Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время во всем мире все большее применение в качестве конструкционных и отделочных материалов находят многокомпонентные полимерные системы. Важнейшими областями их практического применения являются легкая промышленность, автомобиле– и авиастроение, аэрокосмическая техника, электроника, медицина и т.д. Это обусловлено тем, что современные полимерные материалы и их композиции обладают сочетанием ряда уникальных физико-химических свойств.
Исследование поверхностных свойств и установление взаимосвязей их с объемными физико-химическими свойствами полимеров имеет существенное значение как для научного обоснования процессов переработки полимеров в изделия, так и для целенаправленного, рационального получения полимерных материалов с заранее заданными свойствами. Установление подобных связей способствует дальнейшему развитию теории поверхностных явлений, а также обоснованию новых направлений физико-химического анализа.
Для решения проблем современной физики, химии и технологии полимерных материалов требуются все больше знаний о состоянии поверхности раздела различных фаз, свойства которой существенно отличаются от объемных. Межфазная энергия (МЭ) и межфазное натяжение (МН) являются основными характеристиками переходной области. Они играют важную роль в решении теоретических и практических вопросов кристаллизации, термостойкости, ползучести, пропитки и других проблем, связанных с развитием новых направлений современной техники и получении композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами. Возможности получения новых материалов с улучшенными свойствами существенно расширяются при учете поверхностных и адгезионных свойств исходных компонентов и влияния этих свойств на физико-химические и механические характеристики композиций на их основе. Поэтому проблема изучения поверхностных, адгезионных и механических свойств полимерных материалов в настоящее время является одной из наиболее важных задач физики полимеров.
Цель работы – экспериментальное исследование поверхностных свойств и механических характеристик модельных композиций на основе поливинилхлорида и бутадиенакрилонитрильных эластомеров с различным содержанием нитрильных групп в широком температурном и концентрационном интервале.
В рамках поставленной цели решались задачи:
-
Создание экспериментальных установок для измерения прочности и поверхностных характеристик полимерных композиций в широком интервале температур.
-
Исследование температурных зависимостей межфазных натяжений и работы адгезии исходных компонентов и их композиций в интервале температур, в котором не изменяются их основные объемные физико-химические свойства.
-
Изучение концентрационных зависимостей поверхностного и межфазного натяжений и работы адгезии композиций на основе ПВХ+СКН.
-
Исследование деформационно-прочностных характеристик полимерных композиций в широком температурном и концентрационном интервалах.
-
Установление взаимосвязи прочностных свойств исследуемых композиций с их поверхностными характеристиками.
Научная новизна полученных результатов
1.Впервые в условиях термодинамического равновесия определены поверхностное натяжение, межфазное натяжение и работа адгезии для бинарных смесей полимеров на основе ПВХ и СКН в широком интервале температур и концентраций.
2.Установлено, что температурные зависимости межфазного натяжения и работы адгезии изученных полимерных систем в исследованной области температур носят линейный характер. Определены соответствующие значения констант (s273 и ds/dТ) для каждой полимерной композиции.
3.Выявлено, что характер изотерм поверхностного натяжения и работы адгезии в смесях полимеров ПВХ+СКН зависит от числа нитрильных групп в СКН: с увеличением их числа ярче проявляются экстремумы на изотермах. Для заданной концентрации ПВХ+СКН поверхностное натяжение снижается с увеличением числа нитрильных групп в СКН.
4.Исследованы температурные зависимости разрывного напряжения и концентрационные зависимости деформации в смесях ПВХ с СКН при различных соотношениях компонентов и режимах приготовления композиций.
5.Построены диаграммы «деформация–напряжение» для исследованных композиций при различных температурах, соотношениях компонентов и режимах приготовления композиций.
6.Установлена взаимосвязь между поверхностными свойствами изученных композиций и их прочностными характеристиками.
7.На основе молекулярно-кинетической теории предложено соотношение для оценки толщины диффузионного слоя в бинарных полимерных композициях.
Практическая ценность результатов
Данные, полученные для модельных смесей ПВХ и СКН с различным содержанием нитрильных групп, могут быть использованы при изучении других бинарных полимерных композиций. Полученные значения поверхностного натяжения, работы адгезии и прочности изученных полимеров и их композиций рекомендованы как справочные Центральной заводской лаборатории комбината «Искож».
Отработана методика экспериментальных исследований поверхностных свойств полимеров, учитывающая особенности работы с этим классом веществ, которая может быть использована в научно-исследовательских лабораториях и центрах.
Разработанные методика и установки по определению поверхностных и деформационно-прочностных характеристик полимеров используются при проведении практических и лабораторных занятий по изучению свойств полимеров на физическом факультете КБГУ.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Выявленная зависимость экстремумов на изотермах межфазного натяжения и работы адгезии от числа нитрильных групп в смесях полимеров ПВХ+СКН: чем больше число нитрильных групп, тем ярче проявляется экстремум на изотермах.
-
В формировании объемных физико-химических свойств изученных полимерных композиций важную роль играют процессы, протекающие на межфазных границах. Корреляция экстремумов на изотермах межфазного натяжения и работы адгезии с максимумами межфазной энтропии свидетельствует о протекании в переходных слоях процессов упорядочения.
-
Повышение степени полярности компонентов полимерной композиции приводит к снижению межфазной энергии и увеличению работы адгезии, а следовательно, прочности композиции.
-
Определяющую роль в формировании прочностных свойств полимерных композиций играют процессы, протекающие в переходных слоях, на что указывают экспериментально установленные зависимости прочности и межфазного натяжения от концентрации компонентов и числа нитрильных групп.
-
Выведенное на основе молекулярно-кинетической теории соотношение для оценки толщины диффузионного слоя в бинарных полимерных композициях.
Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались на конференциях различных уровней: на Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых и аспирантов «Перспектива–2001», «Перспектива–2006» и «Перспектива–2007», (ЭНУБ КБГУ, п.Эльбрус), на Всероссийской научной конференции аспирантов и молодых ученых, (Самара, 2000 г.), на Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003 г.), на III Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры-2004» (Москва, МГУ, 2004 г.), на IV Международной научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы (Нальчик, КБГУ, 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них две - в рекомендуемых ВАК журналах.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков и 7 таблиц. Список литературы включает 186 наименований. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы.
