Введение к работе
Актуальность работы.
Увеличение долговечности изделий из эластомерных композиций существенно зависит от эффективности подавления процессов их старения, что в условиях ограниченного ассортимента ингибиторов старения возможно лишь при поиске новых подходов.
В этом аспекте большой теоретический и прикладной интерес представляют работы по физико-химической модификации азотсодержащих ингибиторов озонного и теплового старения шинных резин, осуществляемой с целью повышения эффективности их действия в эластомерных композициях. Структурно-химические изменения, происходящие при физико-химической модификации азотсодержащих ингибиторов в бинарных системах, приводят к образованию молекулярных комплексов, проявляющих высокую эффективность по функциональному назначению.
Интенсивные исследования в области старения и стабилизации полимеров были проведены многочисленными учеными и отражены в монографиях и обзорных статьях Эмануэля Н. М., Денисова Е. Т., Разумовского С. Д., Неймана М. Б., Шляпникова Ю. А., Бучаченко А. Л. и др. В этих работах подробно рассмотрен классический механизм ингибирования радикальных процессов старения, но практически не затронуты вопросы модификации ингибиторов. В то же время, именно физико-химическая модификация приводит к образованию молекулярных комплексов, обладающих значительно большей эффективностью по сравнению с исходными ингибиторами.
Несмотря на определенные достижения в исследовании механизмов реакций при комплексообразовании, работы, посвященные выявлению характера взаимодействия молекул ингибиторов старения при образовании молекулярных комплексов, практически отсутствуют. Большое значение имеет установление взаимосвязи между физическими и химическими явлениями, протекающими при физико-химической модификации бинарных систем ингибиторов в различных фазовых состояниях, и влияние этих явлений на основные свойства получаемых молекулярных комплексов.
На основании вышеизложенного, представляется актуальным выявление характера межмолекулярного взаимодействия в бинарных системах азотсодержащих ингибиторов озонного и теплового старения резин.
Успешное проведение исследований взаимодействия азотсодержащих ингибиторов с образованием молекулярных комплексов зависит от правильного выбора исходных соединений с выявлением закономерностей их взаимодействия. Отметим, что эти закономерности могут быть приемлемы и для соединений других классов. Таким образом формируется физико-химическая основа синтеза комплексных ингибиторов радикальных реакций.
Настоящая работа проведена в рамках ориентированного фундаментального исследования, направленного на увеличение срока службы автомобильных шин. Одним из путей решения этой задачи является исследование взаимодействий между широко применяемыми в промышленности азотсодержа-
щими ингибиторами озонного и теплового старения шинных резин N-изопро-пил-М'-фенил-и-фенилендиамина (ИФФД) и МДЧ'-дифенил-и-фенилендиа-мина (ДФФД). Молекулы этих соединений содержат аминные, ароматические и алкильные группы, способные взаимодействовать с образованием различных типов водородных связей и л-л-стэкинг эффекта. Также значительный интерес представляет взаимодействие ИФФД со стеаратом цинка. Эти взаимодействия приводят к получению молекулярных комплексов, проявляющих более высокую эффективность, чем исходный ИФФД, в качестве ингибиторов озонного и теплового старения в шинных резинах.
Это определяет актуальность настоящего исследования.
Цель работы.
Разработка физико-химических основ влияния комплексных ингибиторов на ослабление старения шинных резин.
В работе решаются следующие основные задачи:
создание модели, описывающей физико-химические основы получения и применения комплексных ингибиторов озонного и теплового старения шинных резин, позволяющей оптимизировать разработку новых высокоэффективных соединений;
установление преобладающего механизма расходования ингибитора старения с целью выявления путей повышения эффективности ингибирова-ния;
квантовохимическое моделирование пространственной структуры и электронного строения молекул ИФФД и ДФФД и расчет их термодинамических свойств с целью прогноза активных центров, способных к межмолекулярным взаимодействиям;
моделирование физико-химическими методами NH...N-, NH...7T- и СН...л>взаимодействий между ИФФД и ДФФД с целью выявления образования молекулярных л-комплексов в их бинарных системах в газовой, жидкой и твердой фазах;
моделирование взаимодействия ИФФД и стеарата цинка с целью выявления возможности образования о-комплексов на их основе;
установление закономерностей образования молекулярных комплексов с целью выявления возможности формирования дефектных молекулярных кристаллов, обладающих улучшенной диспергируемостью;
исследование диффузии ингибиторов старения и молекулярных комплексов на их основе в шинных резинах и в модельных образцах с целью установления закономерностей процесса диффузии ингибиторов в резине;
исследование фотохимических превращений молекул ИФФД и ДФФД под действием УФ-лучей и климатических факторов с целью идентификации образующихся нитрозоаминов и нитросоединений.
Методы исследования.
Решение поставленных задач осуществлялось с применением современных физико-химических методов исследования, таких как квантовохимическое моделирование; ИК-Фурье-спектроскопия; электронная спектроскопия; порошковая дифракция; рентгеноструктурный анализ; метод фазовых диа-
грамм; дифференциальная сканирующая калориметрия; микрофотография; методы теории массопереноса в гетерогенных средах; гравиметрический метод; жидкостная хроматография; масс-спектрометрия; физико-механические испытания.
Научная новизна.
Разработаны физико-химические основы ослабления старения шинных резин при использовании комплексных ингибиторов, в том числе:
предложена модель, описывающая физико-химические основы получения и применения комплексных ингибиторов озонного и теплового старения резин, которая может быть заложена в основу разработки новых экологически безопасных комплексных стабилизаторов;
показано, что в процессах ингибирования озонного и теплового старения шинных резин преобладающим механизмом расходования ингибитора является его одномерная диффузия из резины;
установлен характер взаимодействия молекул и взаимосвязь между физическими и химическими явлениями, протекающими при физико-химической модификации азотсодержащих ингибиторов старения эласто-мерных композиций в бинарных системах в различных фазовых состояниях с выявлением закономерностей образования молекулярных комплексов и проявления ими высокой эффективности по функциональному назначению;
на основе квантовохимического моделирования установлены пространственная структура, электронное строение, частотные и термодинамические характеристики молекул аминсодержащих ингибиторов старения эла-стомерных композиций, их радикалов и бирадикалов, что позволяет углубить и расширить представления о реакциях с их участием;
установлены образование NH...N- и NH...tt-связєй, СН...л> и л-л-взаимодействия между молекулами ИФФД, ДФФД и в их бинарной смеси. Показано существенное влияние межмолекулярных взаимодействий на комплексообразование, а также формирование кристаллической структуры ингибиторов. Методом PC А установлена кристаллическая структура ИФФД и ДФФД с участием этих взаимодействий. Показано, что и в ИФФД, и в ДФФД формируются кристаллы триклинной сингонии, что облегчает образование твердых растворов замещения в бинарных системах этих веществ;
осуществлена физико-химическая модификация ИФФД и ДФФД в бинарных расплавах с образованием твердых растворов замещения. Выявлены фазовые превращения бинарных систем с проявлением эффекта внутрикри-сталлической ликвации;
установлено образование молекулярных о-комплексов при взаимодействии ИФФД и стеарата цинка. Проведено экспериментальное определение и квантовохимический расчет параметров строения и пространственной структуры молекулярных комплексов. На основе результатов исследований фазовых превращений и экспериментального определения термодинамических характеристик молекулярных комплексов выявлено, что они обладают улучшенным диспергированием в эластомерных композициях;
выявлены закономерности диффузии ингибиторов и молекулярных комплексов на их основе в резине, получено соответствующее решение, адекватно описывающее экспериментальные данные. Гравиметрическим методом определена скорость миграции ингибиторов старения из модельных образцов резин на основе неполярных каучуков;
разработана методика исследования продуктов фотохимического превращения ингибиторов после их попадания в окружающую среду. Установлено, что в продуктах фотохимических превращений молекул ингибиторов старения и их бинарных смесей содержатся карбазолы, высокотоксичные нитрозоамины, нитросоединения и свободные радикалы.
Практическая значимость.
В результате применения комплексных ингибиторов старения согласно предложенной модели, установлено, что их миграция из резин замедляется в несколько раз. При этом озоностойкость шинных резин повышается на 8-12%, сопротивление тепловому старению на 22-37%. Это приводит к возрастанию их срока службы и улучшению некоторых эксплуатационных характеристик.
Важным аспектом применения таких ингибиторов является повышение экологической безопасности процессов производства и эксплуатации изделий из эластомерных композиций. В перспективе они могут представлять интерес в рамках развития программы по созданию «зеленой шины». Предложенная модель позволяет интенсифицировать разработку новых высокоэффективных ингибиторов старения. Результаты работы могут быть использованы в научно-исследовательских организациях, занимающихся разработкой и проектированием шинных изделий, а также на производстве.
На защиту выносятся:
модель получения и применения комплексных ингибиторов озонного и теплового старения шинных резин;
результаты квантовохимического моделирования молекул ИФФД и ДФФД в исходном состоянии и в состояниях свободных радикалов, синглет-ных и триплетных бирадикалов;
квантовохимический прогноз образования в ИФФД, ДФФД и их бинарных системах межмолекулярных NH...N- и №ї...л-связей, а также СН...7Г- и л-л-взаимодействий, оказывающих существенное влияние на формирование кристаллической структуры ингибиторов;
физико-химическая модификация ИФФД и ДФФД в бинарных расплавах с получением л-комплексов;
результаты ИК-Фурье-спектроскопических исследований ингибиторов, свидетельствующие об образовании водородных связей различных типов в бинарных системах ИФФД и ДФФД;
результаты рентгеноструктурного анализа монокристаллов ИФФД и ДФФД, их значимость для прогноза образования твердых растворов замещения и корреляция с результатами квантовохимического моделирования;
результаты исследований л-л-взаимодействия молекул ИФФД, ДФФД и их бинарных систем;
- моделирование и прогноз образования о-комплексов с участием
ИФФД и стеарата цинка по данным квантовохимических расчетов;
- определение оптимальных температурных условий получения
о-комплексов на основе ИФФД и стеарата цинка с применением метода ДОС;
результаты исследования диффузии молекул ингибиторов и молекулярных комплексов в шинных резинах, разработка математической модели, адекватно описывающей процесс диффузии;
результаты исследования фотохимических превращений ингибиторов старения под действием климатических факторов;
результаты расширенных физико-механических испытаний опытных шинных резин, подтверждающие проявление л- и о-комплексами высокой эффективности по функциональному назначению.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах:
- отчетные научно-технические конференции КГТУ (Казань, 1996-2010);
- IV конференция по интенсификации нефтехимических процессов
«Нефтехимия-96» (Нижнекамск, 1996);
IV Российская научно-практическая конференция резинщиков «Сырье и материалы для резиновой промышленности: настоящее и будущее» (Москва, 1997);
Девятая международная конференция молодых ученых «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений» (Казань, 1998);
V юбилейная Российская научно-практическая конференция резинщиков «Сырье и материалы для резиновой промышленности: настоящее и будущее» (Москва, 1998);
Всероссийская школа-конференция по квантовой и вычислительной химии им. В. А. Фока (Великий Новгород, 1998);
V Международная конференция по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия-99» (Нижнекамск, 1999);
Вторая Всероссийская школа-конференция по квантовой и вычислительной химии им. В. А. Фока (Великий Новгород, 2000);
Третья Всероссийская школа-конференция по квантовой и вычислительной химии им. В. А. Фока совместно со II Симпозиумом по применению компьютера в химических исследованиях (Великий Новгород-Москва, 2001);
IX научно-практическая конференция «Резиновая промышленность: сырье, материалы, технология» (Москва, 2002);
XVII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Казань, 2003);
Девятая конференция по квантовой и вычислительной химии им. В. А. Фока совместно со II Симпозиумом по теоретической химии им. Ганса Хеллмана (Великий Новгород, 2005);
- Десятая конференция по квантовой и вычислительной химии им. В. А.
Фока (Казань, 2006);
- Международная научно-техническая и методическая конференция
«Современные проблемы специальной технической химии» (Казань, 2006);
XVIII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Москва, 2007);
Всероссийская научно-техническая конференция «Приоритетные направления развития науки и технологий» (Тула, 2007);
Международная юбилейная научно-практическая конференция «Передовые технологии и перспективы развития ОАО "Казаньоргсинтез"» (Казань, 2008);
Двенадцатая конференция по квантовой и вычислительной химии им. В. А. Фока (Казань, 2009).
Публикации.
Основное содержание диссертации отражено в 22 научных работах, опубликованных в следующих журналах, рекомендованных ВАК для представления результатов работ на соискание ученой степени доктора химических наук: «Журнал физической химии», «Известия Академии наук. Серия химическая», «Известия вузов. Химия и химическая технология», «Журнал структурной химии», «Каучук и резина», «Экология и промышленность России», «Вестник КГТУ», в том числе получен один патент.
Часть работы выполнялась в соответствии с Федеральной целевой научно-технической программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки, техники и технологии» на 2002-2006 гг.
Личный вклад автора.
Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследований, выборе объектов и методов исследований, непосредственном участии в проведении основных экспериментов, систематизации и интерпретации полученных результатов, формулировании научных положений и выводов. Вклад автора является решающим во всех разделах работы. Соавторы не возражают против использования результатов исследования в материалах диссертации.
Автор благодарен проф. Кузнецову А. М. за полезные консультации на начальном этапе выполнения работы, а также А. Г. Шамову за ценные рекомендации по содержанию диссертации.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка, включающего 422 наименования, и приложения. Работа изложена на 291 листах машинописного текста, содержит 54 рисунка, 36 таблиц.
