенаправленного осаждения
полимера дисперсий на кожевенном волокне в процессе проклеивания.
Для регулирования коллоидно-химических свойств дисперсий использовали синтаны фиолетовый, оливковый, черный, МТК темно-коричневый, МО оранжево-коричневый, СПС, БНС и КСДБ различной природы, поскольку в практике производства обувных волокнисто-пористых композитов применение растительных и синтетических дубителей для регулирования скорости коагуляции латекса на волокне, известно давно, но в связи с ограниченным их кругом необходимость расширения базы регуляторов проклеивания очевидна [8]. Перспективность синтанов-красящих обусловливается возможностью одновременного регулирования процесса проклеивания, усиления пленок проклеивающих материалов и окрашивания кожевенных картонов в силу указанных выше особенностей и свойств синтанов. Регуляторы вводили в виде 2%-ного водного раствора в количестве 0,2-10,0 г на 100 г полимера.
Деформационно-прочностные характеристики монолитных, пористых пленок и материалов определяли на динамометре «Поляни» с автоматической записью результатов на самописце при скорости движения нижнего зажима 4 мм/мин, что соответствовало 16%/мин деформации образца, размером (5*25)-10-2 м. Предел прочности при растяжении в МПа рассчитывали по формуле:
Ор=¥р/80, (1)
где:
¥п
нагрузка, вызывающая разрушение
образца, Н;
80 - площадь поперечного сечения участка недеформированного образца, м2.
Относительное удлинение при разрыве в
%:
1Р ~ 10
'отн
100%,
(2)
где:
¡о - длина рабочего участка недеформиро-ванного образца до растяжения, мм;
¡р - длина_участка образца в момент разрыва, мм.
Модуль упругости пленок определяли графически из зависимости о=й(Е) по тангенсу угла наклона кривой в области упругой деформации по закону Гука:
/
0
Е -а / е,
(3)
где:
Е - модуль упругости, МПа; а - напряжение;
е - относительная деформация образца Результаты исследований и их обсуждение. Результаты исследований деформационно-прочностных свойств, представленные на рис. 1 и 2 показывают, что значения предела прочности при растяжении пленок из дисперсии ДБМВА и латекса ДВХБ-70 различаются в зависимости от вида вводимого синтана. Так, при введении синтанов - красящих фиолетового и оливкового, показатели предела прочности при растяжении пленок из дисперсии ДБМВА примерно в 9 раз превышают аналогичные из латекса ДВХБ-70. Что вероятно, можно объяснить как природой сополимера дисперсии ДБМВА, так и поливини-
лового спирта (в роли эмульгатора), имеющих в наличии большое количество активных функциональных групп, способных образовывать поперечные связи [5, 7].
В области дозировки синтанов 0,5-2,0 г на 100 г полимера наблюдается увеличение предела прочности при растяжении указанных пленок (рис. 1, 2), вероятно, за счет образования сетки синтанов в полимерной матрице. Увеличение содержания этих синтанов до 5,0 г на 100 г полимера приводит к снижению этого показателя. Очевидно, избыточное содержание синтанов в пленках препятствует взаимодействию в системе полимер-полимер.
Введение возрастающего количества син-танов-красящих в безэмульгаторную дисперсию ОЭПА оказывает усиливающее действие на пленки (рис. 3), однако в присутствии син-тана МО это упрочнение незначительно.
Е
о
о ?
о &
ч <и
7,6 2ч
1-
7,2 бХ- 1
/
6,8 6,4
И
<и И
ч
<и О
и
<и
Ё о о и
600 2
450 / .
300 5
150
Количество синтана, г/100г полимера
ч <и Ч <и
£
б
Рисунок 1 - Влияние синтанов на предел прочности при растяжении (а) и относительное удлинение (б) пленок из дисперсии ДБМВА: 1 - фиолетового; 2 - оливкового; 3 - черного; 4 - МТК; 5 - МО; 6 - КСДБ
7,6 2\ .,-)
У 4 ~.......
■' ■■
7,2 -—■ -
г
б/4- ^ 1
6,8
6,4
Количество синтана, г/100г полимера
б
Рисунок 2 - Влияние синтанов на предел прочности при растяжении
и относительное удлинение пленок из латекса ДВХБ-70: 1 - фиолетового; 2 - оливкового; 3 - черного; 4 - МТК; 5 - МО; 6 - КСДБ
а
а
Рисунок 3 - Влияние синтанов на предел прочности при растяжении (а) и относительное удлинение (б) пленок из дисперсии ОЭПА: 1 - фиолетовый; 2 - оливковый; 3 - МТК; 4 - МО
Как было установлено ранее [3], введение синтанов в дисперсию ДБМВА приводит к изменению размера и формы частиц, возрастает полидисперсионность. Все это, в свою очередь, влияет на процесс пленкообразова-ния - снижаются количество межглобулярных контактов и плотность упаковки частиц в структуре пленки, формируется пористая структура. При этом наблюдается снижение прочностных показателей пленок.
Увеличение содержания синтанов в пленках из дисперсии ДБМВА приводит к образованию поперечных связей по свободным гидроксиль-ным группам, возрастанию количества водородных связей, а также образованию непрерывной сетки синтана и ПВС (которым стабилизирована дисперсия) в матрице полимера. Все это способствует упрочнению пленок.
Аналогичные явления имеют место и при пленкообразовании из латекса ДВХБ-70, однако в данном случае влияние синтанов на прочностные свойства пленок, как было замечено выше, сказывается в меньшей степени.
В процессе пленкообразования из без-эмульгаторной дисперсии ОЭПА наблюдается уменьшение размера частиц [2, 3], а, следовательно, более плотная упаковка частиц в структуре пленки и увеличение количества водородных связей по мере увеличения содержания синтанов-красящих. Поэтому осуществляется упрочнение пленок из дисперсии ОЭПА (рис. 3).
Данные относительного удлинения пленок из дисперсий полимеров ДБМВА, ОЭПА и латекса ДБХБ-70 коррелируют с данными их прочностных характеристик (рис. 1-3). Увеличение содержания синтанов в пленках приводит к снижению относительного удлинения.
На рисунках 4 и 5 представлены данные о влиянии количества синтанов на остаточное удлинение пленок. Как видно из этих данных, для пленок из дисперсии ДБМВА характерно уменьшение остаточного удлинения, очевидно связанное с уменьшением пластической деформации. Остаточное удлинение пленок из дисперсии ОЭПА изменяется с увеличением содержания синтанов незначительно.
Аналогичные результаты получены при введении в латекс ДВХБ-70 синтанов СПС и БНС, не обладающих красящими свойствами. Изучение физико-механических свойств полученных латексных пленок (рис. 6) подтвердило полученные выше данные о том, что введение возрастающего количества синтанов в латексы оказывает усиливающее действие на пленки.
К обувным кожевенным картонам, в ряду прочих, предъявляется требование достаточно высоких пластических свойств и отсутствие высокой жесткости. Так как проклеивающее вещество является одним из компонентов, участвующих в создании структуры картонов, необходимо было исследовать влияние син-танов на жесткость пленок из проклеивающих дисперсий.
Для этого были построены деформационно-прочностные кривые (см. рис. 7-8) пленок, полученных из чистой дисперсии ОЭПА и латекса ДВХБ-70, а также из дисперсий с различным содержанием синтанов.
Из зависимости 5-е определяли модуль упругости пленок, который косвенно характеризует показатель жесткости пленок, т. к. между этими двумя показателями существует прямо пропорциональная зависимость.
ё и
е
и
ч е
ё
¡г
I
о
о
300
200 V ---Г"
V
100 N 2
200
175 1
150 125
Количество синтана, г/100 г полимера
Рисунок 4 - Влияние синтанов на остаточное удлинение пленок из дисперсии ДБМВА: 1 - МТК; 2 - МО; 3 - КСДБ
Рисунок 5 - Влияние синтанов на остаточное удлинение пленок из дисперсии ОЭПА: 1 - МТК; 2 - МО
Рисунок 6 - Влияние синтанов на предел прочности при растяжении (а) и относительное удлинение (б) пленок из латекса ДВХБ-70: 1 - СПС; 2 - БНС
Фактором, определяющим модуль упругости, как и величину предела прочности при растяжении полимерных пленок, является, прежде всего, природа полимера.
Можно сделать вывод, что модуль упругости повышается по мере увеличения жесткости макромолекул и, следовательно, по мере увеличения меж- и внутримолекулярного взаимодействия, определяемого химическим строением полимерной цепи.
Сопоставительный анализ полученных данных показал, что пленки из латекса ДВХБ-70 (рис. 8) независимо от содержания синта-нов имеют наименьший модуль упругости, наибольший - пленки из дисперсии ОЭПА (рис. 7. б).
Для пленок из латекса ДВХБ-70, при содержании в них всех исследуемых синтанов, характерно повышение модуля упругости при концентрации дубителей свыше 1 г/100 г полимера. Аналогичная зависимость отмечается
у пленок из неионогенных дисперсий ДБМВА и ОЭПА (рис. 9-11). Исключение составляет введение синтана черного, что, очевидно объясняется большей, чем у других синтанов, разветвленностью и молекулярной массой макромолекулы.
100 200 300 400 Относительное удлинение Е, %
Рисунок 7 - Зависимость напряжения (5) и удлинения (£) для пленок из дисперсии ОЭПА: 1 - без синтанов; 2 - фиолетового; 3 - оливкового; 4 - МТК
ч S
Ч о « л
0,8 S 3 2 /
0,6 __ 6 —7
0,4 4
0,2
Д ¡2« О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 |
Относительное удлинение Е, %
Рисунок 8 - Зависимость напряжения (5) и удлинения (Е) для пленок из латекса ДВХБ-70: 1 - без синтанов; 2 - фиолетового; 3 - оливкового; 4 - черного; 5 - МТК; 6 - МО; 7 - КСДБ
Количество синтана, г/100г полимера
Рисунок 9 - Зависимость модуля упругости пленок из латекса ДВХБ-70 от количества синтанов: 1 - фиолетового; 2 - оливкового; 3 - черного; 4 - МТК; 5 - МО; 6 - КСДБ
и т с
сог
1 3, 3-4
Количество синтана, г/100г полимера
Рисунок 10 - Зависимость модуля упругости пленок из дисперсии ДБМВА: 1 - фиолетового; 2 - оливкового; 3 - МТК; 4 - МО
По способности повышать модуль упругости пленок из дисперсий ДБМВА, ОЭПА и латекса ДВХБ-70 синтаны можно расположить в ряд: КСДБ < МО < черный < МТК < фиолетовый < оливковый. Таким образом, анализ деформационно-прочностных свойств
пленок, полученных из дисперсий полимеров, рекомендуемых для проклеивания кожевенных волокон, показал, что при увеличении содержания синтанов в пленках в области исследованных концентраций наблюдается повышение прочностных показателей, которое сопровождается повышением жесткости пленок.
Количество синтана, г/100г полимера
Рисунок 11 - Зависимость модуля упругости пленок из дисперсии ОЭПА: 1 - фиолетового; 2 - оливкового; 3 - МТК; 4 - МО
Область применения: легкая промышленность, химическая технология, переработка сельскохозяйственного сырья.
Выводы. Резюмируя результаты проведенных исследований о влиянии синтанов на структуру и физико-механические свойства пленок из неионогенных дисперсий ДБМВА и ОЭПА, можно сделать заключение, что пленки из указанных дисперсий имеют высокие прочностные показатели, независимо от количества и вида синтанов, содержащихся в них. Причем эти показатели значительно превышают аналогичные для пленок из традиционно используемого в производстве картонов латекса ДВХБ-70. Более того, структура пленок из ДБМВА является достаточно гидрофильной, а из ОЭПА - водостойкой [2, 7]. Следовательно, введение синтанов в латексы и дисперсии полимеров оправданно и приводит к положительному результату - улучшению условий проклеивания кожевенных волокон в производстве обувных картонов и, следует ожидать, к повышению качества готового волокнисто-пористого композиционного материала [1, 4, 6].
Литература
1. Агеев А.А., Волков В.А. Поверхностные явления и дисперсные системы в производстве текстильных материалов и химических волокон. МГТУ им. Косыгина. М., 2004. 464 с.
2. Блиева М.В. Использование неионоген-ных дисперсий для улучшения структуры и качества кожевенных картонов // Вестник Казанского ГТУ. 2011. № 2. С. 63-67.
3. Блиева М.В., Андрианова Г.П. Регулирование физико-механических свойств пленок из латексов и дисперсий полимеров растворами синтетических дубителей // Пластические массы. 2010. № 8. С. 20-27.
4. Богданов Ю.Б. Адгезия и ее роль в обеспечении прочности полимерных композитов. М.: МГУ, 2010. 68 с.
5. Волков В.А. Коллоидная химия. М.: МГТУ им. Косыгина, 2001. 642 с.
6. Лунев В.М., Немашкало О.В. Адгезионные характеристики покрытий и методы их измерения // ФИП. 2010. Т. 8. № 1. С. 64-71.
7. Нейман Р.З., Киселева О.Г., Егоров А.К., Васильева Т.М. Коллоидная химия синтетических латексов. Воронеж: ВГУ. 1984. 196 с.
8. Новые синтетические дубители и их использование для повышения качества натуральных кож и расширения их ассортимента // Кож. пром-сть. Вып. 3. М.: ВНИИТЭИ Легпрома, 1988. С. 45.
9. Смирнова Л.И. Неионогенные дисперсии полимеров в процессах проклеивания в производстве ИК: дисс. ... канд. техн. наук. М.: МТИЛП. 1985. 179 с.
10. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Л.: Химия, 1995. 352 с.
11. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии (Поверхностные явления и дисперсные системы). М.: Альянс, 2004. 452 с.
References
1. Ageev A.A., Volkov V.A. Poverhnostnye yavleniya i dispersnye sistemy v proizvodstve tekstinyh materialov i himicheskih volokon. MGTU im. Kosygina. M., 2004. 464 s.
2. Blieva M.V. Ispolzovanie neionogennyh dispersij dlya ulucsheniya struktury i kachestva kozhevennyh kartonov // Vestnik Kazanskogo GTU. 2011. № 2. S. 63-67.
3. Blieva M.V., Andrianova G.P. Regulirova-nie fiziko-mehanicheskih svojstv plenok iz latek-sov i dispersij polimerov rastvorami sinteti-cheskih dubitelej // Plasticheskie massy. 2010. № 8. S. 20-27.
4. Bogdanov Yu.B. Adgeziya i ee rol v obes-pechenii prochnosti polimernyh kompozitov. M.: MGU, 2010. 68 s.
5. Volkov V.A. Kolloidnaya himiya. M.: MGTU im. Kosygina, 2001. 642 s.
6. Lunev V.M., Nemashkalo O.V. Adgezion-nye harakteristiki pokrytij i metody ih izmere-niya // FIP. 2010. T. 8. № 1. S. 64-71.
7. Nejman R.Z., Kiseleva O.G., Egorov A.K., Vasileva T.M. Kolloidnaya himiya sinteticheskih lateksov. Voronezh: VGU, 1984. 196 s.
8. Novye sinteticheskie dubiteli i ih ispolzo-vanie dlya povysheniya kachestva naturalnyh kozh i rasshireniya ih assortimenta // Kozh. prom-st. Vyp. 3. M.: VNIITEHI Legproma, 1988. S. 45.
9. Smirnova L.I. Neionogennye dispersii po-limerov v processah prokleivaniya v proizvodstve IK: diss. ... kand. tehn. nauk. M.: MTILP, 1985. 179 s.
10. Fridrihsberg D.A. Kurs kolloidnoj himii. L.: Himiya, 1995. 352 s.
11. Frolov Yu. G. Kurs kolloidnoj himii (Poverhnostnye yavleniya i dispersnye sistemy). M.: Alyans, 2004. 452 s.
