Введение к работе
Актуальность работы. Создание полимерных композиционных материалов с требуемым комплексом потребительских свойств является одной из актуальных проблем полимерной химии и технологии. Указанная проблема достаточно эффективно и в сжатые сроки может быть решена направленной модификацией композиций на основе хорошо известных и широко применяемых многотоннажных полимеров добавками различной природы.
Поливинилхлорид (ПВХ) является одним из основных базовых промышленных полимеров. На его основе получают многие тысячи жестких и пластифицированных материалов и изделий, используемых практически во всех отраслях науки, промышленности и в быту. Популярность ПВХ обусловлена его приемлемой и стабильной стоимостью, хорошими физико-механическими характеристиками и широкими возможностями переработки. Основной недостаток ПВХ - низкая стабильность к различного рода энергетическим воздействиям, что делает невозможным переработку этого полимера без стабилизирующих систем.
К настоящему времени имеется достаточно широкий ассортимент химических добавок для ПВХ композиций - пластификаторов, стабилизаторов, наполнителей, пигментов, красителей, лубрикантов и т.д. Однако все расширяющиеся области применения ПВХ композитов, растущие требования, предъявляемые к качеству изделий из них, а также современные жесткие условия безопасности ингредиентов обуславливают необходимость поиска новых универсальных, высокоэффективных, нетоксичных модификаторов.
Своевременными и весьма актуальными следует признать исследования, направленные на разработку эффективных органических стабилизаторов ПВХ, которые по своему влиянию на перерабатываемость этого полимера и сохранение им своих первоначальных качеств при эксплуатации не уступали бы широко применяемым в промышленности стабилизаторам на основе солей металлов. На наш взгляд, свойства стабилизаторов ПВХ могут проявлять так называемые мезогены - соединения, способные при определенных условиях образовывать жидкокристаллическую фазу. Молекулы мезогенов, как правило, характеризуются высокой геометрической анизотропией и содержат активные функциональные группы, что должно позволять им эффективно встраиваться в надмолекулярную структуру полимера и химически связывать низкомолекулярные продукты его деструкции.
Углеродные наноструктуры считаются на сегодняшний день перспективным модифицирующим материалом для полимеров вообще и ПВХ в частности. Углеродные нанотрубки и фуллерены способны существенно улучшить механические характеристики материала, повысить его электро- и теплопроводность, а также придать нанокомпозиту новые функциональные свойства. Однако серьезной проблемой получения нанокомпозитов остается сложность гомогенного распределения наномодификатора в объеме матрицы и обеспечение стабильной адгезионной связи с ней.
Следует отметить, что к настоящему времени не выявлено особенностей влияния углеродных наночастиц и анизотропных модификаторов на перерабатываемость и свойства ПВХ композитов. В то же время знание таких закономерностей позволило бы целенаправленно варьировать состав пластиката, совмещать в одном модификаторе несколько функций, упрощать рецептуру композиции, влиять на стоимость материала и прогнозировать его полезные качества.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 12-03-00370а «2D и 3D самосборка термотропных супрамолекулярных каламитных мезогенов») и Президиума РАН (программа № 24 «Конструирование наноразмерных структур путем 2D самосборки термотропных каламитных мезогенов»).
Цель настоящей работы заключалась в установлении особенностей влияния мезоге-нов и углеродных наночастиц на перерабатываемость композиций на основе пластифицированного ПВХ, а также в оценке технологических и эксплуатационных свойств ПВХ пленочных материалов.
Для реализации поставленной цели решались следующие конкретные задачи:
анализ исследований в области получения и свойств ПВХ композитов, модифицированных анизотропными соединениями, углеродными нанотрубками и фуллеренами;
изучение термических характеристик и спектральных свойств мезогенов, их летучести и токсичности с целью оценки возможности использования в композициях на основе ПВХ;
поиск оптимальных условий введения углеродных наночастиц в полимерную матрицу;
изучение свойств пленочных материалов на основе модифицированных ПВХ композиций и выявление особенностей влияния исследуемых добавок на их технологические и эксплуатационные характеристики.
Научная новизна работы. Проведен всесторонний анализ свойств ряда мезогенных фенилбензоатов, азо- и азоксибензолов с активными функциональными группами, который позволяет использовать их в качестве модификаторов композиций пластифицированного ПВХ.
Установлено, что мезогенные соединения не уступают по эффективности светотермо-стабилизирующего действия широко применяемым стабилизаторам на основе солей металлов при переработке пластифицированного ПВХ. Показано, что пленочные материалы, содержащие мезогенные соединения, обладают хорошими физико-механическими свойствами и повышенной износостойкостью.
Предложен новый способ получения композита полимер-углеродные нанотрубки, основанный на использовании в качестве среды диспергирования стеариновой кислоты и мезогенных соединений. Способ позволяет существенно упростить процесс производства композита, сделать его более экологически безопасным и получать пленочные материалы с улучшенными физико-механическими характеристиками.
Выявлены особенности влияния многостенных углеродных нанотрубок и экстракта фуллеренов на перерабатываемость пластифицированных ПВХ композиций и технико-эксплуатационные свойства пленочных материалов на их основе.
Практическая значимость работы. Разработан способ получения пленочного композиционного материала полимер - углеродные нанотрубки с повышенной устойчивостью к УФ - излучению и механическим нагрузкам.
Полученные экспериментальные данные по изучению технологических, физико-механических и эксплуатационных свойств модифицированных композиций и материалов на их основе могут быть использованы как справочный материал при разработке составов композиций на основе пластифицированного ПВХ для производства покрытий различного назначения, искусственной кожи и др.
Выявленные особенности влияния природы модификаторов на свойства ПВХ пленок позволят целенаправленно изменять и упрощать состав композиции, а также прогнозировать потребительские характеристики получаемого материала.
Производственные испытания опытных партий полимерных образцов в условиях экспериментально-исследовательской лаборатории ФГУП «ИвНИИПИК ФСБ России» доказали, что углеродные наноструктуры и анизотропные соединения могут применяться как универсальные многофункциональные модификаторы композиций на основе пластифицированного ПВХ, не уступающие, а в ряде случаев превосходящие по эффективности применяемые известные добавки, что подтверждено соответствующими актами.
На защиту выносятся следующие результаты и положения:
-
Физические аспекты ингибирующей эффективности мезогенов.
-
Оптимальный способ введения углеродных нанотрубок в полимерную матрицу.
-
Технологические и эксплуатационные свойства пластифицированных ПВХ пленок, содержащих анизотропные безметальные органические соединения, многослойные углеродные нанотрубки и экстракт фуллеренов.
Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или же совместно с соавторами опубликованных работ. Автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментов, расчетов, анализе полученных результатов и формулировке выводов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Инновации молодежной науки» (г. Санкт-Петербург, 25-28 апреля 2011 г.); VII-ой Научной конференции молодых ученых «Жидкие кристаллы и наноматериалы 2012» (г. Иваново, 24 апреля 2012 г.); XV-ой Молодежной школе-конференции по органической химии (г. Уфа, 31 мая-2 июня 2012 г.); Международной молодежной научной школе «Кирпичниковские чтения» (г. Казань, 19-20 июня 2012 г.); Всероссийской молодежной конференции «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений» (г. Уфа, 11-14 сентября 2012 г.); Международной молодежной конференции "Современные тенденции развития химии и технологии полимерных материалов" (г. Казань, 13-14 сентября 2012 г.); Первой всероссийской конференции по жидким кристаллам «РКЖК-2012» (г. Иваново, 17-21 сентября 2012 г.); VII-ой Международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения» (г. Иваново, 25-28 сентября 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 8 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ и 11 тезисов докладов.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа содержит 145 страниц без учета приложений, состоит из введения и трех глав, выводов по работе, также включает 37 рисунков, 45 таблиц и список цитируемой литературы из 179 наименований.
Похожие диссертации на Модификация композиций на основе пластифицированного поливинилхлорида анизотропными соединениями и углеродными наночастицами
