CC BY
103
УДК 678.07.074
ВЛИЯНИЕ ВОЛОКНИСТЫХ И ЖЕСТКИХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ
Л.М. Труфакина
Институт химии нефти СО РАН, г. Томск E-mail: lmt@ipc.tsc.ru
Показано влияние волокнистых и жестких зернистых наполнителей на реологические и поверхностные свойства полимерных композиций на основе поливинилового спирта и карбоксиметилцеллюлозы. Установлено влияние концентрации исходных растворов полимеров и времени комплексообразования на свойства полимерных комплексов при введении наполнителей различной природы.
Введение
В промышленной переработке полимеров значительное место занимают изделия, полученные из полимерных композиционных материалов (ПКМ), содержащие твердые дисперсные наполнители [1]. Наполненные полимерные композиции представляют собой гетерогенные системы, свойства которых зависят от свойств исходных компонентов. Введение наполнителей в полимеры предполагает изменение механических, реологических и других свойств композиций [2, 3]. Максимальный эффект достигается при хорошей адгезии полимера к наполнителю [4]. Введение наполнителей обычно снижает разрушающее напряжение полимеров при растяжении, но увеличивает при сжатии.
В данной работе рассматривается влияние наполнителей в процессе комплексообразования на реологические (динамическая вязкость, прочность, модуль упругости) и поверхностные свойства (адгезионная прочность) полимерных композиций (ПК) на основе поливинилового спирта (ПВС) и карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ).
В качестве жесткого зернистого наполнителя использован кварцевый песок (КП) со средним диаметром частиц 0,1 мм и полимерные волокна по-лиэтилентерефталата (ПЭТФ) и полипропилена (ПП), диаметр волокон 0,05...0,1 мм и длина 100 мм. Основным достоинством волокнистых композиционных материалов является их прочность и жесткость, известно [2], что они снижают газо- и паропроницаемость. Жесткие зернистые наполнители при наличии прочной адгезионной связи увеличивают модуль упругости композиций, при этом резко уменьшается относительное удлинение при разрыве. Кроме того, они могут вызвать абразивный износ, что в некоторых случаях является положительным явлением, например, для удаления отложений различного вида со стенок оборудования.
Экспериментальная часть
Полимерные композиции получены смешением водных растворов полимеров, концентраций С=4...8 мас. %, которые близки к критическим концентрациям обоих полимеров [5].
Динамическую вязкость растворов полимеров измеряли на реовискозиметре «Реотест-2» устрой-
ство «цилиндр-цилиндр». Все измерения проводились при температуре 20 °С, характеристика растворов приведена в табл. 1 (погрешность измерений 0,5...1,0 %).
Таблица 1. Значения динамической вязкости п и напряжения сдвига т водных растворов КМЦ и ПВС
C, мас. % nкмц, Па.с Ппвс, Па.с
4 0,175 28,45 0,14 22,76
5 0,561 91,04 0,21 34,14
6 0,597 96,73 0,31 51,21
7 0,667 108,1 0,42 68,28
8 0,772 125,1 0,56 91,04
Для оценки влияния наполнителей различного происхождения на полимерные композиции проведено измерение динамической вязкости на устройстве «конус-пластина», рис. 1. Концентрация исходных растворов полимеров 5 мас. %.
12 т
Рис. 1. Зависимость динамической вязкости полимерных композиций от времени комплексообразования: 1) без наполнителя, с наполнителями; 2) ПП; 3) ПЭТФ; 4) КП
Модуль упругости (О) является мерой устойчивости материала к деформированию под воздействием внешней нагрузки. Метод пенетрации шарообразного индентора, т. е. измерение глубины его внедрения под нагрузкой в упругие тела, фактически дает значение модуля, как описано в работах [2, 6, 7]. Радиус индентора Я=7 мм. Образцы имели форму цилиндра диаметром Б=40 мм и высотой Я=40 мм. Расчет модуля упругости проводили по формуле:
G=3F/16Н3/2Я1/2, где /- сила, действующая на индентор, Н - глубина внедрения индентора радиуса Я в плоскую поверхность образца.
Технические науки
5
I, сут
Рис. 2. Зависимость модуля упругости полимерных композиций от времени комплексообразования, концентрация исходных растворов полимеров 5 %: 1) без наполнителя, с наполнителями; 2) ПП; 3) ПЭТФ; 4) КП
Из рис. 1 и 2 следует, что комплексообразование полимерной смеси и смесей с наполнителями протекает с увеличением динамической вязкости и модуля упругости с течением времени, причем начальная динамическая вязкость наполненных смесей выше, чем не наполненной, (содержание наполнителей составляет 10 мас. % во всех образцах) т. е. введение наполнителей увеличивает первоначальную динамическую вязкость и модуль упругости в полимерных композициях.
Упруговязкостные и прочностные свойства полимерных комплексов определяют характер деформационных процессов и процессов разрушения, протекающих в них. Технологические свойства полимерных комплексов характеризуются их механическими свойствами - способностью к обратимым или остаточным деформациям или способностью сопротивляться деформированию и разрушению под воздействием внешних сил. Оценку прочности полимерных композиций проводили из зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига, т. е. измерением сдвигающего напряжения при увеличении и уменьшении скорости сдвига, получены петли гистерезиса для не наполненной полимерной композиции и наполненной кварцевым песком, что свидетельствует о тиксотропности полученных структур. Результаты исследований приведены на рис. 3. Наполненная песком композиция имеет большую площадь петли гистерезиса, что свидетельствует о более прочной структуре наполненной композиции [8].
При формировании полимерных комплексов в контакт с поверхностью субстрата (твердая поверхность) вступает высоковязкая масса (адгезив). Поэтому важное значение приобретают вязкоупругие характеристики полимерных комплексов и условия их формирования [9, 10]. Значительное внимание уделяется реологическим процессам, происходящим в полимерном теле [11]. Оценку адгезионной прочности проводили по величине работы отрыва металлической пластинки Ст.3 от поверхности полимерного комплекса под воздействием внешней силы, при нормальной силе отрыва /отр, когда а=90° Ж /Б
'' отр отр/ ^
где Б - площадь контакта адгезива с субстратом.
200
400 600 800
У. с
У. с
800
-1
Рис. 3. Зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига для: а) не наполненной полимерной композиции и б) наполненной кварцевым песком. Исходная концентрация полимеров 5 мас. %
сут
б
Рис. 4. Зависимость адгезионной прочности полимерныэх комплексов от времени комплексообразования: а) без наполнителя и б) наполненных полипропиленовым волокном
Для выяснения закономерностей формирования поверхности полимерных комплексов с изменяющимися структурно-механическими свойствами, изучено влияние концентрации исходных растворов полимеров и времени комплексообразования. Ход кри-
а
б
а
вых, рис. 4, показывает, что на поверхностные свойства полимерных комплексов оказывает влияние как концентрация исходных растворов полимеров, так и время комплексообразования. Время выхода на плато соответствует завершению формирования поверхности полимерного тела, причем на границе раздела фаз процесс образования комплексов происходит быстрее. Увеличение концентрации исходных растворов до 7...8 мас. % приводит к значительному увеличению динамической вязкости и более быстрому формированию поверхностного слоя за счет образования надмолекулярных структур, препятствующих более прочному контакту с субстратом [11]. На рис. 4, б, показано влияние наполнителя в виде полипропиленового волокна на адгезионную прочность, введение наполнителя в полимерный комплекс ведет к ее уменьшению, наиболее значительному для концентраций исходных полимеров 7...8 мас. %.
В табл. 2 приведены изменения начальных значений динамической вязкости, модуля упругости и работы адгезии наполненных полимерных композиций по сравнению с ПК без наполнителя.
Таблица 2. Начальные значения динамической вязкости, модуля упругости и адгезионной прочности полимерных комплексов
ПК П, Па.с G, Па W, Н/м2
ПК без наполнителя 0,57 80 49
ПК+КП 1,98 250 38
ПК+ПП 0,9 95 46
ПК+ПЭТФ 1,64 115 44
Таким образом, показано, что полимерные композиции на основе поливинилового спирта и кар-боксиметилцеллюлозы, наполненные жестким зернистым наполнителем - кварцевым песком и полимерными волокнами в виде полипропилена и полиэтилентерефталата, обладают большей динамической вязкостью, модулем упругости, прочностью и меньшей адгезионной прочностью по сравнению с не наполненными композициями. Полученные данные свидетельствуют об улучшении технических характеристик наполненных полимерных композиций.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Симонов-Емельянов И.Д. Принципы создания и переработки полимерных композиционных материалов // Пластические массы. - 2005. - № 1. - С. 11-15.
2. Нильсен Л. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. - М.: Химия, 1978. - 262 с.
3. Кабанов В.А. Влияние природы наполнителей на свойства полимер-полимерных гелей // Успехи химии. - 1991. - Т. 160. -№ 3. - С. 595-598.
4. Симонов-Емельянов И.Д., Кулезнев В.Н., Трофимычева Л.З. Обобщенные параметры дисперсной структуры наполненных полимеров // Пластические массы. - 1989. - № 1. - С. 19-22.
5. Труфакина Л.М., Кудешова Е.Г. Реологические свойства смесей полуразбавленных и концентрированных растворов поливинилового спирта и карбоксиметилцеллюлозы // Инженерно-физический журнал. - 2003. - Т. 76. - № 3. - С. 55-58.
6. Медведева В.В., Мясникова Л.И., Семчиков Ю.Д., Роговина Л.З. Динамика координационных сеток в системе натрий-
карбоксиметилцеллюлоза - соль Cr3+ // Высокомолекулярные соединения. Сер. Б. - 1998. - Т. 40. - № 3. - С. 492-497.
7. Лопатин В.В., Аскадский А.А., Васильев В.Г., Курская Е.А. Влияние условий получения на релаксационные свойства по-лиакриамидных гелей // Высокомолекулярные соединения. Сер. А. - 2004. - Т. 46. - № 7. - С. 1217-1224.
8. Михайлов Н.В. О текучести и прочности структурированных жидкостей // Коллоидный журнал. - 1955. - Т. 42. - № 2. -С. 68-75.
9. Зимон А.Д. Адгезия пленок и покрытий. - М.: Химия, 1977. -352 с.
10. Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров. - М.: Химия, 1974. - 391 с.
11. Фельдштейн М.М. Адгезионные гидрогели: структура, свойства и применение // Высокомолекулярные соединения. Сер. А. - 2004. - Т. 46. - № 11. - С. 1905-1936.
