Автореферат (Разработка многокомпонентных капсулированных гетерогенных смесей полимеров с повышенной межфазной адгезией)

На правах рукописиПолдушов Максим АлександровичРАЗРАБОТКА МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ КАПСУЛИРОВАННЫХГЕТЕРОГЕННЫХ СМЕСЕЙ ПОЛИМЕРОВ С ПОВЫШЕННОЙМЕЖФАЗНОЙ АДГЕЗИЕЙСпециальность 05.17.06 – Технология и переработка полимеров и композитовАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учѐной степеникандидата химических наукМосква – 2016Работа выполнена на кафедре химии и физики полимеров и полимерных материалов им.Б.А.ДогадкинаИнститутатонкиххимическихтехнологийФедеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования«Московский технологический университет»Научный руководитель:Официальные оппоненты:Мирошников Юрий Петровичдоктор химических наук, профессор, профессор кафедрыхимии и физики полимеров и полимерных материаловБ.А.

Догадкина Института тонких химическихтехнологий Федерального государственного бюджетногообразовательного учреждения высшего образования«Московский технологический университет»Кербер Михаил Леонидовичдоктор химических наук, профессор, профессор кафедрытехнологии переработки пластмасс Федеральногогосударственногобюджетногообразовательногоучреждения высшего образования «Российский химикотехнологический университет имени Д.И. Менделеева»Андриасян Юрик Оганесовичдоктор технических наук, профессор, ведущий научныйсотрудник лаборатории физико-химии композицийсинтетических и природных полимеров Федеральногогосударственного бюджетного учреждения наукиИнститута биохимической физики им. Н.М.

ЭмануэляРоссийской академии наукВедущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение наукиОрдена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН).Защита диссертации состоится «21» декабря 2016 г. в 13 часов в ауд. А-221 на заседаниидиссертационного совета Д 212.131.09 на базе Федерального государственногобюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московскийтехнологический университет» по адресу 119831, г. Москва, ул. Малая Пироговская, д. 1.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственногобюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московскийтехнологический университет» по адресу: 119571, г.

Москва, пр. Вернадского, д. 86 и наинтернет-сайте www.mirea.ru.Автореферат диссертации размещѐн на официальном сайте Федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования«Московский технологический университет»: www.mirea.ru.Автореферат диссертации разослан «___» _________ 2016 г.Учѐный секретарь диссертационногосовета Д 212.131.09, д.

т. н., доцентНаумова Ю. А.2Актуальность работы. Полимерные смеси находят широкое применение вомногих областях науки и техники. Их свойства определяются рядом факторов, втомчисле,морфологией,свойствамиотдельныхфазиинтенсивностьювзаимодействий на их границе. Фазовая морфология смесей, в свою очередь,зависит как от вязкоупругих и реологических свойств компонентов, параметровпроцесса смешения, так и от межфазной адгезии, являющейся функциеймежфазного натяжения.

Таким образом, параметры границы раздела фазполимер/полимеркомпозиции,являютсяопределяющимиважнейшимихарактеристикамиеефизико-механическиеконечныеполимернойсвойства.Известно несколько способов усиления межфазной адгезии, среди которыхнаиболее популярным является введение в смеси блок- или привитых сополимеров,концентрирующихся на границе раздела фаз и вызывающих значительноеулучшение механических характеристик. Популярны также производимые впромышленных масштабах компатибилизирующие добавки, представляющиесобой сополимеры и/или смеси полярных полимеров. Однако стоимость такихмодификаторов достаточно высока, так как их производство связано с химическимсинтезом. Кроме того, число их ограничено, а эффективность действияраспространяется лишь на ограниченный круг полимерных смесей.

В связи с этимвполне актуален и оправдан поиск новых решений проблемы усиления межфазнойадгезии в гетерогенных полимерных системах.Целью работы являлась разработка композиций, на основе гетерогенныхкапсулированных полимерных смесей, с улучшенными физико-механическимисвойствами, путем введения в бинарные смеси малых дозировок третьегокомпонента, образующего новые границы раздела с повышенной межфазнойадгезией.Для достижения цели решали следующие задачи:1. Разработкаповерхностнойопытно-расчетногометодаопределениясвободнойэнергии индивидуальных полимеров, а также межфазногонатяжения для различных полимер-полимерных систем.2.

С использованием этих данных на основе теории коэффициентов растеканияосуществляли прогнозирование типа фазовой морфологии тройных гетерогенных3смесей полимеров с целью выявления и отбора композиций, образующих присмешении капсулированные структуры.

Адекватность прогноза оценивали путемнепосредственного анализа сформировавшейся при смешении морфологии спомощью метода электронной сканирующей микроскопии (СЭМ).3. Проанализировать влияние на физико-механические свойства композициймалых добавок третьей фазы, образующей оболочку композиционных частицдисперсной фазы, и способствующих усилению межфазной адгезии на границах сматрицей.4. Продемонстрировать возможность усиления границ раздела в бинарныхсмесях полимеров с использованием низкомолекулярных добавок, в том числеолигомеров, химически активных веществ и углеродных волокон и оценитьвлияние распределения этих компонентов по фазам в полимерных смесях напрочностные свойства композиций.Научная новизна.1.

Установлено, что введение в бинарную смесь малых количеств третьегополимера или низкомолекулярной добавки, которые самопроизвольно в процессесмешения разместятся на границе раздела фаз, приводит к заметному улучшениюфизико-механических свойств композиций вследствие формирования новыхграниц раздела с более низким межфазным натяжением. Необходимым условиемдостижения эффекта усиления является минимальное количество третьей фазы,достаточное для формирования тонкого слоя на границе раздела, но не влияющегона объемные свойства смеси.2. Адекватность представленной концепции экспериментально подтвержденана примере двух типов олигомерных (механически "слабых") добавок. Те из них,которые проявляли способность к капсулированию частиц дисперсной фазы,демонстрировали усиление механических характеристик тройных композиций,тогда как другие такими качествами не обладали.3. С использованием разработанной опытно-расчетной методики определенызначения свободной поверхностной энергии, ее составляющих и межфазногонатяжениядляболеечем100бинарныхсмесейтермопласт/термопласт,термопласт/эластомер и эластомер/эластомер, отсутствовавшие в литературе инеобходимые для прогнозирования морфологии многокомпонентных гетерогенных4смесейполимеров.Адекватностьполученныхмежфазныххарактеристикподтверждена экспериментально на примере нескольких тройных композиций.4.

Установлено экспериментально, что значения межфазного натяжения длясмесей эластомеров, рассчитанные для комнатной температуры, могут бытьиспользованы для прогнозирования типа фазовой морфологии и при более высокихтемпературах, использующихся в реальных процессах смешения. Это существеннорасширяет возможности адекватного целенаправленного выбора компонентов приразработке новых многофазных эластомерных композиций.5. Предложен и апробирован способ "механического" усиления межфазнойграницы путем введения коротких высокомодульных волокон, концентрирующихсяпреимущественно в одной из фаз, но проникающих в другую фазу через границураздела, и обеспечивающих значительное повышение прочности композиции дажепри небольших концентрациях наполнителя.Практическая значимость.1.

Предложенановаяконцепцияразработкимногофазныхполимерныхкомпозиционных материалов с улучшенными физико-механическими свойствами,состоящая в замене "слабой" границы раздела в бинарных смесях на границыраздела с более сильной межфазной адгезией, формирующиеся в тройных системахс капсулированием фаз. Это позволит существенно расширить круг новыхкомпозиционныхматериалов,используемыхвразличныхотрасляхпромышленности.2. Предложенная методика расчета значений межфазного натяжения в смесяхполимеров и использование этих характеристик для прогнозирования образованияморфологии многокомпонентных систем с капсулированием фаз позволяетотказаться от неэффективного способа "проб и ошибок" при выборе необходимыхкомпонентов смесей, что существенно облегчит задачу разработки новыхкомпозиций с улучшенными механическими свойствами.3.

Продемонстрированная возможность заметного улучшения механическихсвойств бинарных смесей полимеров введением минимальных дозировок жидкого(механически слабого) компонента, располагающихся на границе раздела фаз (т.е.,капсулирующих частицы дисперсной фазы) может послужить основой длясоздания новых композиционных материалов с улучшенными свойствами.54. Практический интерес могут представлять композиции, наполненныекороткими волокнами, которые, в соответствии с прогнозом, концентрируютсяпреимущественно в одной их полимерных фаз, но концы которых, проходя черезграницу раздела, проникают и в альтернативную фазу, усиливая тем самыммежфазную адгезию.Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсужденына следующих мероприятиях: XIII ежегодной международной молодежнойконференции ИБХФ РАН-Вузы, Москва, 28–30 окт. 2013 г.; V Молодежнойнаучно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии-2013»Москва, 1–2 нояб.

2013 г.; III Всероссийской конференции «Каучук и резина –2013: традиции и новации», Москва, 24-25 апр. 2013 г.; 6-й всероссийскойКаргинской конференции «Полимеры – 2014», Москва, 27–31 янв. 2014 г.; IVВсероссийской конференции «Каучук и резина-2014: Традиции и новации»,Москва, 23-24 апреля 2014 г.; VI Молодежной научно-технической конференции«Наукоемкие химические технологии-2015», Москва, 11–12 ноября 2015 г.Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9печатных работ, в том числе 2 статьях в рецензируемом научном журнале,входящем в перечень ВАК Минобрнауки России и 7 тезисах докладов в материалахроссийских и международных конференций.Структура работы.