Исследование взаимодействия эластомеров с углеродными наполнителями различной дисперсности и структуры тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.06, кандидат химических наук Киселева, Евгения Алексеевна

• Киселева, Евгения Алексеевна
• кандидат химических наук
• 2011

Заключение диссертации по теме «Технология и переработка полимеров и композитов», Киселева, Евгения Алексеевна

Выводы

1. Проведено систематическое исследование свойств углерод-каучукового геля (УКГ) в резиновых смесях на основе полиизопренового и метилстирольного каучуков. Выявлены закономерности влияния наполнителей эластомеров на количество образующегося геля и фазовый состав связанного наполнителем каучука. Выявлено, что формирование' адсорбционных слоев вблизи поверхности наполнителя по механизму обменной адсорбции завершается за 6-8 минут.

2. Выявлено, что содержание УКГ в резиновых смесях зависит от морфологических свойств первичных агрегатов технического углерода ^ -размера и формы агрегатов. Получены линейные уравнения, связывающие содержание УКГ в резиновых смесях на основе натурального и метилстирольного каучуков с дисперсностью частиц технического углерода и долей пустот в его первичных агрегатах. Показано, что с увеличением доли пустот в его' агрегатах толщина стеклообразного слоя каучука в резине возрастает по уравнению Ыс1са=3,036-Р с коэффициентом корреляции Я2 0,93.

3. Определены закономерности влияния карбоксильных, фенольных и хинонных групп на поверхности дисперсного углерода на УКГ в резиновых смесях. При превышении концентрации протоногенных групп на поверхности дисперсного углерода, входящего в состав резиновых смесей; 0,4 мкг-экв/м~, содержание УКГ резко снижается из-за стерических препятствий для обмена низкомолекулярных макромолекул в адсорбционном слое на высокомолекулярные. Выявлено, что энергия» активации процесса адсорбции макромолекул изопренового каучука увеличивается в присутствии протоногенных групп (фенольных и карбоксильных) до 13 кДж/моль, и подчиняется уравнению ^ Еакт = -1.0104 [О] - 0.3169 с коэффициентом корреляции Я2 0,88.

4. Показано, что толщина адсорбционных слоёв изопренового каучука на поверхности технического углерода зависит от молекулярной массы сорбированного каучука и составляет 1-4 нм у каучука СКИ-3 и 50-60 нм у натурального каучука. С увеличением гидрофильности поверхности наполнителя толщина стеклообразной фазы связанного им каучука в резиновой смеси снижается особенно интенсивно при достижении коэффициента относительной гидрофильности по сравнению с гидрофильностью функциональных групп технического углерода К 354 более 80%.

5. Выявлен немонотонный ход изменения удельной адсорбции изопренового и метилстирольного каучуков от ширины микропор на поверхности технического углерода при достижении 1,36 нм, обусловленный стерическими препятствиями для растекания адсорбированных низкомолекулярных фракций каучука.

6. Научно обоснованы технические требования к перспективному техническому углероду как наполнителю высокоусиливающих резин: эффективная ширина пор на поверхности - не менее 1,36; размер первичных агрегатов - не более 180 нм; содержание протоногенных функциональных групп (карбоксильных и фенольных) - не более 0,4 мкг-экв/м~. На основании выявленной зависимости износостойкости резин от количества связанного каучука и морфологии первичных агрегатов технического углерода предложен экспрессный метод оценки усиливающих свойств технического углерода.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Киселева, Евгения Алексеевна, 2011 год

1. Лыкин, A.C. Резины, наполненные техническим углеродом. Текст.// Вопросы практической технологии изготовления'шин. 2009. - №5. - С.9

2. Гончаров, В.М. О возможности применения нанодисперсных наполнителей различной природы в эластомерных композициях./ В.М. Гончаров, Д.В.Ершов, // Каучук и резина. 2007. - № 1. - С. 16

3. Каблов, В. Ф. Физическая модель эластомерного композита, наполненного частицами нанометрового размера/ В. Ф Каблов., и др.// Полимерные композиционные материалы и покрытия: Материалы 3 Междунар. научно-техн. конф., Ярославль, 20-22 мая. 2008. -С. 360

4. Gerspacher, М. Текст. [Электронный ресурс] / M.Gerspacher, С.Р. 0,Farrell // Междун. конф. по каучуку и резине «Rubber 2000», Мельбурн, 2000г. Режим доступа: http// www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/1181.htlm.

5. Корнев, Ю.В. Сравнительные оценки микро- и« макрофизических свойств эластомерных композитов в экспериментах по наноидентифицированию и макропрочности Текст. / Ю.В. Корнев [и др] // Каучук и резина. 2008. - № 6. -С. 18-22.

6. Schaefer, D. W. How Nano Are Nanocomposites? / D. W. Schaefer, R. S. Justice // Macromolecules. 2007. - Vol. 40, № 24. - P. 8501 - 8517.

7. Липатов, Ю. С. Успехи химии. 1981. -Т. 50, № 2. -С. 355—377.

8. Липатов Ю. С, Сергеева Л. М. Адсорбция полимеров. Киев: Наук.думка, 1972. 195 с.

9. Старовойтова, Ю.Н. Адсорбция полимерной цепи на плоской поверхности: компьютерное моделирование // Свойства веществ и строение- молекул: Сборник научных трудов. Твер: гос. ун-т. Тверь: Изд-во ТвГУ-, 2003. — С. 93 — 102.

10. WangXiangtian Изучение адсорбции полимера на поверхности раздела твёрдое тело / жидкость (II). Адсорбция-полимера / Wang Xiangtian, Hu Ying // Huagongxuebao = J. Chem. Ind. and Eng. (China) 1998. - 49, № 4, C. 434 - 440.

11. Федорко В.Ф. Некоторые вопросы адсорбции полиметакриловой кислоты из разбавленных растворов./ В.Ф. Федорко; В.П: Закордонский/ / Коллоид, ж. -1984. T.XLVI, Вып. 3. - С.513-516.

12. Заикин, А.Е. Особенности локализации технического-углерода на границе раздела1 полимерных фаз./ А.Е. Заикин, Е.А. Жаринова, P.C. Бикмулин, // Высокомолекул. Соединения, Сер. А. 2007. - Т.49,.№3. - С. 499-509.

13. Заикин, А.Е. Оценка эффективности взаимодействия полимеров с поверхностью частиц нанонаполнителей./ А.Е. Заикин, P.C. Бикмуллин, И.А. Горбунова, //Журнал прикладной химии.-2007.- Т. 80,- Вып.6. С. 988-992.

14. Zajac, R. Effectsofchemical impurities on the adsorption of polymer chains from a semidilute solution / Zajac R., Chakrabarti A. //. J. Chem. Phys 1997. - 107, № 20.-C. 8637-8653.

15. Липатов, Ю:С. Адсорбция смесей полимеров из разбавленных и полуразбавленных растворов / Ю.С. Липатов, Т.Т. Тодосийчук, В.Нл Чорная // Успехи химии. 1995. - 64, № 5. - С. 497- 504. .

16. Эльтекова, Н.А. Самоорганизация гибкоцепных макромолекул на поверхности' гранулированной, сажи //. 8 Между нар: конф. "Теория и, практ. адсорбц; процессов": Тез;Докл. — М., 1996 С.66.

17. Кисленко, В.Н. Математическое моделирование адсорбции полимеров на металлической^ пластинке 7'BiiH- Кисленко? и др.//. Коллоид, ж. 1998; — 60, № 3. - С. 338-343.

18. Polotsky,. A. Influence: of sequece correlations on the adsorption of random heteropolymers onto homogeneous planar, surfaces/ A.- Polotsky, FriederikeSchmid, Andreas Degenhard // Ji!.Chem: Phys. 2004. - 120, № 13.-C. 6546- 6256:

19. Shair, J:A. Adsorption studies of diblock copolymers at the cyclohexane/carbon black interface /. Shair. J.A. et ai.| // Langmuir.- 1999. 15, № 22. - C. 7688 -7694/ . .■ "V

20. Chornaya, V.N. Effect of flexibility of polymer chains on the kinetics of adsorption-of polymer mixtures from solutions; / V.N Chornaya. et al. //. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. -2008. T. 318, №1. -C. 53-61.

21. Semenov, A.N. Pay3a.Kinetics of adsorption of linear homopolymers onto flat surfaces: Rouse: dynamics / A.N. Semenov, J:-F. Joanny //. J. phys. Sec.2. — 1995. — 5,№ 6. — C. 859-879:

22. Такахаси Акира. Молекулярная теория адсорбции полимеров-: // Кай гай кобунсикэнкю: 1990: - 36,,№ 1. - С:37 - 41.

23. Морозов, И.А. Исследование структуры, наполненной резины. при помощи атомно-силовой микроскопии Текст. // Труды 19 Симп. «Проблемы шин и; резинокордных композитов» / ООО «НТЦ «НИИШП»: М:, 2008: - С. 95-101.

24. Takahasi A; Layer thickness of macromolecules adsorbed? on> surfaces //. Mol. Conformât, and Dyn. Macromol. Condensed Syst.: Collect. Contrib. Lect. 1st Toyota Gonf., 28 Sept. 1 Oct., 1987. - Amsterdam ect., 1988. - C. 353- 369.

25. Esumi, K. The effect of binary solvents on adsorption of poly (vinylpyrrolidone) on: titanium dioxide and graphite particles /. K. Esumi et al. // J. Colloid and Interface Sci. 1996. - 178, № 2, C. 549 - 554.

26. Eltekov, Yu. А. Строение адсорбционных слоев линейных полимеров. Structure of the adsorption layers of linear polymers: Pap.. Int. Symp. Surface

27. Chem., Adsorpt. and Chromatogr. (dedicat to memory A.V. Kiselev), Moskow, 13 -17 Nov., 1988 // Pure and Appl. Chem. 1989. - 61, № 11. - C. 1987 - 1992.

28. Бабенко, E.B. Исследование сорбционных и адсорбционных процессов в синтезе наполненных полиуретанов / Е.В. Бабенко и др.// Изв. вузов. Химия и хим. технол.- 1998.-41 ,№ 1.-С. 91 -93, 142.

29. Lipatov, Yu. Heats of adsorption in the mixed'polymer systems / Yu. et al.// J. Colloid and Interface Sci. 2004. - 272, №2.-C. 281 - 287.

30. Lipatov, Yu. Energy of adsorption interaction and surface coverage from polymer of various molecular structures / Yu. Lipatov, et al.//. Journal of Colloid and Interface Science. 2006. - T.294, №2. - C.273-280.

31. Кулезнев В.H. Коллоидная- химия полимеров // Коллоидн. ж. — 1983. — T.XLV, Вып.4. С.627- 634.

32. Медведевских, Ю.Г. Изотерма адсорбции^ и конформация полимерных цепей на границе жидкой' и твёрдой фаз / Ю.Г. Медведевских, Л.И: Базыляк, О.Б. Шибанова // Ж. физ. химии. 2004. - 78, № 8.- С. 1461 - 1468.

33. ASTM D 3191 09 Standard Test Methods for Carbon Black in SBR (Styrene-Butadiene Rubber)—Recipe and EvaluationProcedures// ASTM Standards on Disk, 2006.

34. ASTM D 3192-05 Standard Test Methods for Carbon Black Evaluation in NR (Natural Rubber)// ASTM Standards on Disk, 2006, v.09:02.

35. ASTM* D 3182-07. Standard Practice for Rubber Materials, Equipment and Procedures for Mixing Standard Compounds and Preparing Standard Vulcanized Sheets// ASTM Standards on Disk, July 2007, v.09.01.

36. ASTM- D412 06a Standard Test Methods for Vulcanized Rubber and Thermoplastic Elastomers—Tension // ASTM Standards on Disk, 2006, v.09.02.

37. А.С. 442919 Способ оценки усиливающих свойств сажи в резинах / Лежнев Н.Н., Якухина К.А., Красильникова М.К. Опубл. БИ №33, 1975.

38. ASTM D 3849-04 Test Method for Carbon Black/ Morphological Characterization of Carbon Black Using Electron Microscopy//Book of ASTM Volume 09.01, July 2007 Rubber, Natural and Synthetic General Test Methods.

39. Kraus, G. Molecular weight effects in adsorption- of rubbers on carbon black / Kraus G., Gruver J.T. // Rubber chem. technol. 1968. - 41, № 5. - C. 1256 - 1270.

40. Kolthoff, J.M. Sorption of GR-S type of polymer on carbon black. II. Effect of variables on the sorption by Graphon / Kolthoff J.M., Gutmacher R.G., Kahn A. // J. . Phys. chem. 1951. - 55. - C. 1240 - 1246.

41. Benford, J.S. Multisegment adsorptionof long chain polymers on carbon black / Benford'J.S., Gessler A.M. // J. Phys. chem. 1959. - 63. - C. 1376 - 1378.

42. Патент RU 2409815 Раздьяконова1 Г.И., Киселева E. А., Филипьева A.A., Стрижак E.A. Способ оценки усиливающих свойств сажи в резинах // Опубл. 20.01.2011.

43. Темникова Е.В. Изучение влияния технического углерода на гистерезисные свойства'протекторных резин./ Е.В. Темникова и др. //Каучук и резина. — 2004. №2. - С.32.

44. Ляпина, Л А. Роль технического углерода в формировании прочностных свойств резин. / Л А. Ляпина, М.А.Иваницкий // Каучук и резина. 2008 - №5. -С.38 -41.

45. А.С. 1756324 Способ оценки усиливающих свойств сажи в резинах / Г.И. Раздьяконова, С.В. Орехов, Ю.А. Эльтеков, Н.А. Эльтекова, В.Е Гильман Опубл. БИ №31, 1992.

46. Афанасьев С.В. Унификация методов оценки технологических свойств эластомеров //. Каучук и резина. — 1992. №3. - С.2.

47. Бартенев Г.М., Килимник О.В. Релаксационные процессы в наполненном эластомере и тепловая подвижность частиц наполнителя // Коллоидн. ж.-1983.-Т.14, Вып.2. С.299-303.70; Липатов Ю.С. Физико-химия наполненных полимеров. Киев: Наукова думка.- 1980.-260 с.

48. Липатов Ю. G. Зависимость адсорбированных сегментов полимерных молекул от концентрации растворов/ Ю: G. Липатов, Л. М. Сергеева Т.Т. Тодосийчук // Коллоидн. ж 1975- 37, №2-.

49. Новаков, И;А. Теоретическое определение теплопроводности эластомерного композита, структурированного частицами наноразмера./ И. А. Новаков, В.Ф.Каблов, И.П.Пстрюк // Каучук и резина. 2009. №5. - С. 6-8.

50. Бартенев, Г.М; Определение объемной доли связанного на наполнителе полимера по теплофизическим данным/ Г.М. Бартенев, и др.// Коллоид.ж. — 1984.-44, № 6.-С. 1065-1071.

51. Eltekov. Vu. F. Adsorption of macromolecules of elastomers on carbon blak// Carbon. 1994.- Vol.32, №5. - P.931-934.

52. Bäaser, Hi Micro-level-; of polymer-filíér interaction;// Kautsch*. und¿ Gummi: Kunstst. 2009: 62, № 4.,—C^ 156-f59t : ^

53. Гамлицкий, Ю.А. Современные представления о механизме: усиления и методы исследования./ Ю.А. Гамлицкий и др.//. 11-ая Международная ^научно-практическая конференция по сырью, материалам, технологиям. Материалы конференции. М., 2005. - G. 141-143.

54. Юшкина, Т.В. Исследование молекулярной подвижности межфазных слоев наполненных полимеров методом спиновых зондов./ Т.В. Юшкина и др. // Высокомол. соед. Сер.А. 2001, том 43, №11.- С. 2009-2014.

55. Гельфман, М.И. Коллоидная химия Текст. / М.И. Гельфман, О.В. Ковалевич, В.П.' Юстратов. СПб. и др.: Лань, 2003. - 332 с.

56. Patal, F. Die adsorption von makromolekulen III Текст. / F. Patat, E. Killinann, C. Schliebener // Angewandte macromolekulare chemie. 1961. - № 49. - P. 200214.

57. Tuijnman, G. A. F. Precision viscometry of polyvinyl acetate in toluene Текст. / С. A. F. Tuijnman, J. J. Hermans // Journal of polymer science. — 1927. № 25 — P. 385-401.

58. Липатов, Ю.С. Поверхностная сегрегация при адсорбции в, смесях полимеров и свойства адсорбционных слоев Текст. / Ю.С. Липатов, Т.Т. Тодосийчук, В.Н. Чорная // Укр. хим. ж. 2005. - Т. 71, № 5 - 6. - С. 3- 1 к

59. Koral, J. The adsorption of polyvinyl acetate Текст. / J. Koral, R. Ullmann, F. R. Eirich // Journal of physical chemistry. 1958. - № 62. - P. 541-550.

60. Солтыс M.H. О температурной зависимости адсорбции полимеров эфиров метакриловой кислоты/ М.Н. Солтыс и др.// Высокомолекул. Соединения. Сер. Б, 1973, т. 15, № 7, с. 494-496.

61. Солтыс М.Н. Адсорбция полиметакриловой кислоты на окиси алюминия/ Солтыс М.Н. и др. В кн.: Поверхностные явления в полимерах. Киев: Наукова думка, 1970, с. 65-70.

62. Липатов Ю.С. Межфазные Явления в полимерах. Киев: Наукова думка, 1980, - 260 с.характеристики вулканизатов. / Р.И. Эстрин, Н.Я.Овсянников//. Журнал Вестник МИТХТ.-2008.- Т. 3.-№2.

63. Yimin Zhang, S Ge. Effect of Carbon Black and Silica Fillers in Elastomer Blends. / S Ge.Yimin Zhang et al. // Macromolecules. 2001. - Vol. 34, № 20. - P. 7056- 7065.

64. Васильев, В А. Инновационное обеспечение предприятий промышленности синтетического каучука. / В.А. Васильев, Ю.К. Гусев// Международная научно-практическая конференция по сырью, материалам, технологиям. Материалы конференции. — М., 2005. С.3-8.

65. Глуховский, B.C. Свойства растворных бутадиен-стирольных маслонаполненных каучуков (ДССК-18-М27) / B.C. Глуховский и др. //. Международная научно-практическая конференция по сырью, материалам, технологиям. Материалы конференции. — М., 2005. С.41-43.

66. Гусев; Ю.К. Каучуки эмульсионной полимеризации. Состояние производства и пути развития. / Ю.К. Гусев и др. //. 11-ая Международная научно-практическая конференция по сырью, материалам, технологиям. Материалы конференции. М., 2005. - С.43-44.

67. Мохнаткина, Е.Г. Освоение бутадиен-стирольных каучуков растворной полимеризации (ДССК) в ООО НИЖНЕКАМСШИНА. //12 ая

68. Юзюк/ Анализ и обработка спектров., учебно-методическое пособие. — Ростов-на-Дону: Южный федеральный университет. 2007. — 76.

69. Поликарпов, В.М. Современные методы компьютерной обработки экспериментальных данных : учебное пособие / В.М. Поликарпов, И.В. Ушаков, Ю.М. Головин. Тамбов : Изд-во Тамб: гос. техн. ун-та, 2006. — 84 с. — 100 экз. - ISBN 5-8265-0498-6.

70. Donnet J-B., Santini A, Maafa D., Balard H. et all /The difference between iodine number and nitrogen surface area determinations for carbon blacks// Rubber Chemistry and Technology, 2006.-v.79.- no. 1.- P. 120.

71. Черных, B.B. Зависимость образования СКГ от типа каучука и сажи./ В.В. Черных, В.Г. Эпштейн // Коллоидн. ж. 1957.- том 19.- С.644-650.

72. А.С.903772(СССР). Способ- количественного определения связанных с техуглеродом полимеров в резиновой смеси Текст./А. И. Морозова. Опубл. в Б.И., 1982, №5.

73. ГОСТ 18249-72. Определение вязкости разбавленных растворов полимеров. М. : Изд-во стандартов, 1972.

74. ASTM D3 849-89 Standart Test Methods for Carbon Black/ Primary Aggregate Dimensions from Electron Microscope Image Analysis Rubber// Book of ASTM, Volume 09.01 «Rubber, Natural and Synthetic General Test Mëthods и Carbon Black» 1990, P.630-642.

75. Windows., Векторный графический редактор»СогеПЖА\¥ для Microsoft.

76. Ван Кревелен Д.В. Свойства и химическое строение полимеров / Пер. с англ.: под ред. А .Я. Малкина. М.: Химия, 1976. — С. 104. -416 с.

77. Аскадский, А.А. Компьютерное материаловедение полимеров. Т.1 Атомно-молекулярный уровень. / А.А. Аскадский, В.И. Кодращенко // М. Научный мир, 1999.-544 с.

78. Шеин В. С., Шутилин Ю. Ф., Гриб-А. П. Основные процессы резинового производства. Л.: Химия, 1988. -160 с.

79. Морозов И.А. Структура каркаса из агрегатов частиц технического углерода, в наполненных эластомерных материалах/ И.А. Морозов et al.// Высокомолекул. Соединения. Т 49. № 3. М., 2007 - С. 456:

80. Medalia A.I., Koltoff I:M. Determination of "microgel in; GRS Rubber'VJom. Polymer Sien., 1951.V.6.№4. -P.438-455.

81. Gessler A.M., Hess W.M., Medalia A.I. Reinforcement of elastomers with carbon: black.11. Effect: of incorporating carbon black in:: elastomers.- Plast, rubber proc., 1978; v.3, No.2, p.37-51. '

82. Kraus G. Reinforcement of elastomers with carbon black.- Adv. polym.sci., 1971, v.8, p. 155-237.

83. Раздьяконов, Ю.В; Применение теории объемного заполнения микропор для описания изотерм; адсорбции эластомеров техническим углерюдом / Ю.В. Раздьяконов, : И. А.Жовиер, Г.И. Раздьяконова //ВМС, сер.Б-., №1, 2004, С. 116119. ' ■ , ' . . ; / '

84. Wang Xiangtian. Адсорбция полидисперсного полимера у поверхности раздела твёрдое тело/жидкость / Wang Xiangtian, Hu Ying // Huagong xuebao // J. Chem. Ind. and Eng. (China) 1999: - 50, № 5. - C. 678 686.

85. Ильин, А.И. Оценка размеров первичных агрегатов технического углерода, методом электронной микроскопии/ А.И. Ильин и др.// В сб. «Пути развития промышленности тех!iического углерода» М.:НИИШП, 1978.-С.28-37.

86. Huber, G. Polymer adsorption on heterogeneous surfaces / Huber G., Vilgis T.A. //Eur. Phys. m 1998. - 3, № 2. - C. 217 - 223.1. ОАуу

87. Скворцов А. М. Поведение макромолекул в ограниченных объемах / А. М. Скворцов и др. //Высокомолек. Соединения., 1978.-Т.ХХ.- сер.А.- № 4.-С. 816.