Введение к работе
Актуальность проблемы. Инновационный этап развития различных отраслей экономики требует использования широкого спектра полимерных материалов с повышенными эксплуатационными свойствами. Особенно актуально создание таких материалов для активно используемых на отечественном рынке полимеров, в частности, полиамидов, среди которых важнейшая роль отводится полиамиду 6 (ПА 6), благодаря ценному комплексу его потребительских свойств – высокой прочности, эластичности, устойчивости к истиранию. Однако применение полиамидов как конструкционных материалов, например, в узлах трения, ограничено из-за их низкой твердости, повышенного коэффициента термического расширения, нестабильности размеров.
Эффективным способом повышения эксплуатационных свойств полимеров является их модификация нано- и субмикроразмерными наполнителями, позволяющими направленно регулировать процессы формирования его надмолекулярной структуры и, следовательно, свойства получаемого материала. Особый интерес для полимеров в этом плане представляют такие приоритетные модифицирующие системы как полититанаты калия (ПТК).
Для решения данной проблемы перспективным является и применение метода полимеризационного наполнения, базирующегося на синтезе матричного полимера в присутствии дисперсно-волокнистого наполнителя и отличающегося рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными технологиями.
В связи с этим целью данной работы являлась разработка полиамида 6 инженерно-технического назначения, модифицированного на стадии синтеза субмикроразмерным наполнителем – полититанатом калия, и изучение его структуры и свойств.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
– изучение возможности использования субмикроразмерной добавки – полититанатов калия, для направленного регулирования структуры и свойств ПА 6 путем их введения на стадии синтеза полимера;
– исследование влияния малых добавок тетратитаната калия, вводимого на стадии полимеризации ПА 6, на его структуру и свойства;
– выбор состава полиамидного композиционного материала на основе тетратитаната калия, получаемого методом полимеризационного наполнения, и оценка его технологических и физико-механических свойств, а также экотоксичности;
– анализ перспективности и технико-экономического уровня модифицированного на стадии синтеза ПА 6;
– разработка технологических рекомендаций и принципиальной технологической схемы получения разработанного материала.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые
– доказано, что субмикроразмерные частицы тетратитаната калия, вводимого в количестве 0,25-1,0% в полимеризующуюся систему на стадии синтеза ПА-6, играют роль «структурирующей» добавки, активно влияющей на формирование надмолекулярной структуры модифицированного полимера, что и обеспечивает повышение его степени кристалличности (на 23%) и уменьшение размеров кристаллитов (с 42 до 28 );
– установлено влияние тетра- и гексатитанатов калия на свойства ПА-6, модифицированного на стадии синтеза полимера, проявляющееся в увеличении текучести расплава полимера, особенно значительном (в 2,5 раза) при введении слоистых чешуйчатых частиц К2О4ТiО2;
–- показано, что изменение рН тетратитаната калия влияет на молекулярную и надмолекулярную структуру модифицированного на стадии синтеза ПА 6. При использовании гидратированной формы тетратитаната калия (рН»7) в полимере увеличивается доля упорядоченных областей (на 9-14%), что способствует повышению его физико-механических свойств;
– отмечено, что модифицирующий эффект при полимеризационном наполнении ПА-6 достигается только при введении 30-40% тетратитаната калия, т.к. при содержании 10-20% наполнителя затрудняется равномерное распределение наполнителя в полимерной матрице из-за седиментационной неустойчивости полимеризующейся системы и склонности субмикроразмерного тетратитаната калия к агломерации.
Практическая значимость работы состоит в том, что
– получен ПА 6, модифицированный на стадии синтеза полимера введением в полимеризующуюся систему 1% тетратитаната калия в гидратированной форме, с повышенными физико-механическими свойствами;
– предложена принципиальная технологическая схема получения ПА 6, модифицированного на стадии синтеза 1% тетратитаната калия; определены параметры основных технологических стадий - полимеризации, охлаждения полимера, его измельчения и сушки; разработаны технические условия на модифицированный материал;
– обоснован выбор состава полимеризационнонаполненного ПА 6, обеспечивающий повышение его основных физико-механических характеристик, Установлено, что введение наполнителя не влияет на экотоксичность разработанного композита;
– проведен сравнительный анализ основных эксплуатационных свойств ПА 6, модифицированного на стадии синтеза полимера тетратитанатом калия, с промышленными аналогами, который подтвердил конкурентоспособность разработанного материала. Определены рациональные области его использования.
На защиту выносятся:
– установленная возможность направленного регулирования структуры и свойств ПА 6 введением в полимеризующуюся систему субмикроразмерной модифицирующей добавки – тетратитаната калия К2О4ТiО2;
– результаты комплексных исследований по влиянию содержания и химического состава (количества ТiО2, рН тетратитаната калия) полититанатов калия, вводимых на стадии полимеризации ПА 6, на структуру и свойства модифицированного полимера;
– принципиальная технологическая схема по получению модифицированного на стадии полимеризации тетратитанатом калия ПА 6, параметры процесса и технические условия на материал;
–- результаты исследований по выбору составов полимеризационнонаполненного тетратитанатом калия ПА 6.
Апробация работы. Результаты работы доложены: на II Всероссийском научно-практическом форуме «Экология: синтез естественно-научного, технического и гуманитарного знания» (Саратов, октябрь 2011 г.), 32-й Международной конференции «Композиционные материалы в промышленности» (Ялта-Киев, июнь 2012 г.), Всероссийской молодежной конференции «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка ВМС» (Уфа, сентябрь 2012 г.), IV Международной научно-инновационной молодежной конференции «Современные твердофазные технологии» (Тамбов, октябрь 2012 г.), Всероссийской молодежной научной школе «Химия и технология полимерных и композиционных материалов» (Москва, ноябрь 2012 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных трудов, в т.ч. 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и 6 статей в сборниках научных трудов и материалах конференций.
Структура работы. Диссертация состоит их введения, литературного анализа состояния проблемы, методической и экспериментальной частей, общих выводов, списка использованной литературы и приложений.
