Совершенствование физико-механических свойств слоев на основе полимер-желатиновых композиций

УДК 678

Н. И. Ли, Ю. Д. Сидоров, В. О. Маямсина

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СЛОЕВ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕР-ЖЕЛАТИНОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Ключевые слова: физико-механические свойства, дубление, температура плавления, механическая прочность, вязкость.

Показано, что введение бис(винилсульфонил)метана в состав полимер-желатиновой композиции способствует задубливанию полимер-желатиновых слоев и, как следствие, повышению температуры плавления и механической прочности. Увеличение количества BVSM выше 0,20 г/г желатина не приводит к дальнейшему повышению физико-механических свойств сформированных слоев, что может свидетельствовать о протекании полной химической реакции сшивки реакционноспособных групп желатина.

Keywords: physico-mechanical properties, tanning, melting point, mechanical strength, viscosity.

It is shown that injection of bis (vinylsulfonyl) methane in gelatin polymer composition stitching gelatinous polymer layers and, consequently, increase the melting point and mechanical strength. Increasing BVSM above 0.20 g/g gelatin did not further improve the physical and mechanical properties of the layers formed, which may indicate full flow chemical crosslinking reaction of reactive groups of gelatin.

Введение

Полимер-желатиновые пленочные композиции находят применение при изготовлении радиографических материалов для неразрушающего контроля и упаковочных биоразлагаемых материалов. Они легко формируют пленки из водных растворов, имеют развитую сырьевую базу и достаточно дешевы.

Основной причиной, ограничивающей широкое применение пленочных материалов, являются их низкие физико-механические свойства, особенно в водных и в водно-щелочных средах. Это относится к сдерживающим факторам и затрудняет обработку радиографических материалов в автоматических устройствах при температурах более 30 оС и использование полимер-желатиновых пленок в качестве биоразлагаемых упаковочных материалов.

Одним из основных путей совершенствования физико-механических свойств таких пленочных материалов является применение дубящих веществ, которые вводятся на стадии подготовки полимер-желатиновой композиции к поливу. Дубящие вещества взаимодействуют с желатином и формируют сетчатую пространственную структуру, которая способствует повышению температуры плавления полученной пленки, механической прочности, снижению набухаемости и водопоглощения.

Цель исследований

Целью настоящей работы являлось изыскание веществ, обеспечивающих повышение физикомеханических свойств полимер-желатиновых пленочных материалов.

Для выполнения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

• исследовать зависимость вязкости поли-мер-желатиновой композиции от времени выстаивания;

• исследовать зависимость физикомеханических свойств полимер-желатиновых плёнок от концентрации вводимых соединений, времени хранения и условий хранения.

Методика эксперимента

В качестве дубящего вещества исследовали бис(винилсульфонил)метан (БУ5М). Указанное соединение вводили в виде водного раствора в поли-мер-желатиновую систему непосредственно перед формированием слоя. Композиция содержала в качестве пленкообразующих веществ желатин, полиакриламид и сополимер бутилакрилата, стирола и метакриловой кислоты. Для улучшения равномерности нанесения в композицию вводили дикалиевую соль продукта поликонденсации 1 моля октаглицерида 2-этилгексинилянтарной кислоты с 2 молями 2-этилгексинилянтарного ангидрида (смачиватель СВ-133) и глицерин в качестве пластификатора.

Экспериментальная часть

При введении раствора БУ5М в композицию наблюдалось увеличение вязкости при термостатном выстаивании перед формированием пленки. Температура в процессе выстаивания составляла 45оС. Вязкость определяли капиллярным методом с использованием вискозиметра Оствальда по ГОСТ 10028-81.

На рисунке 1 представлены кривые зависимости вязкости композиции, содержащей БУ5М в различных количествах, при термостатном выстаивании перед формированием пленки.

Рис. 1 - Изменение вязкости композиции, содержащей БУ8М в различных количествах, при термостатном выстаивании перед формированием пленки

Из рисунка 1 видно, что при малых концентрациях этого соединения вязкость композиции возрастала незначительно. Увеличение концентрации BVSM, приводило к резкому повышению вязкости композиции, наблюдаемому через три часа выстаивания. Это свидетельствует о том, что в процессе выстаивания проходит процесс взаимодействия реакционноспособных групп желатина с BVSM и, как следствие, повышение молекулярной массы полимера и, соответственно, вязкости.

Эксперименты показали, что при увеличении концентрации желатина в композиции также наблюдалось повышение вязкости. Этот процесс ускорялся и при повышении температуры выстаивания.

Концентрированные растворы желатина, содержащие фибриллярные макромолекулы, в отличие от разбавленных растворов, где макромолекулы желатина присутствуют в виде глобул, способствуют более значительному росту вязкости композиции, что подтверждается значительным ростом вязкости при повышении концентрации желатины.

Как правило, протекание таких процессов продолжается также после формирования слоя в готовой плёнке и сопровождается изменением её физико-механических свойств в процессе хранения (так называемый эффект «последующего дубления»).

На рисунке 2 приведены значения температуры плавления образцов плёнок при введении BVSM на 1 и 7 сутки после формирования слоя.

Температура плавления пленок (ГОСТ 25635 - 2003), содержащих BVSM, изменялась в процессе хранения после формирования слоя в течение 5 - 7 суток, что свидетельствовало о продолжении процесса сшивки (создание пространственной сетки).

На этот процесс оказывали значительное влияние относительное влагосодержание окружающего воздуха и его температура. Повышение относительной влажности и температуры также ускоряли процесс пространственной сшивки реакционноспособных групп макромолекул желатина.

На рисунке 3 показано изменение механической прочности (ГОСТ 25895-2007) плёнок при введении BVSM.

Температура плавления, Т

Ы Г

№ Р Р Р

1 Р Р Р Р Р

11п И11 г

о ' 0,05 ' 0,10 1 0,20  0;30

Кол-во ВУЗМ г/г желатина

1 сутки

7 сутки

Рис. 3 - Изменение механической прочности сло-ёв при введении БУ8М в процессе хранения

Как видно из рисунка 3 введение BVSM в состав композиции для изготовления пленки приводит к росту механической прочности, особенно в процессе хранения.

Возрастание вязкости полимер-желатиновой композиции при выстаивании в присутствии BVSM ограничивает возможность его практического применения и требует оптимального подбора концентрации и условий введения для осуществления возможности формирования пленки. Предварительные эксперименты показали, что нарастание вязкости композиции определяется температурой, при которой композиция выдерживается перед нанесением: понижение температуры препятствует нарастанию вязкости. С другой стороны, уменьшение общей концентрации полимеров и желатина в композиции также препятствует нарастанию вязкости при тер-мостатировании перед формированием пленки.

На рисунке 4 показано изменение вязкости полимер-желатиновой композиции, содержащей BVSM в количестве 0,2 г/г желатина при разбавлении исходной композиции водой на 10, 20, 30 и 40 % соответственно при термостатном выстаивании.

Вязкость, сПз

20 I

Разе 100 200 3 эавление: —♦—.40 % -И-30% )0 4 їремя вьістаї. 20 % - )0 ' ванмя; мин Ш- 10%

Рис. 2 - Изменение температуры плавления плёнок при введении БУ8М в процессе хранения

Рис. 4 - Изменение вязкости композиции, содержащей БУ8М, в процессе выстаивания в зависимости от концентрации полимеров и желатина в композиции

Как видно из рисунка 4 уменьшение концентрации полимеров и желатина снижает рост вязкости композиции при термостатном выстаивании перед формированием пленки.

При одном и том же количестве BVSM в композиции, при высоких концентрациях исходных веществ, нарастание вязкости происходит достаточно резко. Уже через два часа вязкость заметно возрастает, а через четыре часа она достигает такого значения, при котором из композиции невозможно сформировать слой. Разбавление композиции приводит не только к снижению вязкости, но также к уменьшению нарастания вязкости при термостатном выстаивании композиции. Снижение концентрации исходных веществ позволяет увеличить время выстаивания композиции в 2-2,5 раза.

Выводы

1. Результаты экспериментов показали, что введение бис(винилсульфонил)метана (BVSM) в состав композиции способствует повышению физико-механических свойств (температуры плавления, и механической прочности) полимер-желатиновых пленок.

2. Увеличение количества BVSM выше оптимального значения (0,20 г/г желатина) в композиции не приводит к дальнейшему повышению физико-механических свойств сформированных слоев, что может свидетельствовать о протекании полной химической реакции сшивки реакционноспособных групп желатина.

3. Использование BVSM требует оптимизации концентрации полимеров в составе композиции.

Литература

1. Дьяконов А.Н., Завлин П.М. Полимеры в кинофотоматериалах //Л.: Химия, 1991, 240 с.

2. Дьяконов А.Н. Химия фотографических материалов //М.: Искусство, 1988, 272 с.

3. Ли Н.И. Особенности формирования радиографических изображений в полимер-желатиновой матрице галоге-нидосеребряных фотоматериалов / Н.И. Ли, А. С. Хаби-буллин //Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 10. -С. 237-243.

4. Ли Н.И. Изучение зависимости фотографических свойств фотоматериала на полимерной подложке от энергии экспонирующего излучения / Н.И., Ли, А.С. Ха-бибуллин // Вестник Казан. технол. ун-та.- 2011. - №4. -С. 110-113.

© Н. И. Ли - канд. техн. наук, доц. каф. ТППК КНИТУ, ninel@kstu.ru; Ю. Д. Сидоров - канд. техн. наук. ст. препод.каф. ПИМП, sidud@mail.ru; В. О. Маямсина - магистрант каф. ТППК КНИТУ, angel.91.91@list.ru.