Влияние состава сэвиленовых композиций на прочность их адгезионного соединения со сталью

Р. М. Хузаханов, Э. Р. Мухамедзянова, А. Е. Заикин, Я. В. Капицкая,

Н. Н. Никитина, О. В. Стоянов

ВЛИЯНИЕ СОСТАВА СЭВИЛЕНОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ПРОЧНОСТЬ ИХ АДГЕЗИОННОГО СОЕДИНЕНИЯ СО СТАЛЬЮ

Изучены концентрационные зависимости для бинарных смесей сополимеров этилена с винилацетатом, отличающихся содержанием винилацетатных групп.

В технологии заводской изоляции стальных труб методом экструзии используется полиэтилен (ПЭ), недостатком которого является низкая адгезионная способность. Специфика формирования покрытия методом экструзии такова, что затрудняет достижение требуемой величины прочности адгезионного соединения даже модифицированного ПЭ с металлом из-за кратковременности процесса их термического контактирования в первом случае и низкой температуры формирования во втор Для достижения необходимого уровня адгезионной прочности используют материалы (клеи-расплавы) на основе сополимеро этилена с винилацетатом (СЭВА). Необходимость совершенствования и расширения ассортимента адгезионных композиций диктуется ростом объемов их использования, необходимостью успешно конкурировать с зарубежными аналогами и постоянн растущим уровнем технических требований. Один из путей решения этой задачи - разработка новых материалов на базе отечественного сырья. Можно ожидать, что физическая модификация полимерной матрицы путем смешения полимеров позволит получить композиции с улучшенными адгезионными характеристиками. С этой точки зрения перспективными для исследования представляются смеси промышленных сополимеров этилена и винилацетата, отличающихся содержанием винилацетатных групп.

Таблица 1 - Характеристики СЭВА________________________________________________________

Марка СЭВА СЭВА СЭВА СЭВА СЭВА СЭВА

11104-030 11306-075 11306-075 12306-020 1708-1250 11808-1750

Условное обозначение СЭВА 111 СЭВА 113 СЭВА 115 СЭВА 123 СЭВА 117 СЭВА118

Содержание

винилацетата, % Показатель 7 14 22 22 29 29

текучести расплава, 2.4

г/10мин

Адгезионная прочн., кН/м 6 7.8 7.5 5.3 8.5 7.2

Исходя из высказанных выше предположений, были изучены концентрационные зависимости А для бинарных смесей СЭВА е присутствии оптимального для ПЭ и СЭВА 10%-ного содержания минерального наполнителя - микроталька.

Содержание винилацетатных звеньев в СЭВА варьировали от 7 до 29% (табл.1). Методики эксперимента описаны в [1]. Известно, что свойства бинарных полимерных смесей во многом определяются их фазовой структурой, определяемой термодинамической совместимостью. В нашем случае мы имеем компоненты одинакового химического состава, взаиморастворимость которых уменьшается с увеличением разницы в концентрации винилацетатных звеньев и с ростом молекулярной массы.

Концентрационные зависимости А представлены на рис.1-4. Для удобства представления и обсуждения результатов исследуемые объекты разбиты на “ряды”, чтобы проследить влияние разницы в кон-

0.2 ------------------------------

0 40 30

СЭВА 113,%

Рис. 1 - Концентрационная зависимость прочности адгезионного соединения со сталью для смесей: 1-СЭВА111-СЭВА118; 2 - СЭВА123-СЭВА118;

3 - СЭВА117-СЭВА118

концентрации винилацетата и вязкости на изменение характера кривых А в зависимости от соотношения компонентов. Рассмотрим композицию СЭВА118-СЭВА111 (рис.1). Данная система характеризуется максимальной разницей в содержании винилацетатных звеньев и вязкости (табл.1). Для нее характерен минимальный уровень взаиморастворимости компонентов, < следовательно, низкая адгезия между фазами, что подтверждается изучением фазовой структуры данной композиции, котора исследовалась с помощью силовой зондовой и фазово-контрастной оптической микроскопии.

Зависимости физико-механи-ческих показателей от состава для данной композиции представляют собой кривые с минимумо! области соотношений компонентов близких к средним. Аналогичный характер зависимости наблюдается и для А (рис.1). Име

место качественное согласие адгезионной прочности данной композиции с показателями модуля упругости, разрушающего напряжения при растяжении, относительного удлинения при разрыве и удельной работы разрушения. Полученный результат понятен, так как А данной системы определяется когезионной прочностью материала, и разрушение носит когезионный характер.

Уменьшение разницы в содержании винилацетатных звеньев в ряду композиций СЭВА118-СЭВА111, СЭВА118-СЭВА123, СЭВА118-СЭВА117 с 22% до 0% приводит к изменению характера концентрационной зависимости А (рис.1). Наблюдается переход от кривой с минимумом (СЭВА118-СЭВА111) к кривым с незначительными отклонениями от аддитивности (СЭВА118-СЭВА123, СЭВА118-СЭВА117). Полученный результат качественно согласуется с результатами изучения физико-механических свойств смесей._______________

СЭВА 111,%

Рис. 2 - Концентрационная зависимость А для композиций: 1 -СЭВА111-СЭВА113; 2 - СЭВА111-СЭВА115; 3 -СЭВА111-СЭВА123; 4 - СЭВА111-СЭВА118

4- 1

Т-----------1----------1----------г

О 40 30

СЭВА 113,%

Рис. 3 - Концентрационная зависимость А для композиций: 1 -СЭВА113-СЭВА111; 2 - СЭВА113-СЭВА115; 3 -СЭВА113-СЭВА123

Таким образом, существует оптимальная разница в содержании винилацетата, при которой определенное соотношение компонентов полимерной пары приводит к экстремальному росту А. Такая ситуация реализуется и для других рядов полимерных пар СЭВА (рис.2-4): характер кривых закономерно изменяется и существуют полимерные пары, для которых этот характер экстремален. Важно отметить, что возможность значительного экстремального роста адгезионной прочности зависи только от разницы в содержании винилацетатных звеньев, но и от молекулярных характеристик компонентов. Например (ри< для системы СЭВА115-СЭВА111 наблюдается существенный рост А, в то время как для системы СЭВА123-СЭВА111 он выражен крайне слабо. СЭВА115 и СЭВА123 имеют одинаковое содержание винилацетата, но существенно отличаются по вязкости, а, следовательно, по молекулярной массе, которая для СЭВА123 в несколько раз выше (табл. 1). Таким образом, с ростом молекулярной массы снижается совместимость компонентов, что сказывается на межфазной адгезии, а, следователь и на других свойствах. Такая же ситуация наблюдается для всех систем, где СЭВА115 заменен на СЭВА123 (рис.2-4). Значительный (кратный) экстремальный рост А наблюдается для полимерной пары СЭВА115-СЭВА113, которая демонстриру наиболее ярко выраженные особенности в изменении физико-механических характеристик. Эти особенности выражаются в превышении значений модуля упругости и разрушающего напряжения при растяжении над аддитивными значениями во всем диапазоне компонентов. Данная система характеризуется высоким уровнем взаиморастворимости компонентов, что подтверждают данные, полученные с помощью фазово-контрастного оптического микроскопа. Фазовая структура этой композиции аналогична фазовой структуре исходного СЭВА113. В целом для всего массива изученных полимерных пар наблюдается качественное согласие между результатами оценки адгезионных и физико-механических характеристик: с появлением и ростом величины экстремума А для физико-механических показателей наблюдается переход от кривых с минимумом к аддитивным зависимостям и зависимостям, описываемым кривыми, превышающими аддитивные. Полученные данные позволяют предположить, что для некоторых полимерных пар, в особенности для смеси СЭВА115-СЭВА113, межмолекулярное взаимодействие между макромолекулами разных сополимеров (в разной степени) превышает межмолекулярное взаимодействие между макромолекулами индивидуального сополимера. Эта гипотеза подтверждается превышением над аддитивными значениями величин модуля упругости, степени кристалличности, плотности, снижением ниж аддитивных значений сорбционной емкости [1].

0.6

0 40 §0

СЭВ А 115, %

Рис. 4 - Концентрационная зависимость А для композиций: 1 - СЭВА111-СЭВА115; 2 -СЭВА113-СЭВА115; 3 - СЭВА123-СЭВА115; 4 -СЭВА117-СЭВА115

Таким образом, только для одной системы СЭВА115-СЭВА113 наблюдается наиболее полное качественное согласие между концентрационными зависимостями физико-механических характеристик, плотности, сорбционной емкости и прочности адгезионного соединения со сталью. Именно для этой системы экстремальное повышение адгезионной прочности наиболее заметно в количественном отношении. Для остальных систем менее выраженный экстремальный рост адгезионной прочност лишь частично согласуется с изменением других свойств. Комплекс полученных результатов позволил сделать предположен о причинах экстремального роста адгезионной прочности. Как известно, адгезионная прочность полимерного материала к металлу складывается из адгезионной и деформационной составляющих. При высокой взаиморастворимости компонентов адгезионная составляющая растет за счет обогащения менее полярного компонента более полярным и диффузии последней межфазной границе, а деформационная составляющая растет за счет обогащения менее прочного полярного компонента бол прочным (менее полярным), что подтверждается данными оценки физико-механических свойств. Одновременный рост адгезионной и деформационной составляющих приводит к экстремальному росту прочности при отслаивании.

Литература

1. Э.Р. Мухамедзянова Дисс. ... канд. техн. наук. Казань. КГТУ. 2003. 116 с.

У Р. М. Хузаханов - канд. техн. наук, доц. каф. переработки полимеров и композиционных материалов КГТЭ. Р. Мухамедзянова - канд. техн. наук, ассист. каф. промышленной безопасности КГТУА. Е. Заикин - д-р техн. наук, проф. каф. пластических масс; Я. В. Капицкая - аспир. каф. промышленной безопасности КГТУН. Н. Никитина - нач. НИЛ ОАО «Трубоизоляция», г.НовокуйбышевскО. В. Стоянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. промышленной безопасности КГТУ.