CC BY
162
УДК 678.744.534:678.7-1
Н. С. Рогова, И. В. Солдатов, А. С. Мухаметзянов,
А. П. Павлов, А. И. Хацринов, Р. Ф. Гатина, Ю. М.Михайлов
ИЗУЧЕНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИВИНИЛБУТИРАЛЯ МАРКИ ПШ-1
Ключевые слова: поливинилбутираль, реологические свойства, кривая течения.
Проведено изучение реологических характеристик (вязкость, индекс течения) для поливинилбутираля в диапазоне температур от 100 до 120°С.
Keywords: polyvinyl butyral, rheological behavior, curve of flow.
Abstract: Investigated of the rheological behavior (viscosity, an index of current) for polyvinyl butyral over the range temperatures from 100 up to 120°С.
Поливинилбутираль (ПВБ) используется для получения комбинированных
стеклопленок на основе термопластичных формовочных смесей, для изготовления грунтов, лаков, клеев, а также находит применение в качестве компонента энергетических конденсированных систем [1, 2]. Наиболее оптимальным для применения при компоновке топливных составов является ПВБ марки ПШ-1. Это обусловлено оптимальным сочетанием физических свойств, таких как высокая адгезионная способность к материалам различной химической природы, растворимость в широком круге растворителей, способность давать эластичные прочные пленки.
Основными мировыми производителями поливинилбутираля являются компании: Solutia (США), DuPont (США), Hoechst (Германия), Sekisui (Япония) и др. Промышленное производство ПВБ на территории РФ в настоящее время отсутствует. Отметим, что импортные марки ПВБ не обеспечивают получение энергетических составов с требуемыми эксплуатационными характеристиками. В связи с этим ведутся работы по разработке современной опытно-промышленной технологии получения ПВБ [1].
Целью данных работ является получение поливинилбутираля с характеристиками сопоставимыми со свойствами поливинилбутираля марки ПШ-1. Основной причиной такого интереса является возможность применения ПВБ в качестве связующего в энергетических композиционных системах [3]. В настоящей работе рассмотрены реологические свойства полимерного материала поливинилбутираля марки ПШ-1.
Экспериментальная часть
Для анализа свойств текучести поливинилбутираля использовался метод капиллярной реометрии. Данный метод позволяет проводить измерения вязкости расплавов при средних и высоких скоростях сдвига (в широком интервале скоростей сдвига) [lg Y = (0 ^ 6)], что соответствует условиям переработки материалов, как при экструзии, так и при литье под давлением.
Важнейшими параметрами переработки полимерного материала является температура плавления и разложения, определяющие температурный интервал переработки полимера. Между температурами плавления и разложения полимер находится в вязкотекучем состоянии. Реальный интервал температур переработки несколько уже, чем интервал между температурами плавления и разложения, так как, с одной стороны, необходимо иметь достаточно подвижный расплав, а с другой -нужно избежать разложения полимера.
В качестве исследуемого материала использовался поливинилбутираль марки ПШ-1, высший сорт ГОСТ 9439-85 в виде белого высокодисперсного порошка (поставщик ЗАО «Химическое предприятие Волна», г. Москва). Данная марка ПВБ относится к пленочным шлицевым маркам, предназначенным для изготовления поливинилбутиральной клеящей пленки методом экструзии [4].
При проведении эксперимента исследуемый образец продавливался шнеком экструдера через термостатируемый капилляр с постоянной скоростью течения. Точность поддержания температуры в
экструдере ± 0,5оС. На выходе образца была установлена формующая головка с плоским щелевым капилляром размером 25 мм х 1 мм.
Результаты и их обсуждение
Для установления оптимальных условий переработки поливинилбутираля марки ПШ-1 в отсутствии растворителя был проведён предварительный эксперимент, в ходе которого в экструдер загружали порошкообразный ПВБ и регистрировали во времени изменение величины крутящего момента в зависимости от температуры. Начальная температура была выбрана 60°С, что незначительно превышает температуру стеклования ПВБ (Тстекл. = 57оС). Число оборотов шнека экструдера составляло 5 об/мин.
Как видно из рисунка 1 при движении ПВБ по экструдеру при заданных технологических режимах значение крутящего момента близко к нулю. Однако при температуре 90оС и выше отмечается существенное увеличение значений крутящего момента, что свидетельствует о начале процесса плавления ПВБ в экструдере.
При дальнейшем повышении температуры продолжается увеличение значения крутящего момента, что свидетельствует о переходе полимерного материала из порошка в расплав.
Однако отметим, что при температуре формующей головки менее 100°С наблюдается комкающаяся дисперсная порошкообразная масса или прерывистая лента с вкраплениями нерасплавленного ПВБ. При температурах от 100оС и выше получаем однородную, прозрачную ленту. Таким образом, была установлена нижняя температурная граница переработки ПВБ, равная 100°С.
На рисунке 2 показано изменение давления на выходе из экструдера, при переходе из одного режима течения в другой. Как видно из представленного рисунка наблюдается колебательное (периодическое) изменение значение давления, обусловленное объёмным сжатием полимера в резервуаре большего объёма при выдавливании полимера через капилляр. При этом среднее изменение давления во время измерения составляет не более 5%, что является приемлемым для проведения расчетов. Регистрацию показаний датчика давления на выходе из экструдера и формующей головки необходимо производить при установившемся течении полимера и в условиях постоянства температур.
Выход на стационарный режим течения расплава полимерного материала наблюдается через 9 ^ 10 минут после установления нового значения частоты вращения шнека при прочих равных условиях. Во время отбора анализируемого экструдата также необходимо сохранить
непрерывность загрузки исходного материала и обеспечить равное усилие при отведении экструдата.
Давление, бар
Время, мин 100°С Ж 110°С
Рис. 2 - Зависимость давления на выходе из экструдера от времени при температуре 100°С и 110°С и скорости вращения шнека 2 об/мин
При обработке данных капиллярной реометрии для полимерных материалов необходимо учитывать следующие корректировки:
- коррекция скорости сдвига для неньютоновских жидкостей (поправка Вайсенберга-Рабиновича);
- коррекция давления для эффектов на входе в капилляр (поправка Бэгли). Методические указания по расчёту представленных поправок приведены в работе [5].
Полученные результаты были статистически обработаны. Доверительный интервал для среднеквадратичных отклонений определяли при коэффициенте надежности 95%.
На рисунке 3 представлены кривые течения расплава ПВБ при 100°С, 110°С и 120°С, полученные в изотермических условиях.
Скорость сдвига, с-1
Рис. 3 - Кривые течения ПВБ при различной температуре: 1 - 100оС; 2 - 110оС; 3 - 120оС
86
Полученные экспериментальные данные соответствуют области аномального или неньютоновского течения. С повышением температуры вязкость полимера закономерно снижается.
Для описания кривых течения использовалось уравнение Освальда-де-Виля [5, 6, 7]:
т = К • Yn,
где т - напряжение сдвига, МПа; К - эмпирическая постоянная; Y - скорость сдвига, с" ; П -константа, описывающая степень аномалии вязкости (индекс течения).
Величины параметров уравнения Освальда-де-Виля представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Параметры уравнения Освальда-де-Виля
Температура, °С К 1 о ю n
100 1,974 0,211
110 0,915 0,371
120 0,530 0,490
Значения индекса течения для приведенных кривых не превышает «1», что подтверждает псевдопластичный характер течения расплава ПВБ при заданных температурах и скоростях сдвига. Как видно, при увеличении температуры для полимера характерно повышение значения индекса течения.
Выводы
1. Проведена экспериментальная отработка технологических режимов переработки
поливинилбутираля марки ПШ-1 (ГОСТ 9439-85) в отсутствии растворителей и
пластификаторов.
2. Установлен температурный диапазон переработки поливинилбутираля марки ПШ-1 в отсутствии растворителей и пластификаторов: нижняя температурная граница начала переработки составляет не менее 100оС.
3. Получены кривые течения расплава поливинилбутираля марки ПШ-1 в температурном диапазоне 100 ^ 120оС. На основании полученных кривых определено значение индекса течения расплава ПВБ.
Литература
1. Мухаметзянов, А.С. Оптимизация процесса получения поливинилбутираля марки ПШ-1 / А.С. Мухаметзянов и др. // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №8. - С. 415 - 420.
2. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology (4th Edition). - V. 24 - Wiley, 1997. - P. 540.
3. Бандорин, В.Г. Влияние концентрации растворов поливинилнитрата и поливинилбутираля на их поверхностные кислотно-основные характеристики. / В.Г. Бандорин и др.// Современные наукоемкие технологии. - 2007. - №9. - с. 70 - 72.
4. ГОСТ 9439-85. Поливинилбутираль. Технические условия. - Введ. 1985-03-20. - М.: Изд-во стандартов, 1985. - 38 с.
5. Шрам, Г. Основы практической реологии и реометрии / Перев. с англ. И.А. Лавыгина; под ред. В.Г. Куличихина - М.: КолосС, 2003. - 312 с.
6. Виноградов, Г.В. Реология полимеров / Г.В. Виноградов, А.Я. Малкин. - М.: «Химия», 1977. - 438 с.
7. Гуль, В.Е. Структура и механические свойства полимеров / В.Е. Гуль, В.Н. Кулезнев - Изд. 2-е, перераб. и доп. Учеб. пособие для вузов. М.: «Высш. Школа», 1972. - 320 с.
© Н. С. Рогова - инженер ФКП «ГосHИИХП», nati08@yandex.ru; И. В. Солдатов - канд. хим. наук, нач. лаб., ФКП «ГосHИИХП», isoldatov@mail.ru; А. С. Мухаметзянов - канд. хим. наук, нач. лаб. ФКП «ГосHИИХП»; А. П. Павлов - канд. техн. наук, нач. центра ФКП «ГосHИИХП», А. И. Хацринов - д-р техн. наук, проф., зам. дир. ФКП «ГосHИИХП»; Р. Ф. Гатина - д-р хим. наук, дир. ФКП «ГосHИИХП», Ю. М. Михайлов - д-р хим. наук, член-корр. PAH, ВПК при правительстве РФ.
