Исследование реологических свойств динамических термоэластопластов

ХИМИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛИМЕРОВ

УДК 678.742.4.- G46.3

С. И. Вольфсон, Н. А. Охотина, А. И. Нигматуллина,

Р. К. Сабиров, О. А. Кузнецова, Л. З. Ахмерова

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДИНАМИЧЕСКИХ ТЕРМОЭЛАСТОПЛАСТОВ

Ключевые слова: термоэластопласт, полипропилен, бутадиен-нитрильный каучук.

Исследованы реологические свойства термоэластопластов на основе бутадиен-нитрильного каучука и полипропилена. Показано, что введение монтмориллонита не приводит к повышению вязкости расплава ДТЭП и не усложняет процесс переработки таких композитов.

Keywords: thermoplastic elastomer, polypropylene, butadiene-nitrile rubber.

The rheological properties of thermoplastic elastomers based on butadiene-nitrile rubber and polypropylene were analyzed. It was shown that the introduction of montmorillonite does not lead to increase in melt viscosity of TPV and does

not complicate the processing of such composites.

Введение

Термопластичные эластомеры являются перспективным классом композиционных материалов, так как они обладают хорошими потребительскими свойствами и экологической безопасностью, низкой стоимостью. В настоящее время повышенным спросом пользуются маслобензостойкие термоэластопла-сты, необходимые автомобильной и нефтяной промышленности. Динамические термоэластопласты с повышенной маслобензостойкостью изготавливают на основе смеси полипропилена (ПП) с бутадиен-нитрильным каучуком (БНКС), что обусловлено доступностью компонентов и их высокой стойкостью к углеводородам. Однако при смешении полярной эла-стомерной фазы и неполярной термопластичной фазы в паре бутадиен-нитрильный каучук-полипропилен (БНКС-ПП) имеет место плохая совместимость полимеров, а получаемый материал имеет невысокие упруго-прочностные характеристики. С целью улучшения совместимости полимеров и эксплуатационных характеристик в композицию вводят специальные наноразмерные наполнители, органоглины, в частности, монтмориллонит.

Экспериментальная часть

В настоящей работе исследовались динамические термоэластопласты, получаемые смешением бу-тадиен-нитрильного каучука БНКС-18АМН (ТУ 38.30313-98) и полипропилена марки Бален 01030 (ТУ 2211-074-05766563-2005) при соотношении каучука и полиолефина 70:30 по разработанному режиму в смесительной камере пластикордера Брабендер.

В качестве наполнителя использовался промышленный продукт марки С1о18Йе 15А фирмы

Rockwood (США), представляющий собой природный № - монтмориллонит (ММТ), модифицированный четвертичными аммониевыми солями:

[(RН)2(CHз)2N]+C1- где R - остаток гидрированных жирных кислот С16-С18 с исходной катионной обменной емкостью 125 экв/100г. Монтмориллонит вводил-

ся либо полипропилен, либо в каучук в количестве 1-5 мас. ч. на 100 мас. ч. полимерной фазы.

Для оценки реологических свойств разработанных композиций были изучены вязкоупругие свойства на вискозиметре MPT Монсанто при температуре 210°C.

Обсуждение результатов

Данная работа является продолжением исследований [1-3], посвященных изучению свойств динамических термоэластопластов, содержащих нанораз-мерный наполнитель. Важным было оценить реологические свойства полученных композитов.

С позиций переработки наполненных композитов важную роль играют особенности их течения. Реологические свойства наполненных композиций определяются химической природой полимерной матрицы и наполнителя, взаимодействием между компонентами, а также возможностью образования при определенных степенях наполнения достаточно прочной пространственной структуры частицами твердой фазы. Реологические свойства смесей полимеров, содержащих высокодисперсные наполнители, исследованы мало. Известно, что высокодисперсный наполнитель практически целиком остается в той из фаз гетерогенной смеси полимеров, в которую он был введен предварительно [4]. Для наполнителей с анизометрическими частицами, каковыми являются слоистые силикаты, нельзя исключать также эффект ориентации в потоке, который может существенно влиять на вязкоупругие свойства композиций. Следует отметить, что на реологические свойства смеси БНКС-18-ПП-органоглина оказывает влияние тот факт, что БНКС не обладает текучестью, т.к. эласто-мерная фаза вулканизована в динамических условиях при смешении. Влияние наполнителя на вязкость полимеров описывают зависимости n=f(9), например, уравнения:

ln

П/По=

где n - вязкость композиции; П0 - вязкость исходного полимера; ф - объемная доля наполнителя в полимере; фт - объемная доля наполнителя при его максимально плотной упаковке; КЕ - коэффициент Энштейна.

Из этих уравнений следует, что чем больше степень наполнения полимера наполнителем, тем выше вязкость наполненной системы. Однако эти уравнения справедливы только при использовании немо-дифицированных наполнителей. Таким образом, изучение влияния добавки модифицированной наноглины на реологические свойства смесей полимеров представляет практический и научный интерес. На рис. 1 приведены кривые зависимости вязкости от скорости сдвига для ДТЭП, наполненных ММТ Cloisite 15A при температуре 210°C, соответствующей температуре переработки ДТЭП в изделие.

log т]. Па»с

loS У= с-1

1-^' -»-2 З ІІ

а

log т|, Па*с

log у: с-1

-*-2 ; <| б

Рис. 1 - Зависимость вязкости от скорости сдвига при 210°С для динамических термоэластопластов, наполненных: 1 - ДТЭП не-наполненный; 2 - ДТЭП с 1 мас. ч. ММТ; 3 -ДТЭП с 3 мас. ч. ММТ; 4 - ДТЭП с 5 мас. ч. ММТ

Из рис. 1 видно, что реологическое поведение наполненных систем при низких и высоких скоростях сдвига различно. При низких скоростях сдвига вязкость не наполненного ДТЭП больше по сравнению с вязкостью наполненных систем и снижается с повышением степени наполнения композиции модифицированной глиной. Обычно наполнение полимеров дисперсными частицами сопровождается ростом вязкости системы. Однако, при использовании в качестве наполнителя модифицированной глины наблюдается обратный эффект, происходит снижение вязкости наполненной композиции. Видимо, это связано с частичной миграцией четвертичной аммониевой соли из монтмориллонита в полимерную матрицу композита. При высоких скоростях сдвига влияние степени наполнения на вязкость нивелируется, поскольку вязкость наполненного ДТЭП при высоких скоростях сдвига в первую очередь, определяется реологическими свойствами полимерной матрицы.

Кривые течения системы ДТЭП-наноглина при вводе глины в каучук или в полипропилен имеют одинаковый вид, т.е. не зависят от способа ввода глины в композицию, а введение наполнителя при любом содержании (1-5 мас. ч.) сопровождается снижением вязкости.

Выводы

Таким образом, введение монтмориллонита Cloisite 15A в динамические термоэластопласты на основе бутадиен-нитрильного каучука и полипропилена в количестве от 1 до 5 мас. ч. не приведет к повышению вязкости расплава ДТЭП и не усложнит процесс переработки таких композитов.

Литература

1. Вольфсон, С.И. Динамические термоэластопласты, модифицированные монтмориллонитом/ С.И. Вольфсон, Н.А. Охотина, А.И. Нигматуллина, Р.К.Сабиров, В.В. Власов, Л.В. Трофимов// Каучук и резина. - 2010. - № 3.-С. 11-14.

2. Нигматуллина, А.И. Свойства динамических термоэластопластов, содержащих модифицированный полипропилен и слоистый наполнитель/ А.И. Нигматуллина, С.И. Вольфсон, Н.А. Охотина, М.С. Шалдыбина// Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 9 - С. 329-333.

3. Нигматуллина, А.И. Оценка совместимости наночастиц органоглины с компонентами динамических термоэласто-пластов на основе полипропилена и бутадиен-нитрильных каучуков/ А.И. Нигматуллина, С.И. Вольфсон, Н.А. Охотина, С.В. Крылова// Вестник Казан. технол. ун-та.. -2009. - № 6. - С. 204-207.

4. Заикин, А.Е. Влияние межфазного распределения наполнителя на вязкость гетерогенных смесей полимеров/ А.Е. Заикин, В.В. Молокин// Журнал прикладной химии. 2001.-т.47.- вып.7.- С.1166-1169.

Работа проведена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы, государственный контракт №П866.

© С. И. Вольфсон - д-р техн. наук, проф., зав. каф. ХТПЭ КНИТУ; Н. А. Охотина - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, okhna@mai1.ru; А. И. Нигматуллина - асс. той же кафедры, nigmatu11ina-a1@mai1.ru; Р. К. Сабиров - докторант той же кафедры; О. А. Кузнецова - магистр КНИТУ; Л. З. Ахмерова - магистр КНИТУ.