CC BY
88
УДК 541.64
СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ ПРЕДЕЛЬНЫМ НАБУХАНИЕМ ОБРАЗЦА ЭЛАСТОМЕРА И ЕГО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Д.И. Байдаков, А.Ф.Бенда
Эластомеры, применяемые в полиграфии, контактируют с различными растворителями. Краскопередающий слой офсетных резинотканевых полотен подвержен воздействию разнообразных смывок и увлажняющих растворов. Актуальной остается задача достоверной оценки их воздействия на эластомеры по параметрам набухания, получаемым различными методами. Используя весовой, объёмный и оптический методы, установлены соотношения между параметрами предельного набухания для сшитых эластомеров.
Ключевые слова: сшитый эластомер, растворитель, кинетика набухания, весовой метод, оптический метод, поверхностный слой.
Взаимодействие сшитых эластомеров с растворителями оценивают по кинетическим кривым их набухания в жидкостях, а также по параметрам, характеризующим способность к набуханию. К таким параметрам (показателям) относят степень предельного набухания Н и время половинного насыщения t0 5н¥ (рис. 1).
Рис. 1. Кривая кинетики набухания сшитого эластомера в растворителе: Н - предельная степень набухания; г0,5н_ - время половинного насыщения
Определение времени половинного насыщения представляет практический интерес, поскольку этот параметр связан с коэффициентом диффузии О растворителя в полимер [1]:
^0,5Н¥ 16 ' ^0,5Н¥
где 5 - толщина образца полимера.
Степень набухания можно определять различными методами: весовым, объемным и оптическим [2, 3], представленными на рис. 2.
весовой
§ _ §і § 0
н§ =
объемный
линеика
оптический
толщиномер
ну = V - V
н з = Я,-#0
§0 '0 ‘■'0 Рис. 2. Методы оценки степени набухания полимеров: весовой,
объемный и оптический
Весовой метод заключается во взвешивании, а объемный в определении объема образца до и после набухания. Весовой и объемный методы обычно связаны с обрывом набухания, что с экспериментальной точки зрения представляет неудобство. Точность данных, получаемых этими методами, сравнительно низка [4].
Сущность оптического метода заключается в получении серии цифровых микрофотографий торцевых срезов образцов полимера до их погружения в жидкость и в течение непрерывного нахождения образцов в растворителях с последующим определением изменения их линейных размеров с высокой точностью.
Относительную степень набухания И'( рассчитывают по экспериментальным результатам по соответствующим формулам, приведенным на рис. 2, где §0 , У0 и до - соответственно вес, объем и толщина исходного, а §,1 , V и - набухшего образцов.
Преимущество оптического метода оценки набухания по сравнению с весовым и объемным методами заключается в возможности определения влияния растворителей на отдельные структурные составляющие исследуемого материала и в частности на краскопередающий слой ОРТП [3].
Изучая возможности оптического метода, было установлено, что изменение веса и объема образца полимера, а также размеров его торцевого среза происходит в начальный период набухания с разной скоростью (рис. 3).
І , мин
Рис. 3. Кинетические кривые начального периода набухания образцов саженаполненнойрезины из НК, полученные оптическим (1), весовым
(2) и объемным (3) методами
Торцевой поверхностный слой образца насыщается значительно быстрее, чем весь образец. В случае установления соотношения между параметрами набухания, определяемыми весовым и оптическим методами, появляется возможность определять предельное набухание всего образца Н£ по величине Нf, получаемой за более короткое время.
Соотношения между значениями предельного набухания Н£, Н', Н<f, полученными тремя методами, были установлены на примере набухания в керосине образца саженаполненной резины из натурального каучука (НК). Значительное набухание этой резины в керосине позволило определять степени набухания с точностью, достаточной для выявления различия между методами. При условии равномерного набухания, и предполагая, что абсолютное увеличение объема набухшего образца равно объему поглощенного растворителя, можно установить соотношение между значениями насыщения, полученными весовым Н£ и объемным Н' методами [4]:
ни = н' . (2)
оо оо I /, I
Рпм
где рраст и рПМ - плотности растворителя и полимера соответственно.
В опыте по набуханию плотность исследованного саженаполненно-
3
го НК, определенная гидростатическим методом, равнялась 1,10 г/см , а плотность керосина - 0,78 г/см . Таким образом, соотношение между экспериментально определенными значениями Н£ = 120 % и Н' = 166 % (рис. 4) удовлетворяет формуле (2).
Соотношение между значениями предельного относительного набухания, определенными оптическим Н^ и объемным Н' методами, уста-
новлено из следующих соображений.
н,, %
Рис. 4. Кривые кинетики набухания в керосине саженаполненной резины из НК, полученные оптическим (1), весовым (2) и объемным (3) методами. Время набухания измерялось в минутах
Изменение объёма при предельном набухании полимера (см. рис. 2) можно определить по отношению:
V» = У
V
2
¥ ¥
(3)
где V», х» , у» , г» - объем и линейные размеры образца по осям X, Y, Ъ при предельном набухании; Vо , хо , уо , 2о - объем и линейные размеры образца по осям X, Y, Ъ до набу- хания.
Предлагается различать степени набухания ¥¥, ¥, ¥, выражаемые в виде отношений параметров 5» /§-о, V» V , 8» /8а , определенных соответственно весовым, объемным и оптическим методами, и относительные степени набухания И'¥, определяемые по формулам, представленным на рис. 2. Очевидно, что
=¥¥ -1. (4)
При равномерном набухании образца по всем трем осям справедливо равенство
х
у¥
г
(5)
*0 Уо *0
В этом случае степень изменения объема можно представить как изменение одного из линейных размеров образца, возведённое в третью степень:
У¥
V
Ґ V х„
V хо у
(6)
Учитывая соотношения (4) и (6), можно записать
н¥ =(я6„+1)3-1. (7)
Из формул (2) и (7), получено соотношение, связывающее значения предельной относительной степени набухания образца, полученные весовым, объемным и оптическим методами:
И* = Я' ■Грас^ =(нд+1)3 -1 (8)
¥ ¥ \ ¥ / . \0/
Рим Рпм
Необходимо отметить, что в формулах (4) - (8) значения относительной предельной степени набухания следует подставлять в долевых выражениях (см. рис. 2), а не в процентах.
Экспериментальное значение предельного набухания И^ сажена-полненной резины из НК в керосине, полученное оптическим методом, равно 0,40 или 40 % (рис. 4). Рассчитанное по формуле (8) при рраст = 0,78
3 3
г/см и рПМ = 1,10 г/см значение предельного набухания И¥, соответствующее весовому методу определения этой величины, равно 1,24 или 124
%, что находится в хорошем соответствии с экспериментальными данными.
Время достижения насыщения торцевого (поверхностного) слоя образца значительно меньше, чем время насыщения всего образца (1 час по сравнению с сутками). Исходя из этого, оптический метод оценки предельного набухания, определяемого по изменению линейных размеров торцевого среза образца эластомера, непрерывно находящегося в растворителе, предлагается рассматривать как экспресс-метод оценки взаимодействия полимерного материала с растворителем. Предельное набухание всего образца может быть найдено по установленным соотношениям (по изменению размеров его поверхностного слоя) без значительных затрат времени.
Большая начальная скорость набухания поверхностного слоя в первые минуты процесса, вероятно, связана с тем, что пограничный слой обладает избыточной поверхностной энергией Г иббса, ускоряющей проникание молекул растворителя в эластомер.
Дальнейшие исследования целесообразно посвятить установлению соотношения между значениями времени половинного насыщения, определяемыми при экспериментальном изучении различными методами набухания сшитых эластомеров в растворителях. Внимание этому параметру, характеризующему набухание, следует уделить, учитывая его связь с коэффициентом диффузии (1).
Список литературы
1. Полимерные гидрогели для иммобилизации лекарственных веществ, обладающие эффектом памяти / В.Н. Павлюченко [и др.]. Высоко-
молекулярные соединения, Серия А, 2011, том 53, № 4, с. 560-573: [Электронный ресурс] Режим доступа: http://144.206.159.178/ft/
7756/930304/15639367.pdf, свободный.
2. Тагер А.А. Физико-химия полимеров. М.: Научный мир, 2007.
573 с.
3. Байдаков Д.И. Набухание офсетных резинотканевых полотен. Полиграфия. 2012. № 9. С. 48-50.
4. Рабек Я. Экспериментальные методы в химии полимеров, часть 1. В 2-х частях / пер. с англ. М.: Мир, 1983. 384 с.: [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.i1.studmed.ru/rabek-ya-eksperimentalnye-metody-v-himii-poHmerov-chast- 1_87c15d981e3 .html, свободный.
Байдаков Дмитрий Иванович, канд. техн. наук, доц., [email protected]. Россия, Москва, Московский государственный университет печати им. Ивана Федорова,
Бенда Алексей Федорович, д-р хим. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Москва, Московский государственный университет печати им. Ивана Федорова
RELATIONS BETWEEN THE LIMITING OF SWELLING ELASTOMER SAMPLE
AND SURFACE LAYER
D.I. Baidakov, A.F. Benda
The rubbers used in graphic arts industry, contact to the various solvents. The top layer of offset rubber cloths is subject to influence of various solutions. Urgent there is a task of an authentic rating of their influence on rubbers on parameters of absorption received by various methods, and also mathematical description of dependence of absorption from time. Using the weight, volume and optical methods established relationship between the parameters to limit the swelling of crosslinked elastomers.
Key words: rubber, the solvent, dependence on time of absorption, weight method, optical method, the surface layer.
Baidakov Dmitri Ivanovich, candidate of technical science, docent, docent of department, [email protected], Russia, Moscow, Moscow State University Print named Ivan Fedorov,
Benda Alexey Fedorovich, doctor of chemical science, professor, manager of department, Aleksey.Benda @msup.ru. Russia, Moscow,Moscow State University Print named Ivan Fedorov
