Пористые материалы на основе трехфазных смесей полимеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.06, кандидат химических наук Матвиенко, Александр Николаевич

• Матвиенко, Александр Николаевич
• кандидат химических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат химических наук Матвиенко, Александр Николаевич

Содержание.

Список принятых сокращений.

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1 Полимерные пористые материалы. Способы создания и области применения.

1.1.1 Пористые пленки.

1.1.2 Пористые волокнистые материалы.

1.2 Типы морфологий смесей полимеров. Методы прогнозирования типа морфологии.

1.2.1 Факторы, влияющие на морфологию смесей полимеров.

1.2.2 Формирование взаимно непрерывных структур в смесях полимеров.

1.2.3 Морфология многокомпонентных смесей полимеров.

1.2.4 Трёхкомпонентные смеси с независимым распределением фаз.

1.3 Методы определения межфазного натяжения.

1.3.1 Метод формы лежащей капли или газового пузырька.

1.3.2 Метод максимального давления в газовом пузырьке или капле.

1.3.3 Метод распада жидких цилиндров.

1.3.4 Метод вращающейся капли или газового пузырька.

1.4 Объекты и методы исследования.

1.4.1 Объекты исследования.

1.4.2 Методы исследования.

Глава 2. Прогнозирование оптимальной морфологии и выбор компонентов тройных смесей полимеров на основании межфазных характеристик.

2.1 Прогнозирование типа фазовой структуры и выбор полимерной системы.

2.2 Измерение межфазного натяжения в системах полимеров при повышенных температурах.

Глава 3. Исследование морфологии бинарных и тройных полимерных систем. Регулирование степени дисперсности.

3.1 Морфология бинарных смесей ПВБ/ПП.

3.2 Морфология тройных смесей.

3.2.1 Смеси ПВБ/ПП/ПС с содержанием матрицы ПП 60 мае. %.

3.2.2 Смеси ПВБ/ПП/ПС с содержанием матрицы ПП 50 мае. %.

3.2.3 Смеси ПВБ/ПП/ПС с содержанием матрицы ПП 40 мае. %.

Глава 4. Получение пленочных и волокнистых пористых материалов и изучение их характеристик.

4.1 Пористые пленки.

4.2 Пористые волокна.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пористые материалы на основе трехфазных смесей полимеров»

Перспективным направлением, где могут использоваться пористые полимерные материалы, является область создания фильтров для очистки жидких и газовых сред. В частности, представляет практический интерес создание волокнистых нетканых материалов для формования лицевых частей газозащитных респираторов. Повышение адгезионной способности поверхности волокон за счет пористости дает возможность нанесения на материалы, пригодные к формованию, необходимого количества сорбентов и катализаторов. Формирование пор способствует закреплению пленки сорбента, нанесенного методом пропитки на поверхности волокон, увеличивает поверхность волокон, контактирующей с газами.

Изучение процессов формирования морфологии в бинарных и многокомпонентных полимерных системах является важным направлением в создании пористых полимерных материалов, в том числе полимерных пленок и волокон с внутренними сообщающимися порами регулируемого размера.

Разработка методов прогнозирования свойств, получения и исследования пористых материалов на основе трехфазных смесей полимеров, а также оценка возможности практического применения этих материалов в области средств индивидуальной защиты и промышленной очистки воздуха является актуальной задачей.

Цель работы

Разработка и исследование пористых материалов на основе тройных гетерогенных смесей полимеров с прогнозируемой морфологией для использования в качестве основы для нанесения сорбентов и катализаторов при производстве средств защиты органов дыхания и промышленных фильтров.

Научная новизна

• С использованием метода прогнозирования определены компоненты тройной полимерной системы поливинилбутираль (ПВБ), полипропилен (ПП), полистирол (ПС), на основе которых создан тип волокна с системой внутренних сообщающихся пор регулируемого размера.

• Разработаны новые элементы методики Воннегута измерения межфазных натяжений полимер/полимер при высоких температурах и измерены их значения в системах ПВБ - IIII, ПВБ - ПС, ПВБ - полиэтилен (ПЭ) при 180°С, необходимые для прогнозирования распределения фаз в тройных смесях.

• С использованием методов сканирующей электронной микроскопии и газопропускания установлены оптимальные соотношения компонентов тройной полимерной системы ПВБ/ПП/ПС для достижения требуемых размеров пор в композиционном материале

• Установлено существенное увеличение поглощающей способности разработанных пористых волокон, импрегнированных сорбентами, по сравнению с непористыми волокнами. Показана возможность применения импрегнированных пористых волокон при производстве средств индивидуальной защиты органов дыхания и промышленных фильтров.

Практическая значимость работы

• Изготовлена установка и усовершенствована методика определения величины межфазного натяжения в расплавах полимеров методом Воннегута.

• Предложены критерии выбора (доступность, технологичность, физико-механические показатели, растворимость в экологически чистом растворителе, коэффициенты растекания, межфазные натяжения) полимерных компонентов, способных при смешении сформировать заданный тип морфологии и свойства композиции.

• Разработан способ получения волокон с внутренними сообщающимися порами на основе тройных гетерогенных смесей полимеров с гидрофильной экстрагируемой непрерывной фазой. Изготовлены и исследованы опытные образцы пористых полимерных волокон из композиционного материала ПВБ/ПП/ПС.

• Исследованы поглощающие свойства пористых волокон из композиционного материала ПВБ/ПП/ПС с нанесенным сорбентом на примере диоксида серы.

Апробация работы

Результаты работы были доложены на: Первой научно-технической конференции молодых ученых МИТХТ «Наукоемкие химические технологии» (октябрь 2005 г., Москва); XII Международной научно-технической конференция «Наукоемкие химические технологии - 2008» (сентябрь 2008г., г. Волгоград).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 2 статьи в рецензируемом журнале, 2 тезиса докладов на конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, литературного обзора, трех экспериментальных глав с результатами исследования, выводов, списка литературы и приложений. Материал диссертации изложен на 137 страницах машинописного текста и содержит 47 рисунков и 26 таблиц. Список используемой литературы содержит 89 наименований отечественных и зарубежных авторов.

Заключение диссертации по теме «Технология и переработка полимеров и композитов», Матвиенко, Александр Николаевич

Выводы

1 С использованием метода прогнозирования фазовой морфологии разработан и исследован пористый материал с регулируемым размером пор на основе тройной полимерной смеси ПВБ/ПП/ПС. Показано, что наличие развитой системы пор в волокнах из разработанного материала позволяет существенно увеличить устойчивое содержание наносимого сорбента и повысить поглощающие свойства материала на основе пористых волокон.

2 Изготовлена установка и разработана новая методика для измерения величин межфазного натяжения полимеров в расплаве, необходимых для прогнозирования типа фазовой морфологии и выбора полимерных компонентов.

3 Осуществлен количественный анализ морфологии и межфазных свойств бинарных и тройных систем на основе гидрофобных полимеров ПП, ПС и гидрофильного компонента ПВБ.

4 Установлено, что дозированием третьего полимера (ПС) можно регулировать степень дисперсности гидрофильного компонента, причем, добавление третьего компонента снижает концентрацию перехода фазы ПВБ в непрерывную в 1,5 - 2 раза.

5 Получены пористые пленки и пористые волокна с регулируемым размером пор с использованием метода селективной экстракции ПВБ,

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Матвиенко, Александр Николаевич, 2008 год

1. М. Мулдер. Введение в мембранную технологию. М.: Мир, 1999.

2. Хванг С.-Т., Каммермейер К., Мембранные процессы разделения, пер. с англ. М.: Мир, 1981.

3. Свитцов А.А. Введение в мембранные технологии М.: ДеЛи принт, 1995.

4. Орлов Н.С. Ультра и микрофильтрация. Теоретические основы. Текст лекций: МХТИ им. Д.И.Менделеева, М.,1990 г.

5. Начинкин О.И. Полимерные микрофильтры. М.: Химия. 1985.

6. Дубяга В. П., Перепечкин Л. П., Каталевский Е. Е. Полимерные мембраны. — М.: Химия, 1981.

7. Кестинг Р.Е. Синтетические полимерные мембраны. М.: Мир, 1991.

8. А. А. Свитцов, О. А. Кострикова. Электронный учебник "Полупроницаемые пористые мембраны", РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2005.

9. Мчедлишвили Б.В., Флеров Г.Н. Ядерные фильтры: новый класс микрофильтрационных мембран в прецизионном разделении коллоидных растворов // Журнал ВХО им. Д.И. Менделеева, т. XXXII, N 6, 1987, с.641-647.

10. Нечаев А.Н., Березкин В.В., Виленский А.И, Жданов Г.С., Карпухина Л.Г., Кудояров М.Ф., Митерев A.M., Митрофанова Н.В., Пронин В.А., Цыганова Т.В., Мчедлишвили Б.В.

11. Асимметричные трековые мембраны // Мембраны. 2000. № 6, с. 17-25.

12. Oganessian Yu. Ts. Track membranes, production, properties, application. Proceedings of the 3rd Conference "Particle track membranes and their applications" 26 29 October 1993. Jachranka, Poland. (Edited by W. Starosta, M. Buczkowski, Warsaw) pp. 7-17.

13. Дытнерский Ю. И. Мембранные процессы разделения жидких смесей М.: «Химия», 1975 г.

14. Апель П.Ю., Коликов В.М., Кузнецов В.И., Мчедлишвили Б.В., Потокин Н.И., Самойлова Л.И. Пористая структура, селективность и производительность ядерных фильтров с ультратонким селективным слоем // Коллоидн. журн. 1985. -Т. 47, № 4 - С. 772-776.

15. Брок Т. Мембранная фильтрация. Пер. с англ. - М.: Мир, 1987 г.

16. Первов А.Г., Макаров Р. И., Андрианов А.П., Ефре-мов Р.В. Мембраны: новые перспективы освоения рынка питьевой воды //Водоснабжение и сан. тех-ника. 2002. №10, стр. 26-29.

17. Koros W.J. Gas separation materials and membranes:some observations and suggestions // Euromembrane'95. 1995, V. 1, p. 140-143.

18. Polotsky A.E., Cherkasov A.N. The efficiency of ultrafiltrationin separation processes // Euromembrane'99.1999. V. 2, p. 250.

19. Папков С.П. Теоретические основы производства химических волокон М.: Химия, 1990 г.

20. Айзенштейн Э.М. Выпуск нетканых материалов за рубежом // Текстильная промышленность, 2003.№1-2, с 45-48.

21. Frideric F. Hend Nonwoven technology update: Spunbonds // Textile Industries, 1979.№7, P.86-88.

22. Назаров Ю.П., Коньков П.И., Кирилин E.M., Зеленов В.П., Афанасьев В.М. Технология производства нетканых материалов- М.: Легкая индустрия, 1977 г.

23. Синдеев А.А., Кваша В.Б., Фильберт Д.В. и др. Дутьевое приспособление к устройству для получения нетканых материалов из расплавов полимеров. А, с .№529272 (СССР) МКИ Д04 НЗ/00 №128455/12, опубл. 25, 11.76, Бюл. №35, с 24.

24. Стерлингов И.Н. Фильерные способы холстообразования // Текстильная промышленность, 1973, №6, с 45-47.

25. Бершев Е.Н., Куриленко А.И., Курицина В.В., Смирнов Г.П. Технология производства нетканых материалов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982 г.

26. Генис А.В. Разработка научных основ получения волокнистых материалов из расплавов полимеров аэродинамическим способом Дис. д.т.н., С-Петербург, 1999 г.

27. Нетканые материалы спанбонд. Обзорная информация. -М. :ЦНИИТЭИ-Легпром, 1966 г.

28. Грачев А.Е. Рыбакова В.И., Заметта Б.В. Некоторые вопросы технологии и экономики фильерного способа производства нетканых материалов // Текстильная промышленность, 1973.№9, с 56-58.

29. Генис А.В., Андрианова JI.H. и др. Современное состояние и перспективы производства нетканых материалов // Химические волокна, 1989.№5, с 5-10.

30. Кулезнев В.Н. Смеси полимеров М.:Химия, 1980, 304 с.

31. VanOene Н. Modes of dispersion of viscoelastic fluids in flow // J.Colloid & Interface Sci. 1972. - V.40, N3. - P.448-467.

32. Fortelny I., Zivni A. Theory of competition between breakup and coalescence of droplet in flowing polymer blend // Pol.Eng.Sci. -1995. V.35, N23. - P. 1872-1877.

33. Ghodgaonkar P.G., Sundararaj U. Prediction of dispersed phase drop diameter in polymer blend: the effect of elasticity // Polym. Eng. Sci. 1996. - V.36, N13. - P. 836-847.

34. S. Danesi Polymer blends,1992, vol. 2, pp.35-40.

35. Tsebrenko M.V., Jakob M., Kuchinka M.Yu., Yudin A.V., Vinogradov G.V. Fibrillation of crystallizable polymer in flow exemplified by melt of mixtures of polyoxymethylene and copolyamides // J.Polymeric Mater. 1974. - V.3. - P.99-116.

36. Цебренко M.B., Юдин A.B., Кучинка М.Ю., Виноградов Г.В., Зубович К.А. О механизме специфического волокнообразования при течении расплавов смесей полимеров // Высокомол. соед. -1979.-Т.21,№4.-с. 566-571.

37. Цебренко М.В. Физико-химические основы получения ультратонких синтетических волокон и новых материалов из расплавов смесей полимеров //Автореферат на соискание ученой степени доктора химических наук, 1985 Москва.

38. Vinogradov G.V., Yarlikov A.V., Tsebrenko M.V., Yudin A.V., Albazova T.I. Fibrillation in the flow of polyoxymethylene melts // Polymer. 1975. - V.16, N8. - P.609-614.

39. Ehtaiatkar F., Folkes M.J., Stedman S.C. In situ prodaction of polyethylene fibres from polymer blend //J. Mater. Sci. 1989. -V.24. - P.2808-2814.

40. Мирошников Ю.П., Виллиамс X.JI., Дисперсная структура и механические свойства экструдированных смесей ПП/ПС // Высокомол соед. 1982. - Т.24, №8. - С.1606-1614.

41. Д. Пол, Волокна из смесей полимеров, в книге полимерные смеси (под ред.: Д. Пола и С. Ньюмена), пер. с англ., М.: Мир, 1981, т.2, гл 16, с 179-232.

42. Kulichikhin V., Plotnikova Е., Subbotin A., Plate N. Specific rheology morphology relationship for some blends containing LCPs //Rheol.Acta. -2001. - V.40. - P.49-59.

43. Лу Денчун. Коаксиальная модель для исследования капиллярного течения смесей полимеров // Автореферат насоискание ученой степени кандидата химических наук, Москва 1994.

44. Мирошников Ю.П., Андреева Е.Н. Особенности течения смесей ПП/ПС с коаксиальной фазовой структурой.// Высокомол. соед. 1987. - Т.29, №3. - С.579-582.

45. Мирошников Ю.П., Гордей Д.Л., Волошина Ю.Н. Влияние параметров фазовой структуры на текучесть полимерных смесей // Колл.Журн. 1990. - Т.52. - С.380-383.

46. Полимерные смеси. Т.1. Под редакцией Пола Д., Ньюмена С. -М.: Мир, 1981. С.396.

47. J. Lyngaae-Jorgensen, L.A. Utracki. Dual phase continuity in polymer blends. Macromol. Chem., Macromol. Symp. 48/49, 189209.

48. R.C. Willemse, A.P. de Boer, J. Van Dam, A.D. Gotsis. Co-continuous morphologies in polymer blends: the influence of the interfacial tension//Polymer, Vol. 40. 1999. 827-834

49. D. Bourry, B.D. Favis. Co-continuity and Phase Inversion in HDPE/PS blends: Influence of Interfacial Modification and Elasticity // Journal of Polymer Science: Part B: Polymer Physics, Vol. 36, 1998. 1889-1899

50. Miroshnikov Yu. P. Some ideas concerning blending mechanism // Proc. Polymer Processing Soc. Europ. Meeting. Sept. 25-28, 1995, Stuttgart, Germany, Abstract N 3.10.

51. Shih C.K. Adv // Polym. Technol., Vol. 11. 1992. 223-226

52. Lee J.K. Han C.D. Evolution of polymer blend morphology during compounding in an internal mixer // Polymer, Vol. 40. 1999. 62776296

53. Lazo N.D.B. Scott C.E. Morphology development during phase inversion of a PS/PE blend in isothermal, steady shear flow // Polymer, Vol. 40. 1999. 5469-5478

54. Lazo N.D.B. Scott C.E. Morphology development during phase inversion in isothermal, model experiments: steady simple-shear and quiescent flow fields // Polymer, Vol. 42. 2001. 4219-31

55. D.R. Paul and J.W. Barlow, J. Macromol. Sci., Rev. Macromol. Chem., С18. 1980. 109-114

56. V.I. Metelkin and V.S. Blekht, Colloid. J. USSR, 46, 1984. 425-437.

57. R.C. Willemse, A.P. de Boer, J. Van Dam, A.D. Gotsis. Co-continuous morphologies in polymer blends: the influence of the interfacial tension // Polymer, Vol. 40. 1999. 827-834

58. D. Bourry, B.D. Favis. Cocontinuity and Phase Inversion in HDPE/PS blends: Influence of Interfacial Modification and Elasticity // Journal of Polymer Science: Part B: Polymer Physics, Vol. 36, 1998. 1889-1899

59. L.A. Utracki. Polymer Alloys and Blends // Hanser Publishers, New York, 1989.

60. S. Steinmann, W. Groncki, C. Friedrich. Co-continuous polymer blends: influence of viscosity and elasticity ratios of the constituent polymers on phase inversion // Polymer, Vol. 42. 2001. 6619-6629

61. J. Lyngaae-Jorgensen, L.A. Utracki. Dual phase continuity in polymer blends 11 Macromol. Chem., Macromol. Symp. 48/49, 189209

62. H. Jinnai, T. Hashimoto, D. Lee, S. Chen. Morphological Characterization of Bicontinuous Phase-Separated Polymer Blends and One-Phase Microemulsions // Macromolecules, Vol. 30. 1997. 130-136

63. E.H.A. de Hoog. Interfaces and crystallization in colloid-polymer suspensions. Research program of the Foundation for Fundamental Research on Matter. Utrecht University. 2001

64. Harkins W.D. The physical chemistry of surface films. New York: Reinhold Pub. Co. - 1952. - P.23.

65. Hobbs S.Y., Dekkers M.E.J., Watkins V.H. Effect of interfacial forces on polymer blend morphologies // Polymer. 1988. - V.29. -P.1598-1602.

66. Ioanis G. Kokkinos, Marios K. Kosmas. Surface enrichment from a binary polymer blend // Macromolecules. 1997. - V.30. - P.577-583.

67. James P. Donley, David T. Wu, Glenn H. Fredricson. On the control of surface enrichment in polymer blends and copolymer // Macromolecules. 1997. - V.30, N.7. -P.2168-2174.

68. Shin Horiuchi, Nuanjan Matchariyakul, Kiyoshi Yase, Takeshi Kitano. Morphology development through an interfacial reaction in ternary immiscible polymer blends // Macromolecules. 1997. -V.30. - P.3664-3670.

69. Gui H.F., Gvozdic N.V., Meier D.J. Prediction and manipulation of the phase morphologies of multiphase polymer blends // Polymer. -1997. V.38. - P.4915-4923.

70. Мирошников Ю.П. Закономерности смешения и формирования фазовой структуры в гетерогенных полимерных системах //Автореферат на соискание ученой степени доктора химических наук, 1996 Москва.

71. Волошина Ю.Н. Модификация бинарных смесей несовместимых полимеров добавками третьего полимерного компонента // Диссертация на соискание ученной степени кандидата химических наук. Москва, 1993.

72. Мирошников Ю.П., Волошина Ю.Н., Штер Й. Коалесценция в процессах смешения расплавов несовместимых полимеров // Мех. композит, матер. 1991. - №2. - С.341-345.

73. Miroshnikov Yu. P. Some ideas concerning blending mechanism // Proc. Polymer Processing Soc. Europ. Meeting. Sept. 25-28, 1995, Stuttgart, Germany, Abstract N 3.10.

74. Кулезнев B.H. Коллоидная химия полимеров // Коллоидный журнал -1983, т. 35, №4 с. 627-635

75. С.Ву Межфазная энергия, структура поверхностей и адгезия между полимерами, в книге полимерные смеси (под ред.: Д. Пола и С. Ньюмена), пер. с англ., М.: Мир, 1981, т.1, гл 6, с 282332.

76. П.П. Пугачевич, Э.М. Бегляров, И.А. Лавыгин, Поверхностные явления в полимерах М., Химия, 1982.

77. Р.Н.М. Elemans, J. M. H. Jassen, H. E. H. Meijer // J. Rheol., 1990, vol. 34, N8, pp. 1311-1325.

78. H.M. Princen, I.Y.Z. Zia, S.G. Mason // J. Coll. Interf. Sci., 1967 vol. 23, N 1, pp. 99-107.

79. J. J. Elmendorf, G. de Vos // J. Polymer Engineemg and Science, 1986, vol. 26, N6, pp. 415-417.

80. T. Patterson, K.H. Hut, Т.Н. Grindstaff// J. Polymer Sci., 1971, pt C, vol.34, N0, pp. 31-43.

81. M.A. Letuchii, L.Ya. Klepper, and Yu.P. Miroshnikov, Computer-Aided Image Analysis of Multiphase Polymer Blend Morphology // Polymer Science, A, vol.41, №2, 1999, c. 195-201

82. M.A. Летучий, Роль концентрационных и межфазных эффектов в формировании фазовых структур тройных гетерогенных смесей полимеров // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук, М., 2001.

83. Ю.П. Мирошников, М.А. летучий, P.J. Lemstra, А.В. Govaert-Spoelstra, Y.M.T. Engelen, Морфология многофазных смесей полимеров. Формирование непрерывных фаз в тройных системах // Высокомолекулярные соединения, серия А, 2000, т. 42, №7, с. 1200-1212.

84. Ю.С. Липатов, Д.Н. Веселовский, Ю.Ю. Керча и др., Справочник о физической химии полимеров. Свойства растворов и смесей полимеров Киев: Наукова думка, 1984, с. 260-270.

85. Энциклопедия полимеров. Советская энциклопедия. Москва, 1977.

86. Кей Дж., Лэби Т., Таблицы физических и химических постоянных М.: Государственное изд-во физико-математической литературы, 1962.

87. Ю.С. Липатов, Межфазные явления в полимерах Киев: «Наукова думка», 1980, с. 245-255.

88. В.Н. Кулезнев, С.С. Воюцкий, О «локальной диффузии» и «сегментальной растворимости» полимеров // Коллоид, журн., 1973,35 с. 40-43.