CC BY
137
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ____________________________________2012, том 55, №11_________________________________
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
УДК 544.476:661.183.123.2
Абдулризо Визвои, академик АН Республики Таджикистан Д.Х.Халиков
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ СУСПЕНЗИОННОГО И ЭМУЛЬСИОННОГО ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА
Институт химии им. В.И.Никитина АН Республики Таджикистан
Статья посвящена созданию композиционных материалов, обладающих достаточной пластичностью при хороших физико-механических характеристиках, на основе смеси поливинилхлори-дов (ПВХ), полученных суспензионным (ПВХС, с константой Фикентчера Кф=65) и эмульсионным (ПВХЭ с Кф=65 и Кф=70) способами, при содержании ПВХЭ в составе ПВХС от 10 до 50% масс.
Ключевые слова: поливинилхлорид - композиционные материалы - твёрдость ПВХ - относительное удлинение - предел текучести - сопротивление трения.
Среди крупнотоннажных полимеров наиболее разноплановым полимерным материалом, пожалуй, является поливинилхлорид (ПВХ) [1]. Одной из наиболее важных областей использования ПВХ является производство электроизоляционных материалов [2]. Его применяют в качестве строительных изделий для изготовления деталей окон и дверей, покрытия для полов, элементов сантехнического оборудования. Значительное количество ПВХ используется для изготовления одежды, обуви. Поливинилхлорид применяется в автомобильной, вагоностроительной, самолётостроительной, химической, пищевой и медицинской промышленности, а также в сельском хозяйстве [3].
Возможности использования ПВХ в конкретных областях промышленности предполагают наличие определённого сочетания физико-химических и механических свойств, удовлетворяющего потребности соответствующих отраслей производства. Создание необходимых физико-механических параметров изделия фактически начинается со стадии полимеризации винилхлорида (ВХ) путём освоения новых инициирующих систем, стабилизаторов эмульсий, формированием строения пористой структуры частиц ПВХ [4].
Относительно процесса полимеризации ВХ следует отметить, что в настоящее время в связи с существенным улучшением технологии производства как суспензионного, так и эмульсионного поливинилхлорида появилась возможность изменения его характеристик в широком диапазоне в условиях промышленного производства, улучшения свойств получаемых материалов на основе ПВХ и снижения их себестоимости [5]. Для ПВХ, в отличие от других синтетических крупнотоннажных полимеров, свойства материалов, наряду с молекулярной массой (ММ) и молекулярно-массовым распределением (ММР) полимера, существенно зависят от строения его пористой структуры [6]. Характер пористой структуры во многом определяет взаимодействие ПВХ с пластификаторами и другими добавками, а также влияет на протекание таких процессов, как диффузия, адсорбция, течение жидко-
Адрес для корреспонденции: Халиков Джурабой Халикович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 299/2, Институт химии АН РТ. E-mail: [email protected]
стей и газов. Для поливинилхлорида, полученного эмульсионной полимеризацией ВХ, пористая структура формируется при спекании частиц ПВХ.
В связи с тем, что ПВХ обладает невысокой теплостойкостью и при нагревании выше 100°С заметно разлагается с выделением НС1, для переработки ПВХ в изделия из его расплава необходимо присутствие стабилизатора, а для увеличения пластичности его необходимо пластифицировать [7]. Однако и в этом случае не всегда достигается необходимое сочетание физико-механических характеристик для создания изделий с заданными эксплуатационными свойствами.
Одним из перспективных способов, незаслуженно игнорируемых исследователями до настоящего времени, возможно, является создание композиционных материалов на основе смеси относительно недорогого суспензионного и дорогого эмульсионного ПВХ. Можно ожидать, что полученные на основе этих двух полимерных смесей (более жесткого ПВХС и более упругого ПВХЭ) композиционные материалы проявят новые физико-механические свойства, отличные как от первого компонента, так и от второго. К тому же, изменяя состав компонентов с использованием различных пластификаторов, можно широко варьировать свойства конечного продукта.
В связи с этим целью настоящеей работы явилось изучение физико-химических и механических свойств полимерных смесей на основе ПВХ, полученных суспензионным и эмульсионным способами.
В качестве объектов исследования были использованы ПВХС (производство компании «Пет-рошим», Абадан, Иран), ПВХЭ (производство фирмы 8оЫс, Бельгия), а в качестве пластификатора диоктилфталат (ДОФ) (компания «Петрошим», Арванд, Иран). Основные характеристики ПВХС и ПВХЭ представлены в таблице.
Таблица
Физико-химические параметры ПВХС и ПВХЭ
Свойство Ед. изм. ПВХС65 ПВХЭ65 ПВХЭ70
Константа Фикентчера, Кф - 65 65 80
Приведённая вязкость см3/г 110 120 169
Летучие вещества % 0.2 <0.3 <0.3
Насыпная плотность г/мл 0.45 0.44 0.38
Пористость - 0.2
Пластификатор (ДОФ) %масс 100
Для изучения физико-механических свойств композиций на основе ПВХ были изготовлены различные смеси на основе ПВХС с константой Фикентчера Кф=65 (ПВХС65) и ПВХЭ с константой Фикентчера Кф=65 (ПВХЭ65) и Кф=70 (ПВХЭ70). Смеси ПВХ изготовляли путём изменения массовых соотношений ПВХС и ПВХЭ, причём количество последнего компонента изменяли в области от 10 до 50, с шагом по 10% масс. В результате получается 10 композиций по пять ((ПВХС65 и ПВХЭ65) и по пять (ПВХС65 и ПВХЭ70)) для каждой основы пары. Испытанию подвергались также три исходных образца ПВХС65, ПВХЭ65 и ПВХЭ70. В общей сложности проведено изучение 13 объектов.
Соответствующие композиции изготовляли путём смешения ПВХС и ПВХЭ в рассчитанных соотношениях, в них добавляли пластификатор ДОФ в количестве 50% от массы полимеров, стабилизатор на основе цинка, кадмия и бария (SYNPRON 1322) в количестве 3%, стеариновую кислоту -1%, инициатор желатинизации (f.3) - 0.8% и эпоксидированное соевое масло в количестве 2%.
Компоненты композиции (ПВХ, ДОФ, стабилизаторы) подвергались смешиванию при температуре размягчения ПВХС (130оС). Для равномерного распределения пластификатора и других добавок продолжали смешивание в течение пяти часов при скорости вращения мешалки 60 об/мин. Далее реакционную смесь доводили до температуры 190-195оС под давлением в течение 2-2.5 мин для желатинизации, то есть образования межмолекулярных связей, после чего формировали изделия для изучения физико-механических свойств соответствующих композиционных материалов.
Плотность образцов измеряли по разности объёма воды, вытесненной гранулами соответствующих композиционных материалов из пикнометра. Для измерения механических свойств композиций вырезали образцы пластинки шириной 12.9 мм и длиной 50 мм. В зависимости от условий формования композиционных материалов, они имели толщину в пределах от 5.7 до 6.23 мм, преимущественно в области 5.8-5.9 мм. Для определения величин разрывного напряжения и разрывного удлинения соответствующие образцы композиционного материала подвергались деформации с использованием установки растяжения «ZWICK 1449» (компании ZWICK/Roell), которая в автоматическом режиме вычисляет и печатает соответствующие механические параметры. Испытания на твёрдость композиционных материалов проводились с помощью дюрометра (компании ZWICK), предварительно откалиброванного в единицах «по Шору А» от нуля до ста единиц.
Испытания сопротивления трения проводились также на установке компании ZWICK в единицах мг. Установка измерения сопротивления трения соответствует стандарту DIN53516 и имеет один шнек, одетый наждаком. Для измерения сопротивления трения с помощью одной формы с диаметром 6 мм берётся отрезок из испытуемого материала и взвешивается на точных весах. Затем этот отрезок подвергается трению на установке и снова взвешивается. Разница между величинами массы до и после испытания на установке соответствует величине трения образца.
Температуру стеклования (Тс) образцов определяли методом динамического механического термического анализа на установке DMA Q800 (INTERTECH Corporation, США).
На рис. 1-5 приводятся результаты измерения вышеперечисленных физико-механических параметров композиционных материалов в зависимости от содержания ПВХЭ с Кф=65 и Кф=70 в составе базового ПВХС с Кф=65.
Как видно из рисунков, в зависимости от изменений содержания ПВХЭ в составе ПВХС, в образцах наблюдается изменение плотности, твёрдости, напряжения и относительного удлинения при разрыве, а также сопротивление трения. При этом наибольшее внимание привлекают композиционные материалы с содержанием ПВХЭ от 20 до 30%. Для композиции с составом ПВХС (Кф=65) и ПВХЭ (Кф=65) в этой области обнаруживаются наименьшие величины твёрдости, большие величины относительного удлинения и прочности при разрыве. При этом величины сопротивления трения и плотности материалов увеличиваются. Аналогичные закономерности наблюдаются при замене ПВХЭ с величиной Кф=70, но все отмеченные характеристики продвигаются в область состава композиции
с меньшим содержанием ПВХЭ, что является следствием увеличения ММ добавок ПВХЭ. Из этого правила исключением является параметр трения, который проявляет лучший показатель для образцов ПВХЭ с Кф=б5, чем ^=7G.
1.15
О 10 20 30 40 50
Содержание ПВХЭ, %
Рис.1. Зависимость плотности композиционных материалов от содержания ПВХЭб5 (1) и ПВХЭ7С (2)
в базовом ПВХСб5.
12.5
10
0 10 20 30 40 50
Содержание ПВХЭ, %
Рис.2. Разрывное напряжение для образцов композиционных материалов в зависимости от содержания
ПВХЭ65 (1) и ПВХЭ70 (2) в базовом ПВХС65.
Рис.3. Относительное удлинение для образцов композиционных материалов в зависимости от содержания
ПВХЭ65 (1) и ПВХЭ70 (2) в базовом ПВХС65.
Рис.4. Твердость по Шору А для образцов композиционных материалов в зависимости от содержания
ПВХЭ65 (1) и ПВХЭ70 (2) в базовом ПВХС65.
Рис.5. Трение для образцов композиционных материалов в зависимости от содержания ПВХЭ65 (1) и ПВХЭ70 (2) в базовом ПВХС65.
Рис.6. Температура стеклования для образцов композиционных материалов в зависимости от содержания
ПВХЭ65 (1) и ПВХЭ70 (2) в базовом ПВХС65.
Также следует обратить внимание на снижение величины твёрдости и температуры стеклования (рис.6) материалов с ростом содержания ПВХЭ65 с достижением минимума в области 30%, что свидетельствует о возрастании пластичности материала в этой области состава композитов. Именно в этой же области наблюдается высокое значение прочности материалов на разрыв и высокое значение относительного удлинения. Важным является также уменьшение плотности образцов с достижением минимума в области 20% масс. Всё это свидетельствует о возможности получения лёгкого, пластич-
ного, в то же время прочного композиционного материала на основе смеси суспензионного и эмульсионного ПВХ.
Поступило 16.10.2012 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Уилки Ч., Саммерс Дж., Даниэле Ч. Поливинилхлорид. Пер. с англ. под ред. Г.Е.Заикова. - СПб.: Профессия, 2007, 728 с.
2. Поливинилхлоридные пластикаты и их применение в кабельной технике. Под ред. И.Д.Троицкого. -М.: Энергия, 1978, 152 с.
3. Катаев В.М., Попов В.А., Сажин Б.И. - Справочник по пластическим массам. - М.: Химия,1975, т.1, с. 82-122.
4. Яда Масанори, Аркава Хиромити, Микуни Такамицу Поливинилхлоридные композиции для спекающихся порошков. - Патент 57112146, Япония, 1984.
5. Оцуки Сусуму, Миянохара Исао, Мидзуи Норимаса. Дешевый фильтрующий материал из пористого поливинилхлорида. - Патент 5311987, Япония, 1978.
6. Barclay L.M. - Die Angewandte makromolekulare chimie, 1976, v. 52, рр.1-20.
7. Штаркман Б.П. Пластификация поливинилхлорида. - М.: Химия, 1975, 248 с.
А.Визвои, Ч,.Х.Холицов
МАВОДХ,ОИ КОМПОЗИСИОНЙ ДАР АСОСИ ПОЛИВИНИЛХЛОРИДИ СУСПЕНЗИОНЙ ВА ЭМУЛСИОНЙ
Институти химияи ба номи В.И.Никитини Академияи илмх;ои Цум^урии Тоцикистон
Маколаи мазкур муносиб аст ба тахияи маводхои композисионии дорои нармияти кофй хднгоми бех будани сифатхои физикиву механикиашон дар асоси омехтаи поливинилхлоридхо (ПВХ), ки иборатанд аз ПВХ-и суспензионй (бо собити Фикентчер Кф=65) ва эмулсионй (Кф=65 ва Кф=70) бо чойдошти ПВХЭ дар таркиби ПВХС аз 10 то 50 фисади масса.
Калима^ои калиди: поливинилхлорид - маводи композисиони-сахтии ПВХ -дарозшавии нисби -уудуди сайлоният - муцовимати соиш.
A.Vizvoy, D.Kh.Khalikov COMPOSITE MATERIALS BASED ON SUSPENSION AND EMULSION POLYVINYL CHLORIDE
V.I.Nikitin Institute of Chemistry, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan
The article is dedicated to the creation of composite materials that have sufficient plasticity in good physical and mechanical characteristics, based on a mixture of polyvinyl chloride (PVC), obtained by suspension (PVCS, with the constant ща Fikentcher CF = 65) and emulsion (with CF = 65 and CF = 70) the way in PVCE content in the PVCS from 10 to 50% by weight.
Key words: PVC - hardness of composite materials-PVC - elongation - yield stress - the frictional resistance.
