CC BY
54
РАЗНОЕ
УДК 541.182.64
В. С. Соловьев, М. В. Успенская, Н. В. Сиротинкин
ПОЛИМЕРНЫЕ ВОДОПОГЛОЩАЮЩИЕ КОМПОЗИЦИИ С ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТЬЮ
Изучено влияние модифицированных алюмосиликатных стеклосфер на макрокинетику гелеобразования и деформационно-прочностные характеристики полимерных акриловых композиций.
Ключевые слова: гелеобразование, сшитые полимеры.
Акриловые сшитые сополимеры обладают высокой водопоглощающей способностью и прозрачностью, легко реагируют на незначительные изменения во внешней среде (температуры, кислотности, освещенности): это обусловливает их широкое применение в промышленности, медицине и сельском хозяйстве [1—3]. Одним из главных недостатков акриловых абсорбентов является их низкая физико-механическая прочность. Введение в полимерную матрицу различных наполнителей, таких как бентониты, стеклосферы и т.п., способствует устранению этого недостатка.
Для проведения экспериментов в качестве наполнителей были использованы алюмоси-ликатные стеклосферы (АСС), поскольку они оказывают комплексное положительное влияние на такие характеристики полимерных композиций, как прочность, теплостойкость, теплопроводность и горючесть [4, 5]. Для увеличения взаимодействия между звеньями полимерной цепи и частицами наполнителя и улучшения, таким образом, физико-механических и специфических характеристик полимерного материала применяется модификация поверхности наполнителя [6, 7]. В описываемом эксперименте в качестве модификатора поверхности стеклосфер был использован латекс АБС.
Эксперимент. Акриловые композиции были синтезированы путем радикальной полимеризации в водной среде при температуре 50 °С. В качестве мономеров использовались акриловая кислота и акриламид в следующем соотношении: 70 мас.% кислоты — 30 мас.% ак-риламида. В качестве инициатора полимеризации была использована окислительно-восстановительная система персульфат аммония — тетраметилэтилендиамин, а в качестве сшивающего агента — #,#'-метиленбисакриламид. Степень нейтрализации (а) акриловой кислоты составляла 0,9. Полимеризация проводилась при начальной концентрации мономеров 30 мас.% и концентрации сшивающего агента 0,3 мас.%. Продолжительность синтеза композиций в водной среде составила 3 ч. Содержание наполнителя варьировалось в пределах 10—60 мас.%.
Модификация алюмосиликатных стеклосфер проводилась следующим способом: частицы наполнителя тщательно отмывались и подвергались сушке в течение 24 ч, а затем помещались в латекс АБС в соотношении 1:1; смесь перемешивалась в течение 30 мин, и добавлялся СаС12 в качестве коагулянта. Полученные модифицированные частицы алюмосиликатных стеклосфер отфильтровывали и сушили при температуре 20 °С в течение 24 ч.
64
В. С. Соловьев, М. В. Успенская, Н. В. Сиротинкин
Результаты. Модификация поверхности частиц наполнителя приводит к изменению макрокинетики гелеобразования. График зависимости времени начала гелеобразования (¿) от концентрации (И) модифицированных алюмосиликатных стеклосфер представлен на рис. 1.
t, мин
35 30 25 20
Ш 10 5
0
10
20
30 Рис. 1
40
50
N %
Как видно из графика, рост значения N приводит к увеличению времени Это можно объяснить тем, что подвижность макромолекул в адсорбционном слое уменьшается и, как следствие, снижается скорость полимеризации. При формировании сетчатых полимеров на начальных этапах синтеза происходит образование большой разветвленной молекулы, которая характеризуется значительно меньшей подвижностью, что приводит к ограничению возможности реакционноспособных групп полимера вступать в реакцию, в результате чего образование сетчатого полимера замедляется.
Следует отметить, что зависимость времени начала гелеобразования от концентрации модифицированных АСС описывается степенной функцией вида
I = 14,94И2
В отличие от представленной зависимости, зависимость 1(И) для немодифицированных стеклосфер описывается как „концентрационный оптимум", т.е. функция сначала возрастает, а затем убывает при увеличении концентрации немодифицированных стеклосфер в полимерной матрице [8]. Прочностные характеристики полимерных композиций с модифицированными и немодифицированными АСС отличаются на порядок. Влияние концентрации модифицированного наполнителя на прочностные характеристики (О) полимерных пленок иллюстрируется графиком, представленным на рис. 2.
1д О :
2,6
2,5
2,4
2,3
2,2
2,1 2
10
20
К%
30 40 50 60 Рис. 2
Повышение прочностных характеристик полимерных композиций с модифицированными АСС объясняется не только взаимодействием между отдельными макромолекулами и поверхностью частиц, но и влиянием надмолекулярных структурных образований, свойства которых изменяются под действием наполнителя. Частицы наполнителя — АСС — в композите являются узлами полимерной сетки, формирующейся в результате взаимодействия макромолекул полимера с поверхностью частиц.
Полимерные водопоглощающие композиции с повышенной прочностью 65
Итак, исследования впервые полученных композиций на основе модифицированных латексом АБС алюмосиликатных стеклосфер и акриловых сополимеров показывают, что с увеличением количества наполнителя в полимерной матрице повышается прочность пленок на разрыв и увеличивается время начала гелеобразования. Использование модифицированных частиц наполнителя на порядок, по сравнению с немодифицированными стеклосферами, увеличивает деформационно-прочностные характеристики композитов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Nabita M. Radiation polymerization of hydrophilic monomers for producing hydrogel used in waste treatment processing // Polym-Plast Technology and Eng. 2004. Vol. 43, N 4. P. 1157—1176.
2. Пат. 2157243 РФ, МПК7 А64 L 15/22. Гидрогелевая композиция и перевязочные средства из нее для лечения ран различной этиологии // А. Н. Пищуров, А. И. Валуев, Г. А. Сытов и др. 2000.
3. Budtova T., Suleimenov S. Physical principles of using polyelectrolyte hydrogels for purifying and enrichment technologies // J. Appl. Polym. Sci. 1995. Vol. 57, N 12. P. 1653 —1658.
4. Наполнители для полимерных композиционных материалов. Справочное пособие: Пер. с англ. М.: Химия. 1981. 116 с.
5. Вудов В. В. Влияние некоторых факторов на прочность полых стеклянных микросфер // Тугоплавкие волокна и мелкодисперсные наполнители: Науч. труды. М.: НПО „Стеклопластик", 1998. С. 25—26.
6. Казанский К. С., Дубровский С. А., Антощенко Н. В. Характеристика и структура полиэтиленоксидных гидрогелей, получаемых через макромономеры // Высокомолекулярные соединения. Сер. А. 1997. Т. 39, № 5. С. 816—824.
7. Дубровский С. А., Кузнецова В. И. Упругость и структура гидрогелей на основе полиакрилатов и крахмала // Там же. 1997. Т. 35, № 3. С. 271—275.
8. Горский В. А. Стеклосферы и фуллерены в качестве модификаторов акриловых супервлагоабсорбентов: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. СПбГТИ, 2006.
Сведения об авторах
Валерий Сергеевич Соловьев — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет ин-
формационных технологий, механики и оптики, кафедра физики и техники оптической связи; E-mail: solovievvs@gmail.ru Майя Валерьевна Успенская — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный
университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра физики и техники оптической связи; E-mail: mv_uspenskaya@mail.ru Николай Васильевич Сиротинкин — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный
технологический институт (Технический университет), кафедра химии и технологии каучука и резины
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
физики и техники оптической связи 07.12.09 г.
СПбГУ ИТМО
