Введение к работе
Актуальность работы. Проблема усиления адгезионных свойств полимерных композиционных материалов различного назначения решается в настоящее время главным образом путем оптимизации рецептурно-технологических факторов. Между тем, согласно современным научным представлениям, важнейшую роль в формировании адгезионных соединений в рамках адсорбционной теории адгезии играют межфазные кислотно-основные взаимодействия.
Методология исследования кислотно-основных взаимодействий применительно к поверхностным слоям основывается на изучении явлений смачивания тестовыми жидкостями и определении поверхностных энергетических и кислотно-основных свойств (термодинамическая работа адгезии, свободная поверхностная энергия, ее дисперсионная, кислотно-основная составляющие и параметр кислотности, рассчитываемые методами Э.Бергер или ван Осса-Чодери-Гуда). В рамках адсорбционной теории адгезии, анализирующей межфазные взаимодействия на границе адгезив – субстрат, считается, что максимальная адгезия достигается, когда один из соединяемых материалов обладает кислотными (по Льюису) свойствами, а другой – основными.
В литературе имеются экспериментальные данные по оценке термодинамических и кислотно-основных свойств некоторых полимерных поверхностей, однако для большинства полимеров и композиционных материалов такие данные отсутствуют. Учет поверхностной энергетики, кислотности и основности большинства полимеров и материалов на их основе с целью улучшения их адгезионной способности систематически не проводится.
Поэтому корректная оценка вышеуказанных свойств широко используемых полимеров и композиционных материалов, а также применение полученных данных для прогноза функциональных характеристик полимерных адгезивов, представляет существенный практический интерес, так как способствует выработке научно-обоснованных рекомендаций к подбору компонентов соединений адгезив – субстрат.
В связи с вышесказанным цель настоящего исследования: Оценить поверхностные и кислотно-основные свойства полимеров, полимерных композитов различной природы, металлов и выявить закономерности их связи с адгезионной способностью в металл-полимерных системах в рамках адсорбционной теории адгезии.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
определение поверхностных термодинамических характеристик (термодинамическая работа адгезии, свободная поверхностная энергия (СПЭ) и ее составляющие, параметр кислотности) изучаемых объектов;
обоснование выбора характеристики кислотно-основных свойств поверхности, максимально отражающей состояние и изменение природы поверхности в целях прогнозирования и оценки ее адгезионной способности в контакте с субстратом;
выявление взаимосвязи адгезионной способности полимерных адгезивов и их кислотно-основных характеристик в рамках модели Э.Бергер;
анализ особенностей проявления поверхностных кислотно-основных свойств и взаимодействий в различных адгезионных системах.
Научная новизна. Оценены поверхностные энергетические характеристики и параметры кислотности более восьмидесяти полимерных объектов: карбоцепных и гетероцепных полимеров, сополимеров и их смесей, а также композиций различного состава, используемых в адгезионных соединениях.
Для ряда систем: модифицированный каучук – сталь, модифицированная резина – латунь и смеси сополимеров этилена – сталь обнаружено возрастание адгезионного взаимодействия по мере увеличения приведенного параметра кислотности.
Практическая ценность работы. Получены экспериментальные данные по термодинамическим и кислотно-основным свойствам более восьмидесяти органических и неорганических поверхностей, имеющих широкое практическое применение. Данные результаты могут быть использованы как справочный материал при прогнозировании адгезионной способности различных систем покрытий.
Проведено усовершенствование методики измерений краевых углов смачивания. Для каждой из тестовых жидкостей выявлены временные интервалы для корректных измерений углов смачивания исследуемых поверхностей. Показано, что шероховатость металлических субстратов классов чистоты 7-10 не влияет на величины контактных углов и термодинамические характеристики поверхности.
Предложены оптимизированные рецептуры адгезионных композиций, которые успешно прошли лабораторные испытания на ООО «Новатэк-полимер» (г.Новокуйбышевск), ООО «Тургай» (г. Казань).
На защиту выносятся следующие положения:
1. Результаты оценки поверхностно-энергетических и кислотно-основных свойств полимерных поверхностей посредством параметра кислотности в рамках модели Э.Бергер и обоснование выбора данного параметра в качестве характеристики отклика системы на модификацию (физико-химические воздействия, изменение состава).
2. Совокупность экспериментальных данных по термодинамическим и кислотно-основным свойствам поверхностей широкого ряда используемых в промышленности полимеров и металлов.
3. Совокупность экспериментальных данных по кислотно-основным свойствам поверхностей модифицированных полимерных композиционных материалов различной природы.
4. Данные по связи адгезионной способности композиционных материалов и приведенного параметра кислотности.
Апробация работы. Результаты работы доложены на конференции «Нефтехимия 2005» (г.Нижнекамск, 2005), Всероссийских конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» (Йошкар-Ола, 2004 - 2008 гг.), «Физико-химия процессов переработки полимеров» (Иваново, 2006), научных сессиях КГТУ (2004-2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в виде статей 9, (в том числе из списка, рекомендованного ВАК - 4), и тезисов докладов - 2.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав (обзор литературы, экспериментальная часть, обсуждение результатов), выводов и приложения; работа изложена на 152 стр., содержит 27 рисунков, 23 таблиц и библиографию из 219 ссылок. Автор выражает благодарность к.т.н., доценту И.А. Старостиной за участие в руководстве диссертационной работы и д.х.н., проф. Е.С.Нефедьева за участие в обсуждении результатов.
