Введение к работе
Актуальность работы. Одним из наиболее перспективных направлений развития современного полимерного материаловедения является создание смесевых термоэластопластов (СТЭП) – нового класса материалов, сочетающих по своему составу и свойствам черты эластомеров и термопластов. Эти материалы отличаются от традиционных полимерных смесей эффектом взаимоусиливающего взаимодействия, то есть способностью проявлять лучший комплекс свойств, особенно после проведения динамической вулканизации. В перспективе развития этого направления считается, что СТЭП смогут заменить традиционные резины в большинстве областей применения, в которых изделия не подвергаются высоким динамическим нагрузкам.
Преимуществами смесевых термоэластопластов являются:
– ориентация на уже существующие сырьевые возможности
крупнотоннажного производства синтетических каучуков и термопластов;
– пониженные по сравнению с резинами стоимость и вес изделия;
– безотходные и энергосберегающие технологии производства материалов и изделий из них, основанные на литьевых свойствах;
– возможность широкого варьирования свойств СТЭП за счет неограниченного сочетания пар каучук–термопласт различного строения и свойств.
Благодаря перечисленным преимуществам производство и применение термоэластопластов во всем мире является наиболее стремительно развивающейся отраслью полимерной химии. В то же время получение СТЭП, как и всех многокомпонентных полимерных материалов является сложным высокотехнологичным процессом, результаты которого зависят не только от состава, но и от особенностей структурной организации полимерного материала.
Анализ литературных данных показал, что одним из основных
требований, предъявляемых к выбору пары каучук–термопласт, является
близость параметров растворимости или их термодинамическая совместимость.
Как правило, в композициях с большим различием параметров растворимости
добиваются технологической совместимости применением
компатибилизаторов, которые улучшают дисперсность полимерной
композиции, приводя к образованию мелких частиц каучука в матрице термопласта. Чаще всего это химические соединения, состоящие из компонентов близких по природе к смешиваемым полимерам. Получение компатибилизаторов – самостоятельная стадия производства, поэтому несомненный интерес представляет поиск полимерных функциональных добавок, которые занимают промежуточное положение по параметрам растворимости между термопластом и каучуком и оказывают влияние на морфологическую структуру и свойства термоэластопластов. Это направление исследований является актуальным, так как способствует расширению возможностей получения СТЭП на основе несовместимых пар каучук– термопласт с уникальным комплексом свойств.
Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по государственному контракту № 02.740.11.0816, целью которого являлась разработка научно-методологической основы получения и переработки композиционных полимерных материалов со свойствами термоэластопластов с требуемым комплексом функциональных свойств путем совмещения каучуков и пластиков.
Степень разработанности темы исследования. Фундаментальные
исследования по получению смесевых и динамических термоэластопластов,
освещенные в трудах зарубежных и отечественных ученых и специалистов,
таких как: А. Гесслер, У. Фишер, А. Коран, Р. Пател, С. Абду-Сабет, А.А.
Канаузова, С.И. Вольфсон, Э.В. Прут и другие, в значительной мере
способствовали разработке и изучению маслобензостойких смесевых
термоэластопластов на основе бутадиен-нитрильного каучука и
изотактического полипропилена.
В работах этих авторов и в диссертационных работах по этому
направлению для совмещения бутадиен-нитрильного каучука с
полипропиленом применяют химические модификации основных компонентов, вводят пластификаторы, наполнители, компатибилизаторы, синтезируют привитые сополимеры. Несмотря на значительные практические результаты еще не в полной мере изучены вопросы структурной организации СТЭП и ее связь с формированием механических, технологических, функциональных свойств, а также взаимодействие на границе раздела фаз каучук-термопласт, особенно для пар обладающих ограниченной совместимостью. Недостаточная научная проработка этих проблем определила выбор цели, задач и предмета исследования.
Цель работы. Разработка научной методологии получения смесевых термоэластопластов на основе термодинамически несовместимых каучука и термопласта с варьируемым уровнем эксплуатационных и технологических свойств путем введения функциональных эластомерных добавок.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
– выделить и идентифицировать отдельные стадии технологического процесса получения СТЭП, приводящие к формированию мелкодисперсной структуры материала;
– произвести выбор на основе расчета параметров растворимости функциональных эластомерных добавок, способствующих улучшению диспергирования, а также технологических, механических, эксплуатационных свойств СТЭП.
– разработать методологию исследования межфазного взаимодействия на границе раздела фаз каучук-термопласт;
– оценить особенности формирования морфологической, в том числе кристаллической структуры полипропилена, как фактора, определяющего комплекс эластических свойств СТЭП;
– выявить влияние динамической вулканизации на формирование структурной организации и эксплуатационных характеристик СТЭП.
Научная новизна:
1. Предложен и научно обоснован механизм формирования межфазных
слоев на границе раздела фаз для двойных и тройных систем: бутадиен-
нитрильный каучук–эластомерная добавка–изотактический полипропилен на
основе представлений адгезионно-диффузионного взаимодействия, приводящих к
улучшению совместимости основных компонентов смесевого термоэластопласта.
2. Осуществлен выбор оптимальной структуры модифицирующей
эластомерной добавки, влияющей на поверхностные слои полипропилена, с
использованием метода расчета трехмерного параметра растворимости
Хансена, учитывающего составляющие дисперсионного, полярного
взаимодействия и взаимодействия за счет водородных связей макромолекул
полимеров.
3. Впервые разработаны принципы подбора промышленно выпускаемых
полимеров, выполняющих роль многофункциональных эластомерных добавок,
позволяющие усилить уровень взаимодействий бутадиен-нитрильного каучука
с изотактическим полипропиленом и комплексно улучшить свойства СТЭП за
счет образования развитого межфазного слоя на границе раздела фаз
термодинамически несовместимых полимеров.
4. Впервые исследование процесса кристаллизации изотактического
полипропилена использовано для выяснения характера взаимодействия на
границе раздела фаз функциональная эластомерная добавка–базовый каучук.
Теоретическая и практическая значимость. Предложено
теоретическое обоснование механизма формирования межфазных слоев на границе раздела фаз двойной и тройных систем на основе особенностей кристаллизации полипропилена в присутствии малых добавок полимеров, способствующих улучшению совместимости основных компонентов.
Разработан способ получения СТЭП с высокими эластическими свойствами за счет введения малых количеств функциональных эластомерных добавок. Создана техническая документация: технические условия и технологические регламенты лабораторного процесса получения термоэластопластов.
Получены представительные образцы СТЭП, прошедшие
экспериментальную проверку на предприятиях потенциальных потребителей.
Методология и методы исследования. Для исследования полученных в
работе смесевых термоэластопластов применялся комплекс современных
методов испытаний: физико-механические и реологические испытания, метод
цифровой оптической микроскопии, дифференциально-сканирующей
калориметрии, математическое планирование эксперимента.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Механизм формирования межфазных слоев на границе раздела фаз
двойной и тройных систем на основании изучения параметров кристаллизации.
2. Формирование структурной организации, механических,
реологических свойств материала на всех стадиях его получения на основе
разработанной модельной технологии.
3. Принципы подбора полимеров, выполняющих роль
многофункциональной эластомерной добавки, способствующие улучшению
взаимодействия на границе раздела фаз бутадиен-нитрильного каучука и изотактического полипропилена.
Личный вклад автора в работу состоит в активном участии в формировании цели и задач исследования, в планировании и проведения исследований, в получении СТЭП и изучении их свойств, в анализе полученных результатов работ и обобщении их в виде статей и докладов.
Достоверность результатов исследования. Результаты
диссертационного исследования достоверны и подтверждены комплексом современных методов испытаний, а также апробированных методик со статистической обработкой результатов. Сформулированные в работе выводы научно обоснованы и соответствуют современным научным представлениям.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлены на Второй всероссийской научно-технической конференции «Каучук и резина – 2010» (Москва, 2010); двенадцатой международной конференции «Физика диэлектриков (Диэлектрики – 2011)» (Санкт-Петербург, 2011); Международной научно-технической конференции «Полимерные композиты и трибология («Поликомтриб – 2011»)» (Гомель, 2011); Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии глубокой переработки сырья – основа инновационного развития экономики России» (Москва, 2012); III Всероссийской конференции «Каучук и Резина – 2013: традиции и новации» (Москва, 2013).
Публикации. По материалам диссертации получен 1 патент РФ, опубликованы 4 статьи, 3 из которых в журналах, рекомендованных ВАК РФ, а также 11 тезисов докладов на научно-технических конференциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 139 страницах, содержит 28 таблиц и 32 рисунка. Состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 159 наименований и трех приложений.
