Научная статья на тему 'Модифицирование промышленных образцов АБС-сополимера графтсополимером'

Модифицирование промышленных образцов АБС-сополимера графтсополимером Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
107
24
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
модифицирование / графтсополимер / АБС-сополимер / стирол / акрилонитрил / атактический полипропилен. / modifying / graft copolymer / ABS-copolymer / styrene / acrylonitrile / atactic polypropylene.

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Н Т. Кахраманов, Р В. Алиева, Ш Р. Багирова

Исследовано влияние модифицирующей добавки на основе графтсополимера атактического полипропилена со стиролом и акрилонитрилом на разрушающее напряжение промышленных образцов АБС-сополимера. В качестве объекта исследования использованы графтсополимеры с различными содержанием привитого компонента и длиной привитых цепей.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MODIFYING OF INDUSTRIAL SAMPLES OF ABS-COPOLYMER BY GRAFT COPOLYMER

The influence of the modifying additive on a basis of graft copolymer of atactic polypropylene with styrene and acrylonitrile on the destroying pressure of industrial samples ABS-copolymer has been investigated. As object of researches graft polymers with the various content of the imparted component and length of the imparted chains have been used.

Текст научной работы на тему «Модифицирование промышленных образцов АБС-сополимера графтсополимером»

88

AZЭRBAYCAN К1МУА ШШЛЫ № 1 2012

УДК 678-19:539

МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБРАЗЦОВ АБС-СОПОЛИМЕРА

ГРАФТСОПОЛИМЕРОМ

Н.Т.Кахраманов, Р.В.Алиева, Ш.Р.Багирова

Институт нефтехимических процессов им. Ю.Г.Мамедалиева Национальной АН Азербайджана

а2тва_пкр1@Ьох. а2

Поступила в редакцию 25.02.2011

Исследовано влияние модифицирующей добавки на основе графтсополимера атактического полипропилена со стиролом и акрилонитрилом на разрушающее напряжение промышленных образцов АБС-сополимера. В качестве объекта исследования использованы графтсополимеры с различными содержанием привитого компонента и длиной привитых цепей.

Ключевые слова: модифицирование, графтсополимер, АБС-сополимер, стирол, акрилонит-рил, атактический полипропилен.

За последние годы значительно повысилось число работ, посвященных проблеме модификации структуры и свойств полимеров с целью получения полимерных композиционных материалов со специфическими свойствами. Существующие базовые полимеры, выпускаемые большим тоннажом промышленными предприятиями, широко используются для производства стандартных изделий методами экструзии, литья под давлением и пневмо-вакуум-формованием. Однако развитие техники и технологии ставит перед исследователями новые задачи, которые, как правило, нацелены на производство изделий с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами. В связи с этим предпринимается использование различных методов физической, физико-химической, химической и механической модификации, которые делают возможным целенаправленно осуществлять модификацию структуры базового полимерного материала [1, 2].

АБС-сополимер, выпускаемой в промышленности, довольно широко используется в различных областях техники. Но вместе с тем наличие в составе его макромолекулы полимерных звеньев акрилонитрила, стирола и полибутадиена, свободного сополимера стирола с акрилонитри-лом (САН), а также непрореагировавшего полибутадиена позволяют рассматривать этот образец как полимерный композиционный материал. Преобладание того или иного компонента в этой сложной смеси существенно влияет на конечные свойства АБС-сополимера (сложной смеси). При этом мы не исключаем того, что некоторые компоненты смеси могут плохо совмещаться друг с другом и тем самым влиять на свойства и перерабатываемость полимера. В литературе имеется много сведений о структуре и сложном составе АБС-сополимеров, но при этом не сообщено о систематических исследованиях, направленных на улучшение их свойств [3-5].

В связи с этим с целью улучшения ряда важнейших свойств промышленных образцов АБС-сополимера представлялось интересным несколько подробнее остановиться на возможности модификации их структуры путем использования новых типов модификаторов на основе графтсо-полимера (ГС).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Графтсополимер акрилонитрила (НАК), стирола с атактическим полипропиленом (а-ПП) получали в растворе ароматического растворителя по методике, приведенной в работе [6]. Синтезированный привитой сополимер представлял собой чистый графтсополимер, в составе которого отсутствовал свободный САН. Для подтверждения этого в аппарате Сокслета при температуре кипения растворителя проводили промывку образцов метилэтилкетоном от возможных следов САН. Результаты показали отсутствие свободного САН в составе ГС. Концентрацию привитого САН определяли весовым методом. В процессе графтсополимеризации был получен графтсопо-лимер поли(а-ПП-пр-САН) со следующим содержанием привитого САН: образец 1 - 15 мас. %; образец 2 - 28 мас.% и образец 3 - 52 мас.%.

Синтезированные образцы ГС вводили в промышленный образец - АБС-сополимер, представляющий собой сополимер бутадиенового каучука со стиролом и НАК.

Образцы готовили вначале путем сухого смешения АБС-сополимера с введенным ГС в количествах 2.0, 5.0, 10.0, 15.0, 20.0 мас.%. После сухого смешения 95 г АБС-сополимера с 5.0 г ГС (5.0 мас. %) полученную смесь засыпали в бункер литьевой машины со шнековым приводом. Эта полимерная смесь в шнековом цилиндре интенсивно и равномерно перемешивалась, расплавлялась и прогревалась в материальном цилиндре до необходимой температуры по всему полимерному объему в процессе транспортировки от бункера к соплу. При движении вдоль шнека в зоне пластикации, нерасплавившиеся частицы материала смешивались с уже расплавившимися гранулами и вовлекались в винтовое движение. После расплавления и тщательного перемешивания всей полимерной массы в материальном цилиндре литьевой машины отливались образцы для проведения испытания с целью определения их физико-механических характеристик. Испытание разрушающего напряжения проводили в соответствии с ГОСТ 11262-80.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Большинство промышленных полимерных материалов являются гетерогенными. Обычно в непрерывных полимерных матрицах содержатся одна или несколько дисперсных фаз полимерных компонентов, которые по своему составу в целом можно охарактеризовать как "композиционные материалы". Яркими представителями такого типа материалов являются ударопрочный сополимер стирола (УПС) и АБС-сополимеры [7]. В результате прививки стирола и НАК на полибутадиеновый каучук одновременно с чисто привитым сополимером в отдельную фазу формируется и свободный САН. Последний вносит существенные коррективы в сам процесс формирования многофазной структуры. Кроме того, в составе этого сополимера присутствует непрореагировавший полибутадиеновый каучук. Таким образом, АБС-сополимер это есть композиционный материал с неоднородной структурой, для которого определяющую роль играет совместимость "собственных" компонентов смеси. Наличие непрореагировавшего полибутадиенового каучука, свободного САН, а также привитого сополимера САН с полибутадиеном способствует формированию в АБС-сополимере совершенно различных по своей природе полимеров, которые в определенной мере могут способствовать улучшению или ухудшению прочностных свойств и технологических возможностей их переработки различными методами. Иными словами, промышленный АБС-сополимер - это трехкомпонентный композиционный материал, который требовал комплексного подхода к изучению его структуры и состава во взаимосвязи со свойствами [1, 2]. Наибольшее предпочтение отдавалось рассмотрению этого сополимера с позиции несовместимости компонентов смеси. Совершенно очевидно, что САН и привитой сополимер несовместимы с непрореагиро-вавшим каучуком. Как правило, для улучшения совместимости компонентов полимерной смеси широко используют метод модифицирования ее структуры путем введения различных легирующих добавок, модификаторов, компатибилизаторов, которые в совокупности способствуют улучшению совместимости компонентов смеси и, как следствие, улучшению ее свойств [8].

В связи с вышеизложенным представлялось интересным исследовать закономерность изменения прочностных свойств модифицированных образцов АБС-сополимера в зависимости от концентрации модификатора - ГС и его структурных особенностей. На рисунке показано влияние концентрации ГС на прочностные характеристики композиции. При этом рассматривалось также влияние в композиции с АБС-сополимером содержания привитого компонента и длины привитой цепи (степени полимеризации привитой цепи) на разрушающее напряжение (ср) модифицированных образцов. Анализируя данные, приведенные на этом рисунке, можно установить, что степень прививки САН и концентрация ГС оказывают довольно существенное влияние на закономерность изменения разрушающего напряжения. Характерно при этом, что при введении в состав АБС-сополимера ГС с 15%-ным по массе содержанием привитого САН на кривой зависимости наблюдается максимальное значение прочности - порядка 49 МПа - в области 6.5-10 мас. % (кривая 1). Выше этой концентрации разрушающее напряжение образцов резко снижается.

При введении ГС с 28%-ным содержанием привитого САН максимальное значение прочности, равное 53 МПа, наблюдается при концентрации модификатора в области 11-13 мас. % (кривая 2). В отличие от предыдущих 2-х образцов, введение ГС с 52%-ным содержанием привитого САН в состав АБС-сополимера не приводит к появлению максимума разрушающего напряжения (кривая 3). При этом наблюдается непрерывный рост разрушающего напряжения образцов в рассматриваемом интервале концентраций ГС в АБС-сополимере.

Влияние длины привитых цепей и концентрации ГС с различным содержанием привитого компонента на разрушающее напряжение модифицированных образцов АБС-сополимера: 1,1' - 15 мас. %, 2,2' - 28 мас. %, 3,3' - 52 мас. %; 1-3 -длинные привитые цепи со степенью полимеризации Р* >200, 1'-3' короткие привитые цепи с Р* < 80.

40

0

5

10

15

20

Концентрация ГС, масс. %

Полученные результаты являются весьма интересными, так как позволяют сделать выводы относительно роли привитых цепей на процесс формирования многофазной структуры в матрице базового сополимера. Уместно подчеркнуть, что компоненты, которые придают полимерной смеси желаемые свойства, имеют определенную степень совместимости.

На практике редко можно наблюдать термодинамическую совместимость полимеров, которая достигается в результате межмолекулярного взаимодействия между ними: полярного притяжения, водородной связи между специфическими функциональными группами или же образования комплекса стереоизомеров [8]. Поэтому исследователи, как правило, используют утилитарный критерий, направленный на улучшение конечных свойств полимерных смесей.

Согласно данным рисунка, даже незначительная концентрация ГС в составе АБС-сополимера способствует увеличению прочностных характеристик. Благоприятное влияние ГС на улучшение разрушающего напряжения модифицированных образцов зависит в основном от наличия в структуре их макроцепей групп, которые имеются в несовместимых полимерных системах АБС-сополимера. В составе макроцепей ГС имеется а-ПП, который хорошо совмещается с полибутадиеном АБС-сополимера. Привитые цепи САН в составе ГС хорошо совмещаются со свободным и привитым САН, содержащимся в составе АБС-сополимера. Теоретически этот вопрос окончательно не изучен, но имеющаяся информация, касающаяся этой проблемы, позволяет в какой-то степени сформулировать основные принципы и подходы для интерпретации обнаруженных закономерностей. Главная особенность модифицирующих добавок (ГС) заключается в их способности локализоваться на поверхности двухфазной системы [9]. С одной стороны это - дисперсная среда непрореагировавшего полибутадиена, а с другой - дисперсная фаза свободного САН. Имеющийся в составе АБС-сополимера привитой сополимер полибутадиена со стиролом и НАК концентрируется преимущественно на границе раздела фаз, которая, собственно, и предопределяет его достаточно высокие прочностные характеристики. Что же происходит при введении дополнительного количества привитого сополимера (ГС) в состав АБС-сополимера? Основной принцип действия ГС заключается в том, что привитой сополимер обладает способностью к разделению на две фазы: полиолефиновую (в данном случае а-ПП) и привитого САН. Иными словами, привитой сополимер (ГС) как единая макромолекула не должен смешиваться в композиции только с одной из двух го-мополимерных фаз АБС-сополимера. Располагаясь на границе раздела фаз, привитые цепи САН графтсополимера взаимодействуют в фазе свободного САН, а основная цепь матрицы (а-ПП) взаимодействует в фазе полибутадиена. В результате такого взаимодействия одна и та же макромолекула ГС участвует в формировании двух несовместимых фаз. Последнее обстоятельство способствует увеличению адгезии между дисперсной фазой и дисперсной средой, что в конечном итоге выражается в увеличении разрушающего напряжения.

Согласно данным, приведенным на рисунке, появление максимума разрушающего напряжения на кривой зависимости можно связать с тем, что с увеличением концентрации ГС увеличивается и концентрация непрорегировавшего каучука - а-ПП, при определенном содержании которого происходит снижению прочности образца. Это наиболее отчетливо проявляется на образцах с 15%-ным содержанием привитого компонента, в которых концентрация непрорегировавшего каучука сравнительно выше. При использовании ГС с 28%-ным содержанием привитого САН максимум сдвигается в сторону увеличения концентрации модификатора в составе АБС-сополимера. Это объясняется тем, что, по-видимому, с увеличением степени прививки САН в составе ГС доля непрорегировавшего а-ПП становится ниже. В результате снижается и влияние а-ПП на процесс ухудшения разрушающего напряжения модифицированной графтсополимером композиции АБС-сополимера. И, наконец, при использовании образцов ГС с 52%-ным содержанием привитого САН концентрация каучуковой фазы (а-ПП) в его составе резко снижается, что определенным образом сказывается на постоянном росте разрушающего напряжения при исследованных концентрациях модификатора.

Весьма важным обстоятельством в изменении разрушающего напряжения АБС-сополимера является длина привитых цепей (Р* - степень полимеризации САН), локализирующихся в тех или иных фазах двухфазных полимерных систем. В работе [10] неоднократно было доказано, что при одном и том же содержании привитого компонента в графтсополимере образцы с длинными и короткими привитыми цепями сильно отличаются друг от друга по свойствам. В этой связи представлялось интересным рассмотреть влияние размера привитых цепей САН в ГС на разрушающее напряжение АБС-сополимера. До этого мы рассматривали в основном влияние ГС с длинными привитыми цепями САН с Р* > 200 (кривые 1-3).

Как видно из рисунка, в случае использования ГС с короткими привитыми цепями с Р* < 80 (кривые 1-3'), разрушающее напряжение изменяется по определенной закономерности. При использовании ГС с 15 мас. % привитого САН закономерность изменения прочности практически не зависит от длины привитых цепей. При введении ГС с содержанием привитых звеньев САН, равным 28 мас.%, незначительные отличия проявляются при содержании модификатора свыше 5 мас.%. У образцов АБС, содержащих ГС с 52 мас. % привитого САН существенные различия в закономерности проявляются при концентрации модификатора свыше 13-15 мас.%. Для объяснения обнаруженных закономерностей рассмотрим структурные особенности ГС. Так, например, при одной и той же степени прививки ГС могут иметь короткие, но чаще расположенные привитые цепи или длинные, но реже расположенные. Именно эти структурные особенности ГС способствуют формированию граничных слоев, по-разному влияющие на адгезию в межфазной области. Это свойство сополимеров зависит от взаимодействия между химически разнородными сегментами и от их длины. Во всяком случае при введении ГС с короткими привитыми цепями эффект улучшения прочности бывает ниже, чем при использовании образцов с длинными привитыми цепями. Связано это с тем, что у длинных привитых цепей вероятность участия их в межфазной области и в формировании дисперсной фазы САН значительно больше, чем у образцов с короткими привитыми цепями. Это наиболее отчетливо проявляется на модифицированных образцах АБС-сополимера при использовании ГС с 28 и 52 мас.% привитого САН. Чем меньше длина привитых цепей и больше частота их распределения вдоль макроцепи а-ПП, тем меньше их подвижность, способность к конформационным изменениям и соответственно ниже вероятность их одновременного участия в дисперсной фазе несвязанного САН и в формировании межфазной области с участием привитой части АБС-сополимера.

Таким образом, на основании проведенных исследований можно констатировать, что концентрация модификатора (ГС) и его структурные особенности оказывают существенное влияние на закономерность изменения разрушающего напряжения модифицированных образцов АБС-сополимера. Становится очевидным, что при использовании в качестве модификатора ГС не следует ограничиваться только содержанием привитого компонента в составе композиции. Необходимо учитывать такие особенности графтсополимера, как длина и частота распределения привитых цепей, без учета которых вряд ли можно говорить о систематизации результатов исследования в этом направлении.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Полимерные смеси. Часть I / Под ред. Пола Д. и Ньюмена С. М.: Мир, 1981. 550 с.

2. Полимерные смеси. Часть II / Под ред. Пола Д. и Ньюмена С. М.: Мир, 1981. 453 с.

3. Pludemann E.P. Interfaces in polymer matrix composites. New York, London: Academic Press, 1974.312 p.

4. Баранов О.А., Котова А.В., Зеленицкий А.Н. // Успехи химии. 1977. Т. 66. № 10. С. 972.

5. Фомин В.Н., Малюкова Е.Б., Берлин А.А. // Докл. РАН. 2004. Т. 394. № 6. С. 778.

6. Pat. Az.R. I 2007 0173. 2007.

7. Нестеров А.Е., Лебедев Е.В. // Успехи химии. 1989. Т. 58. № 8. С. 1384.

8. Алексеева Т.Т., Липатов Ю.С., Яровая Н.В. // Высокомолек. соед. А. 2005. Т. 47. № 8. С. 1535.

9. Sperling L.H. (ed). Recent Advances in Polymer Blends, Graft and Blocks. New York, Willey and Sons. 1974. 473 p.

10. Кахраманов Н.Т., Аббасов А.М. Химическая модификация полимеров. Баку: Элм, 2005. 334 с.

ABS-SOPOLiMERiN SONAYE NUMUNOLORiNiN QRAFTSOPOLIMERLO MODiFiKASiYASI

N.T.Qahramanov, R.V.Oliyeva, §.R.Bagirova

ABS-sopolimerin sanaye numunalarinin dagidici garginliyina ataktik polipropilem calaq olunmu§ stirol+akrilonitri-lin qraftsopolimerinin tasiri tadqiq edilmi§dir. Tadqiq obyektlari kimi tarkibinda muxtalif miqdarda calaq kompo-nentlari olan qraftsopolimerlardan istifada edilmi§dir. Muayyan edilmi§dir ki, nainki calaq komponentlarin miqdari, hatta calaq olunmu§ zancirlarinin uzunlugu dagidici garginliyina gox boyuk tasir gostarir.

Agar sozlzr: modifikasiya, qraftsopolimer ABS-sopolimeri, stirol, akrilonitril, ataktik polipropilen.

MODIFYING OF INDUSTRIAL SAMPLES OF ABS-COPOLYMER BY GRAFT COPOLYMER

N.T.Kakhramanov, R.V.Aliyeva, Sh.R.Bagirova

The influence of the modifying additive on a basis of graft copolymer of atactic polypropylene with styrene and acrylonitrile on the destroying pressure of industrial samples ABS-copolymer has been investigated. As object of researches graft polymers with the various content of the imparted component and length of the imparted chains have been used.

Keywords: modifying, graft copolymer, ABS-copolymer, styrene, acrylonitrile, atactic polypropylene.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.