Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время наблюдается стремительный рост производства полимерных смесей, проникновение их в самые различные области техники, успешное вытеснение ими многих традиционных материалов: металлов, керамики, стекла, древесины и ненаполненных полимеров. Использование полимерных материалов обеспечивает возможность создания принципиально новых конструкций и разнообразных видов изделий, способствует снижению их веса, улучшению качества и внешнего вида, а также эксплуатационных и транспортных расходов. Для конкретных назначений, как правило, нужны полимеры с новым комплексом свойств. При решении данной проблемы предпочтительно не освоение промышленных производств новых материалов, а поиск оптимальных комбинаций имеющихся крупнотоннажных полимеров.
Актуальной задачей является проведение экспериментальных исследований, позволяющих разработать принципиально новые пути получения материалов с заданными свойствами, создание и применение в промышленности новых технологий. Смешение двух или более полимеров - простой и эффективный метод модификации полимеров, обеспечивающий возможность получения изделиий с улучшенными свойствами, значительно отличающимися от свойств компонентов смеси. Во многих случаях в результате смешения достигаются уникальные свойства полимерных композиций. Некоторые из таких материалов широко известны благодаря своей высокой ударной прочности. Например, ударопрочный полистирол получают смешением полистирола с линейным полибутадиеном или полиэтиленом.
Существует несколько способов получения смесей на основе полистирола. Наиболее известный и простой - это механическое смешение полимеров. Получаемая смесь представляет собой дисперсию одного полимера в другом. В настоящее время чаще используют метод получения привитого сополимера в растворе, когда эластомер растворяют в стироле и при перемешивании
/
проводят полимеризацию последнего. Важные, в промышленном отношении, сополимеры акрилонитрила, бутадиена и стирола (АБС-полимеры) получают эмульсионной полимеризацией. Свойства этих систем определяются их морфологией, т.е. взаимным распределением компонентов, типом, размером и формой структур, образованных одним полимером в другом.
Актуальность представленной работы определяется необходимостью решения проблемы создания смесей полимеров на основе полистирола (ПС) и полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) с высокими механическими характеристиками. Так, механические смеси ПС и ПЭНП имеют низкое значение предела прочности. Поэтому проблема улучшения низких механических свойств данных смесей ПС с ПЭНП является перспективной задачей.
При формировании полимерных смесей с требуемым комплексом свойств важную роль играют межфазные явления на границе раздела двух фаз. Для улучшения межфазного взаимодействия необходимо наличие реакционных групп на одном из полимеров, а также использование как компатибилизаторов, так и новых методов смешения, которые позволяют осуществлять химическое взаимодействие между компонентами в процессе смешения.
Для улучшения свойств смесей был выбран метод воздействия высокотемпературных сдвиговых деформаций (ВТСД), который позволяет комбинировать смешение компонентов, измельчение материала и, в некоторых случаях, химическую модификацию с образованием сополимеров на межфазной границе, происходящую вследствие механохимических реакций. Следовательно, широко варьируя условия смешения, в особенности интенсивность механического воздействия, можно контролировать степень гетерогенности полимерных смесей на различных структурных уровнях и формировать материалы со свойствами, отличными от свойств исходных компонентов. Поэтому, для создания материалов с заданными свойствами и последующего процесса их переработки, необходимо экспериментальное изучение структуры и свойств смесей во всем диапазоне составов, что позволит разработать оптимальные условия смешения.
Весьма важным аспектом при смешении полимеров являются свойства исходных компонентов. Например, один из компонентов смеси ПС-ПЭНП - полистирол имеет высокие значения модуля упругости и предела прочности, а его удлинение при разрыве составляет несколько процентов. В смесях ПЭНП и резин (резинопластах) второй компонент - сшитый каучук - имеет низкие величины модуля упругости и предела прочности и высокие величины удлинения при разрыве. Поэтому представляло интерес исследовать влияние метода ВТСД на свойства смесей ПЭНП с разными типами наполнителя.
Научная новизна работы состоит в том, что в широком диапазоне соотношений компонентов исследованы структура и свойства трех систем: ПС-ПЭНП, ПС - малеинизированного ПЭНП (мПЭНП), резинопластов на основе ПЭНП и сшитого тройного этиленпропилендиенового эластомера (СКЭПТ), полученных на двух типах оборудования.
Для гомополимера ПЭНП был подобран оптимальный режим измельчения методом ВТСД на роторном диспергаторе, сконструированном на основе одношнекового экструдера в ИХФ РАН. Оптимальный режим позволил получать смеси порошков с наибольшим количеством мелкодисперсной фракции. Найдено, что неспособный к измельчению ПС измельчается в присутствии ПЭНП и мПЭНП. При этом соотношение компонентов в смеси не изменяется по сравнению с исходным составом. Найдено, что механические свойства смеси зависят от дисперсности порошкообразного материала и температуры прессования. Впервые показано, что значение ударной вязкости смесей ПС-ПЭНП и ПС-мПЭНП, полученных методом ВТСД на роторном диспергаторе, значительно выше, чем в смесях, полученных в смесителе «Brabender». Обнаружено, что смеси ПС-мПЭНП, полученные методом ВТСД, обладают лучшими механическими свойствами, чем смеси ПС-ПЭНП.
Подобран оптимальный режим получения резинопластов методом ВТСД. Показано, что данный метод позволяет получать резинопласты со свойствами, превосходящими свойства анало-
гичных смесей, полученных в смесителе «Brabender». Установлено, что фракционный состав получаемого порошка зависит от содержания ПЭНП в композиции, но не зависит от плотности сшивки СКЭПТ. Механические свойства резинопластов определяются плотностью сшивки резинового порошка и соотношением компонентов в смеси.
Практическая значимость. Показано, что получение смесевых композиций на основе ПС на роторном диспергаторе методом ВТСД позволяет значительно повысить ударную вязкость по сравнению с другим способом смешения.
Определены оптимальные условия получения резинового порошка (РП) методом ВТСД, что может быть использовано при разработке рецептур резинопластов.
Полученные в настоящей работе результаты могут быть использованы для создания смесевых композиций с заданными эксплуатационными характеристиками, а также для прогнозирования их свойств.
Основные задачи исследования
Разработка условий получения мелкодисперсных порошковых материалов на роторном диспергаторе из полимерных смесей на основе ПЭНП.
Исследование влияния условий и методов смешения, дисперсности и морфологии полимерных смесей на основе ПЭНП на их физико-механические свойства.
Получение смесей ПС и малеинизированного ПЭНП, а также изучение их морфологии и физико-химических свойств.
Получение резинопластов на основе ПЭНП и сшитого
СКЭПТ с различной плотностью сшивки методом ВТСД. Изуче
ние физико-механических характеристик резинопластов.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на всероссийских и международных конференциях: «European Polymer Congress 2007» (Словения, 2007 г.); «Полиме-ры-2008», «Полимеры-2009» и «Полимеры-2010» отдела полимеров и композиционных материалов ИХФ РАН (Россия, 2008-2010 гг.); 13 International Conference "Polymeric materials 2008"
(Германия, 2008 г.); 9th European Symposium "Polymer Blends" (Италия, 2008 г.); Ill международная конференция по коллоидной химии и физико-химической механике (Россия, 2008 г.); международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2009» и «Ломоносов - 2010» (Россия, 2009-
2010 гг.).
Публикации по теме диссертации. Результаты исследований отражены в 14 печатных работах: из них 5 статей и 9 тезисов докладов конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, включающих литературный обзор, экспериментальную часть, основные результаты исследования и их обсуждение, заключение, выводы и список литературы, состоящий из 171 ссылки. Работа содержит 220 страниц текста, включая 101 рисунок и 27 таблиц.
Похожие диссертации на Влияние методов смешения на структуру и свойства полимерных смесей на основе полиэтилена низкой плотности
