Введение к работе
Актуальность работы. Все широко используемые синтетические волокна и нити на основе высокомолекулярных соединений являются диэлектриками и способны к накоплению статического электрического заряда. Устранение статической электризации при производстве и эксплуатации текстильных материалов является актуальной проблемой производств текстильной и лёгкой промышленности. Одним из способов решения этой проблемы является повышение скорости стекания электрических зарядов, для чего к полимерным волокнам добавляют вещества, снижающие их поверхностное и объемное электрические сопротивления. К таким добавкам относятся поверхностно-активные вещества, электропроводящие покрытия и наполнители.
Среди электропроводящих наполнителей наиболее предпочтительными являются углеродные материалы. Многие из них (технический углерод, графит и углеродные волокна) давно известны и применяются в качестве электропроводящих наполнителей для полимерной матрицы - основы синтетических волокон. Однако за последнее время появился ряд новых углеродных наноматериалов (фуллерены, нанотрубки, нановолокна и др.), обладающих уникальными свойствами. Применение таких наполнителей в композиционных волокнистых материалах может способствовать получению текстильных материалов с недостижимыми ранее свойствами. Крайне важным представляется изучение взаимосвязи структуры и физико-механических свойств полимерных композиционных материалов с углеродными наполнителями, изменение этих свойств в процессе ориентационной вытяжки волокон и нитей на их основе, так как данный вопрос до сих пор остается малоизученным.
Цель работы состоит в изучении, установлении взаимосвязи и разработке методик оценки физико-механических свойств и структуры ориентированных и неориентированных полипропиленовых пленочных нитей с углеродными наполнителями, оценке возможности использования этих материалов как антистатических.
Основные задачи работы:
Получение модельного ряда образцов полипропиленовых (ПП) пленочных нитей с различными степенями ориентационной вытяжки (X) и различным содержанием электропроводящих наполнителей (К): технического углерода (ТУ), углеродных нановолокон (УНВ) и многостенных нанотрубок (МСНТ);
Установление влияния степени вытяжки, типа и концентрации наполнителей на электропроводность полипропиленовых плёночных нитей;
Изучение и сравнительный анализ деформационно-прочностных и релаксационных свойств композиционных нитей, отличающихся типами и содержанием углеродных наполнителей и степенями ориентационной вытяжки;
Разработка методик прогнозирования процесса релаксации напряжений в ориентированных и неориентированных полипропиленовых пленочных нитях,
.j
содержащих различные углеродные наполнители;
Установление взаимосвязи физико-механических характеристик со структурными особенностями наполненных ПП пленочных нитей, разработка структурных моделей;
Изучение изменений структуры и проводящих свойств композиционного материала полипропилен - технический углерод в зависимости от скорости охлаждения материала из расплава.
Научная новизна работы:
Выявлены закономерности изменения электропроводящих, деформационно-прочностных и релаксационных свойств ПП пленочных нитей в зависимости от концентрации, типа наполнителя (ТУ, УНВ и МСНТ) и степени ориентационной вытяжки;
Разработаны структурные модели ПП нитей с различными содержаниями трех углеродных наполнителей и степенями вытяжки, основанные на установленной взаимосвязи физико-механических свойств композиционных пленочных нитей с их структурными особенностями;
Показано, что выявленные различия физико-механических свойств наполненных ПП нитей связаны в основном с размерами и формой вводимых углеродных частиц, что объясняет более высокие характеристики свойств ПП нитей, наполненных многостенными нанотрубками;
Установлено, что ориентационная вытяжка снижает электропроводность композиционных нитей, что может быть вызвано удалением наночастиц и разрывом проводящих цепочек в направлении вытяжки и невозможностью образования новых проводящих контуров при сближении углеродных частиц в перпендикулярной плоскости из-за прослоек полимерной матрицы;
Выявлен линейный характер вязкоупругости в исследуемых наполненных нитях.
Практическая значимость работы:
Определён интервал критических концентраций (Ккр), соответствующий порогу протекания электрического тока, для ПП нитей с различным типом наполнителя: Ккр=20-30% при использовании ТУ, Ккр=5-10% (УНВ), Ккр=3-6% (МСНТ);
Показано, что на основе полипропилена, наполненного ТУ, УНВ или МСНТ возможно создание композиционных пленочных нитей, обладающих антистатическими свойствами и приемлемым уровнем деформационно-прочностных характеристик;
Разработана методика прогнозирования релаксационных процессов в композиционных пленочных нитях из ПП, наполненного ТУ, УНВ или МСНТ, основанная на выявленной линейности вязкоупругих свойств этих материалов;
Показана возможность регулирования тепло- и электропроводящих свойств композиционного материала полипропилен - технический углерод путем
варьирования скорости охлаждения материала из расплава; - Полученные в работе результаты использованы на ряде предприятий, производящих текстильные материалы.
Достоверность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом выборок, согласованностью теоретических и экспериментальных исследований, выполненных с применением современных методов исследования и статистической обработки данных, а также широким апробированием результатов работы.
Апробация результатов работы. Результаты работы доложены на всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль - 2007) (г. Москва, 2007 г.); на межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск - 2008) (г. Иваново, 2008 г.); на международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2008) (г. Иваново, 2008 г.); на международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль - 2009) (г. Москва, 2009 г.); на научных семинарах лаборатории механики ориентированных полимеров СПГУТД и лаборатории механики полимеров и композиционных материалов ИВС РАН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, 3 из них в изданиях из перечня ВАК, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертационная работа включает введение, 7 глав, выводы, список использованных источников (204 наименования), 3 приложения. Работа изложена на 218 страницах, содержит 91 рисунок и 12 таблиц. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
