загрузка...
загрузка...

Дослідження взаємодії між гнучколанцюговими полімерами та високодисперсними наповнювачами

Характеристика роботи

Диплом

Кількість сторінок: 88

Безкоштовна робота

ЗМІСТ
ВСТУП
Розділ 1. Структура, фазові і релаксаційні стани полімерних систем
1.1. Макромолекулярні характеристики і типологія полімерів
1.2. Структура полімерів в конденсованому стані
1.3. Релаксаційний спектр макромолекул
1.4. Гнучколанцюгові полімери, їх характеристики
1.5. Релаксаційні стани та релаксаційні переходи в гнучколанцюгових полімерах
Розділ 2. Високодисперсні наповнювачі як модифікатори полімерів
2.1. Загальні уявлення та класифікація високодисперсних наповнювачів
2.2. Розмір і форма частинок високодисперсних наповнювачів
2.3. Диспергування
2.4. Питома поверхня
2.5. Поверхнева енергія
2.6. Фізичні і хімічні властивості високодисперсних наповнювачів
Розділ 3. Взаємодія гнучколанцюгвих полімерів з високодисперсними наповнювачами
3.1. Адгезія полімерів на поверхні наповнювача
3.2. Фізична адсорбція на наповнювачах
3.3. Cіткові теорії взаємодії на межі поділу фаз полімер-наповнювач
3.4. Хімічна природа зчеплення полімер-наповнювач та активні центри на поверхні частинок наповнювача
3.5. Граничний шар на межі поділу фаз полімер-наповнювач
3.6. Напруга на поверхні поділу полімер-наповнювач
Розділ 4. Вплив взаємодії високодисперсних наповнювачів на динамічні властивості композиту
4.1. Вимірювання в’язкопружних властивостей на ультразвукових частотах
4.2. Експериментальна частина
4.2.1. Концентраційна і температурна залежність в’язкопружних властивостей ПВХ-композицій
4.2.2. Вплив міжфазного шару на температурні залежності в’язкопружних характеристик КПМ
ВИСНОВКИ
ЛІТЕРАТУРА

ВСТУП

Успіхи в розвитку фізичної хімії полімерів в останні роки в значній мірі пов’язані із створенням і дослідженням наповнених полімерних матеріалів та з розробкою фізико-хімічних основ отримання композиційних полімерних матеріалів, які знаходять широке застосування в сучасній техніці. Зараз ідуть пошуки нових композиційних матеріалів, які володіють специфічними властивостями і не характерні для чистих полімерів (висока електропровідність, теплопровідність, поглинаючі енергії).

В основі наповнення, як методу модифікації полімерів лежить напрямлена зміна комплексу міжмолекулярних взаємодій за рахунок енергетичного поля наповнювача. З цієї точки зору для вирішення конкретних задач, пов’язаних з наданням наповненим полімерам певних властивостей, важливо знати природу сил взаємодії компонентів в таких системах, яка в значній мірі визначається хімічним складом поверхні наповнювача і присутністю домішок поверхнево-активних речовин.

Властивості композиційних матеріалів визначаються наступними факторами: дисперсністю, формою і хімічною природою поверхні частинок наповнювача, розподілом його в матриці, властивостями й структурою полімера в поверхневих шарах і об’ємі, характером взаємодії на межі поділу полімер-наповнювач, методами отримання композиційних матеріалів.

Принцип отримання КПМ полягає в створенні наперед заданої комбінації двох різних фаз (наповнювача і матриці полімерара). На межі поділу між ними відбуваються різні хімічні і фізичні процеси, які приводять до взаємодії компонентів. Якраз ці взаємодії на межі поділу фаз є важливим фактором, який визначає властивості матеріалу. Процеси, які відбуваються на межі поділу двох фаз в КПМ сьогодні являють собою наукову проблему.

Вияснення механізму підсилюючої дії наповнювачів має дуже важливе значення з точки зору знаходження шляхів покращення фізико-механічних властивостей КПМ. Цей механізм не можна пояснити з якоїсь однієї точки зору – для його розуміння необхідно враховувати всі фактори, які впливають на властивості матеріалу. Отже, призначення наповнювачів – зміцнити отриманий матеріал, надати йому особливий комплекс властивостей, а також враховуючи більш низьку ціну наповнювачів, здешевити матеріал. КПМ знаходять саме широке застосування у всіх галузях народного господарства – авіації, машинобудуванні, транспорті, будівництві, сільському господарстві, медицині. Проблема взаємодії наповнювачів і полімерних матриць настільки багатогранна, що довго буде предметом вивчення.

Мета роботи: дослідити процес взаємодії високодисперсних наповнювачів з гнучколанцюговими полімерами і встановити специфічні властивості цієї взаємодії, а також з’ясувати вплив високодисперсних наповнювачів на динамічні властивості композиту.

Предмет: комплексне дослідження енергетики процесу створення композиційних матеріалів на основі високодисперсних наповнювачів.

Об’єкт: високодисперсні наповнювачі, як модифікатори гнучколанцюгових полімерів.


Розділ 1. Структура, фазові і релаксаційні стани полімерних систем

1.1. Макромолекулярні характеристики і типологія полімерів

Полімерами називають з’єднання, молекули яких складаються з великого числа атомних груп, з’єднаних хімічними зв’язками в довгі ланцюги.

Властивості, які проявляє полімер, сконцентровані в макромолекулі, тобто в молекулі полімера, яка складається з складових ланок і кінцевих груп, які повторюються. Макромолекули полімерів утворюються в процесі полімеризації низькомолекулярних сполук з ненасиченими зв’язками (мономерів):

N (CH2 = CH2) → – (CH2CH2)n

або при поліконденсації, коли взаємодія молекул супроводжується виділенням низькомолекулярних речовин (наприклад, утворення поліефіра із біфункціонального спирту і дикарбоксильної кислоти):

n HO – R1 – OH + n HOOC – R2 – COOH →O→ HO – (R1 – O – C – R2)n-1 COOH + (n-1) H2O

Речовини, з яких утворюється полімер, називають мономерами. Полімери, отримані з одного мономера, називаються гомополімерами, а з двох чи більше – сополімерами. Макромолекули полімерів являють собою лінійні, розгалужені або сіткові системи. Ланки макромолекул володіють певною автономністю – кінцеве число ступенів вільності [1].

Лінійний характер макромолекул реалізується, якщо в початковому стані мономери мають подвійну функціональність, тобто дві вільні валентності, які забезпечують можливість полімеризації або дві автономні групи, здатні до конденсації.

Розгалужені макромолекули утворюються, якщо в процесі сополімеризації бере участь невелика кількість трифункціонального мономера, а також в результаті випадкових хімічних реакцій.

При деякій критичній концентрації три- чи мультифункціонального мономера утворюється неперервна сітка. Ступені вільності ланок в сітці визначаються довжинами нерозгалужених ділянок, які визначаються кількістю ланок, які входять в ці ділянки. Зшитими чи сітковими називають полімери, ланцюги яких з’єднані між собою хімічними зв’язками в єдину сітку [4]. Сіткові структури можуть бути плоскими чи просторовими, в сітку можуть з’єднуватись дві макромолекули чи декілька.

За походженням полімери поділяють на:

1) природні полімери;

2) синтетичні полімери;

За хімічною будовою полімери поділяють на:

1) органічні полімери – в головному ланцюгу містять атоми вуглецю, кисню, азоту, сірки;

2) неорганічні полімери – складаються з неорганічних атомів і не містять органічних бокових радикалів;

3) елементарноорганічні полімери – це з’єднання, макромолекули яких поряд з атомами вуглецю містять неорганічні фрагменти.

Існує ряд характеристик полімерів:

1. Конфігурація – фіксоване розміщення атомів в полімерному ланцюгу. Перехід з однієї конфігурації неможливий без розриву хімічних зв’язків.

Конфігурація ланок існує в двох ізомерних формах: цис- (І) і транс- (ІІ)

В цис-формі замісники розміщуються по одну сторону від площини подвійного зв’язку, в транс-формі – по різні сторони.

Іншим типом конфігураційної ізометрії є l, d-ізомерія ланок.

де R, R’ – замісники різного складу, які обумовлюють асиметричність атома вуглецю С*. Цей атом є стереоізомерним центром.

Є такі конфігурації полімерів:

1) стереорегулярні: якщо наступна ланка приєднується до попередньої в тій же ізомерній формі. Для полімерів, які складаються з ланок, що повторюються типу ~СН2 – CR = CH – CH2~, характерні стереоізомерні структури, ланки яких з’єднані в положенні цис-1, 4 або транс-1, 4:

2) для вінілових полімерів, які містять асиметричний атом вуглецю, характерне існування ланок у вигляді правих чи лівих стереоізомерів. При з’єднанні однотипних стереоізомерів (l або d) утворюються ізотактичні структури ближнього порядку;

3) синдіотактичні утворюються при послідовному чергуванні однотипних стереоізомерів;

4) атактичні полімери, в яких ізо- або сіндіотактичні групи з’єднуються хаотично і є нерегулярними.

Для сополімерів характерне існування ближнього конфігураційного порядку у вигляді впорядкованого чергування ланок. При нерегулярному чергуванні ланок утворюються статистичні сополімери. Якщо послідовності мають достатню довжину, тобто дальній конфігураційний порядок то утворюються привиті або блок-сополімери.

В більшості випадків атактичний полімер не може кристалізуватись (за виключенням, коли координаційна сфера R близька до розміру ван-дер-ваальсової сфери атома водню). Ланцюг одного і того ж складу і ступеня полімеризації може існувати в 2 р-1 конфігураціях. Конформації макромолекули є носіями інформації, яка як мінімум рівна р-1. Додатковим джерелом інформації є сама структура радикала R [1]. Знаючи її можна діяти через конфігурацію макромолекули на властивості полімера в конденсованому стані в різних температурних діапазонах.

Стереорегулярні полімери здатні утворювати правильні кристалічні гратки, в елементарну ячейку яких входить одна чи декілька ланок.

2. Конформація – повороти атомів головного ланцюга макромолекули навколо простих зв’язків. Розрізняють вимушені конформації, які набувають стереорегулярні полімери вінілового ряду в кристалічній гратці і конформації обумовлені тепловим рухом, тобто ступенями вільності ланки.

Вимушені конформації стійкі лише в кристалічній гратці. Ізольовані макромолекули, наприклад в розбавленому розчині, неперервно змінюють конформацію шляхом повороту ланок одна відносно одної на деякі роздільні кути, які визначаються на основі принципів поворотно-ізомерної теорії конформацій.Ці повороти – основна форма теплового руху макромолекулярного ланцюга, який називається мікробрауновим рухом. В результаті мікробраунового руху макромолекула в кожний момент змінює свою конформацію.

Існують такі конформації макромолекул:

1) статистичний клубок – таку конформацію приймають макромолекули, для яких інтенсивність внутрішнього теплового руху переважає над зовнішньою дією;

2) конформація спіралі – характерна для білків і нуклеїнових кислот;

3) конформація глобули – таку конформацію мають макромолекули полімерів з дуже сильною внутрімолекулярною взаємодією;

4) конформація стержня;

5) конформація колінчастого валу;

6) складчаста конформація.

3. Молекулярна маса або ступінь полімеризації.

Число ланок в ланцюгу називають ступінню полімеризації Р. Добуток ступені полімеризації на молекулярну масу ланки рівний молекулярній масі полімера

Мпол = РМл

4. Структура основного ланцюга – гомоланцюгові полімери (ланцюг складається з однакових атомів), гетероланцюгові (ланцюг складається з різних атомів).

5. Полярність.

Про полярність полімера можна судити по ступені полярності груп, які входять в його склад, з врахуванням симетрії розміщення цих груп в просторі, а також частоти їх розміщення вздовж ланцюга.

6. Дифільність або амфіфільність, тобто здатність одних частин макромолекули віддавати перевагу полярному оточенню, а інших – неполярному.

7. Полідисперсність. Синтетичні полімери ніколи не бувають гомодисперсними, тобто завжди існує деякий статистичний розподіл макромолекул по ступеням полімеризації.