Введение к работе
Актуальность работы. В различных отраслях промышленности широко используются термопластичные вулканизаты (ТПВ) на основе бинарных смесей полиолефинов и олефиновых или диеновых каучуков. Для них предложены основные пути улучшения технологического совмещения термопласта и эластомера, в том числе и разной полярности, разработаны способы вулканизации эластомерной фазы, что позволяет получать материалы с хорошими эксплуатационными характеристиками. Есть информация по использованию тройных систем, где в качестве термопластичной фазы используется комбинация термопластов, но мало информации о системах, в которых используется комбинация каучуков разной полярности. Также отсутствуют сведения о модификации свойств ТПВ углеродными нанонаполнителями. Поскольку получение термоэла-стопластов является одним из перспективных направлений развития полимерной химии, расширение ассортимента композиционных материалов с широким комплексом свойств на основе комбинации крупнотоннажных отечественных термопластов и каучуков разной структуры является актуальной задачей.
В настоящей работе объектами исследования явились ТПВ на основе полипропилена (ПП), изопренового (СКИ-3) и бутадиен-нитрильного (БНКС-28 АМН) каучуков. ТПВ на основе СКИ-3, известные своими упруго прочностными свойствами, не нашли широкого практического применения вследствие неудовлетворительной теплостойкости, масло-бензостойкости, стойкости к старению. Достаточно широко используются динамически вулканизованные материалы на основе маслобензостойких бутадиен-нитрильных сополимеров, однако они обладают недостаточным уровнем упруго-прочностных свойств и высокой стоимостью, а для достижения высокого уровня свойств необходимо использовать пероксид-ные вулканизующие системы с агентами совулканизации, наполнители, что усложняет рецептуру и технологию изготовления.
Поскольку в работе исследовались композиции на основе полипропилена и комбинации каучуков разной полярности, основополагающим явился поиск соотношения компонентов системы и добавок, способствующих лучшему диспергированию эластомерной фазы в матрице ПП, а также компонентов эластомерной фазы.
Работа выполнена в рамках проектной части государственного задания Минобрнауки РФ в сфере научной деятельности 10.863.2014/К.
Цель работы. Разработка нового полимерного материала – термопластичного вулканизата на основе полипропилена и комбинации изо-пренового и бутадиен-нитрильного каучуков, с высоким уровнем эксплуатационных свойств, сочетающих преимущества каждого полимера.
Для достижения поставленной цели исследования проводились в следующих направлениях:
-
Изучение влияния режимов смешения и соотношения компонентов эластомерной фазы на структуру и свойства ТПВ.
-
Использование малеинизированного полипропилена как добавки для увеличения взаимодействия между полипропиленом и эластомерной фазой.
-
Исследование сополимера этилена с винилацетатом как добавки для увеличения взаимодействия между компонентами эластомерной фазы.
-
Исследование совместного влияния малеинизированного полипропилена и сополимера этилена с винилацетатом на структуру и свойства ТПВ.
5. Исследование влияния углеродных нанотрубок на структуру и свойства
термопластичных вулканизатов.
6. Наработка опытной партии термопластичного вулканизата и расши
ренные испытания изделий.
Научная новизна:
1. Впервые получены термопластичные вулканизаты на основе по
липропилена и комбинации изопренового и бутадиен-нитрильного каучу-
ков с высокими упруго-прочностными свойствами в сочетании с устой
чивостью к действию атмосферных факторов, топлив, масел.
2. Для системы полипропилен – комбинация каучуков разной по
лярности найдены совмещающие добавки, влияющие на уровень взаимо
действия между термопластичной матрицей и эластомерной фазой и
между компонентами эластомерной фазы. Показано, что при совместном
использовании малеинизированного полипропилена и сополимера этиле
на с винилацетатом значительно уменьшается размер частиц дисперсной
фазы, повышается диффузность межфазных границ, то есть увеличивает
ся равномерность распределения компонентов ТПВ, что обеспечивает
получение композитов с высоким уровнем эксплуатационных свойств.
3. Предложена модификация термопластичных вулканизатов одно-
стенными и многостенными углеродными нанотрубками, которые, явля
ясь зародышами кристаллизации, способствуют формированию более
мелких кристаллических областей полипропилена, равномерно распреде
ленных в матрице ТПВ, и повышению модуля упругости и термических
свойств композитов.
Методы, методология исследования. Научная методология иссле
дований заключается в использовании комплексного подхода к решению
поставленных задач и рассмотрении взаимосвязи рецептурно-
технологических параметров получения и структурных, физико-механических, термических свойств термопластичных вулканизатов с привлечением современных методов исследования.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов исследования обеспечиваются корреляцией экспериментальных результатов, по-
лученных с использованием сертифицированного оборудования различными независимыми методами, согласованностью полученных результатов с опубликованными работами других исследователей.
Практическая ценность работы. Разработаны рецептурно-
технологические параметры получения термопластичных вулканизатов на основе полипропилена и комбинации изопренового и бутадиен-нитрильного каучуков с высокими деформационно-прочностными свойствами в сочетании с устойчивостью к воздействию агрессивных сред. На компаундирующем двухшнековом экструдере ZE25AX x 60D выпущена опытная партия ТПВ.
Результаты испытаний прокладок рельсовых скреплений железнодорожного пути ЦП-143, отлитых в АО «Кварт», показали, что они удовлетворяют требованиям, предъявляемым к прокладкам, в соответствии с ГОСТ 56291-2014.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Влияние соотношения компонентов эластомерной фазы и режимов
приготовления на структуру и физико-механические свойства ТПВ осно
ве полипропилена и комбинации изопренового и бутадиен-нитрильного
каучуков.
2. Закономерности влияния функционализированных добавок для
увеличения взаимодействия между компонентами полимерной фазы на
структуру и свойства термопластичных вулканизатов.
3. Влияние углеродных нанотрубок на структуру и свойства ТПВ.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на шестой
Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры-2014» (Москва, 2014), Всероссийской научной студенческой конференции по техническим, гуманитарным и естественным наукам Чувашского государственного университета имени И.Н. Ульянова (Чебоксары, 2014, 2015, 2016), XXII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2015), региональном фестивале студенческой молодежи «Человек. Гражданин. Ученый» Чувашского государственного университета имени И.Н. Ульянова (Чебоксары, 2015, 2016), Всероссийских конференциях «Каучук и резина – 2016, 2017: традиции и новации» (Москва, 2016, 2017 г), XX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Екатеринбург, 2016); Международной конференции «Современное состояние и перспективы развития нефтехимии» (Нижне-камскнефтехим, 2016), 80-й и 81-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов «Технология органических веществ» (Белорусский государственный технологический университет, Минск, 2016, 2017).
Результаты исследований отмечены стипендией Президента Российской Федерации (2012/2013, 2015/2016, 2016/2017 уч. год), стипендией
Мэра г. Казани за отличную учебу и успехи в научно-исследовательской работе по итогам 2015/2016 уч. года, именной стипендией ОАО «Нижне-камскнефтехим» (2013, 2016 год), АО «Химград» (2014 год) в рамках конкурса «50 лучших инновационных идей для Республики Татарстан».
Личный вклад автора заключается в сборе и анализе литературных данных, участии в постановке задач и их дальнейшем решении, в проведении экспериментальных исследований, обсуждении результатов, в формулировании выводов по сделанной работе, написании статей.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 3 статьи в журналах из перечня ВАК, 8 тезисов докладов в сборниках научных трудов и материалах конференций.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав (литературный обзор, экспериментальная часть, обсуждение результатов), заключения, списка использованной литературы и пяти приложений. Научная работа изложена на 123 стр. машинописного текста, содержит 35 рисунков, 40 таблиц, 5 приложений; список литературы включает 125 наименований.