Формирование полимерных адгезированных пленок, содержащих поливинилиденфторид тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.06, кандидат химических наук Костицын, Алексей Вячеславович

• Костицын, Алексей Вячеславович
• кандидат химических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат химических наук Костицын, Алексей Вячеславович

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Классификация полимерных смесей.

1.2 Термодинамика смесей полимеров.

1.3 Совместимые полимерные смеси

1.4 Кристаллизация и структура совместимых полимерных смесей.

1.5 Стеклование смесей полукристаллических и аморфных полимеров

1.6 Плавление полимерных смесей

1.7 Применение фторполимеров в лакокрасочной области

1.8 Выводы 24 2 Объекты и методы исследования

2.1 Объекты исследования

2.2 Получение пленок смесей полимеров.

2.3 Методы исследований

2.3.1 Микроскопическое исследование структуры сформированных 32 покрытий

2.3.2 Исследования методом дифференциальной сканирующей 33 калориметрии (ДСК)

2.3.3 Исследование термомеханических свойств покрытия

2.3.4 Исследование адгезионных свойств покрытий методом среза

2.3.5 Исследование реологических свойств дисперсий

2.3.6 Набухание пленок ПВДФ

2.3.7 Оценка совместимости смеси по изменению блеска.

2.3.8 Определение времени высыхания покрытия

2.3.9 Определение твердости покрытия

2.3.10 Определение прочности покрытия при изгибе

2.3.11 Определение адгезии методом решетчатых надрезов

2.3.12 Процедура проведения МЭК-теста.

2.3.13 Определение стойкости к воздействию климатических факторов.

Глава 3 Исследование реологических свойств дисперсий поливинилиденфторида в органических растворителях различной природы.

Глава 4 Влияние полиметилметакрилата на реологические свойства 54 дисперсий поливинилиденфторида.

Глава 5 Морфология и свойства бинарных смесей поливинилиденфторида и акриловых полимеров различной природы.

5.1 Изучение структуры и свойств бинарных полимерных смесей в 59 зависимости от природы акрилового полимера.

5.2 Влияние концентрации акрилового полимера и температурного 70 режима формирования покрытия на структуру и свойства бинарных полимерных смесей.

Глава 6. Морфология и свойства тройных смесей поливинилиденфторида, акриловых полимеров и меламинформальдегидного олигомера.

6.1 Влияние концентрации меламинформальдегидного олигомера на 81 структуру и свойства полимерных смесей.

6.2 Изучение структуры и свойств тройных полимерных смесей в 92 зависимости от природы акрилового полимера

Глава 7. Практическое использование полимерных смесей на основе 101 поливинилиденфторида.

Выводы:

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование полимерных адгезированных пленок, содержащих поливинилиденфторид»

В настоящее время сфера применения полимерных материалов только расширяется. В связи с повышением требований к полимерным материалам возникает вопрос о получении новых полимеров с необходимым уровнем свойств. Одним из способов получения полимерных материалов является использование совместимых смесей полимеров. Этот способ является часто более дешевым и не менее эффективным, нежели синтезирование нового полимерного материала [1].

Совместимость полимеров была открыта более двух десятилетий назад. С тех пор интерес к этому явлению только возрастал, и на сегодняшний момент известно около 500 пар совместимых компонентов.]!] Совместимые полимерные смеси образуют однофазную систему. Их свойства являются комбинацией свойств индивидуальных компонентов.

Одной из областей применения совместимых смесей полимеров является лакокрасочная отрасль. Применение полимерных смесей позволяет получать материалы с хорошим уровнем защитных и физико-механических свойств.

В частности, в настоящее время возросла потребность в атмосферостойких лакокрасочных материалах с большим сроком службы. Одним из способов придания атмосферостойкости покрытиям является использование в качестве пленкообразователя поливинилиденфторида. Этот полимер характеризуется высокой атмосферостойкостью, низким водопоглощением и высокой абразивостойкостью, однако для него характерна низкая адгезия практически ко всем видам подложек. Повышения адгезии поливинилиденфторида основаны на его способности образовывать совместимые смеси с некоторыми акриловыми полимерами. В такой системе поливинилиденфторид придает покрытию стойкость к воздействию ультрафиолетового излучения, а акриловый полимер обеспечивает адгезионное взаимодействие с подложкой.

Регулирование физико-химических свойств покрытий возможно путем целенаправленного изменения морфологии полимерной смеси. Это достигается благодаря физико-химически обоснованному подбору компонентов полимерной смеси, растворителей и процесса формирования адгезированной пленки. Несмотря на большое количество работ, посвященных изучению смесей поливинилиденфторида и акриловых полимеров, свойства адгезированных пленок на их основе не достаточно изучены.

Таким образом, изучение структуры и физико-химических свойств адгезированных пленок на основе совместимых смесей полимеров является актуальной задачей в области исследования высокомолекулярных соединений.

Целью данной работы являлось установление особенностей получения адгезированных пленок на основе композиций бинарных и тройных полимерных смесей, содержащих поливинилиденфторид, и изучение их свойств.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: изучить термодинамическую совместимость поливининилиденфторида с органическими растворителями различной природы и акриловыми полимерами; изучить влияние природы акрилового полимера, состава полимерной смеси и температурного режима формирования на морфологию и свойства адгезированных пленок; изучить морфологию и свойства тройных термореактивных полимерных смесей.

Заключение диссертации по теме «Высокомолекулярные соединения», Костицын, Алексей Вячеславович

105 Выводы:

1.Показано, что совмещение ПВДФ с акриловым полимером приводит к значительному повышению адгезии полимерных пленок.

2. Установлено, что увеличение содержания полиметилметакрилата в бинарной смеси с ПВДФ увеличивает совместимость в смеси.

3. Показано, что в смеси с сополимером ММА/ЭА в отличие от других систем имеет место структура, при которой непрерывной является аморфная фаза, что приводит к изменению теплостойкости системы

4. Показано, что при увеличении времени охлаждения адгезированной пленки при больших содержаниях ПММА происходит увеличение доли кристаллических структур. При содержаниях ПММА менее 10 % скорость охлаждения оказывает влияние только на размер кристаллов.

5. Установлено, что при содержании ПММА в смеси с ПВДФ более 10% резко возрастают адгезионные свойства.

6. Методом термического анализа показано образование структуры типа взаимопроникающей сетки при самоконденсации ГМММ в полимерной смеси.

7. На основании концепции трехмерного параметра растворимости обоснован выбор органического растворителя для формирования адгезированных пленок поливинилиденфторида.

8. Разработан атмосферостойкий лакокрасочный материал, предназначенный для окраски облицовочных панелей, и реализовано его серийное производство.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Костицын, Алексей Вячеславович, 2009 год

1. L.A. Utracky. Polymer blends Handbook. Kluwer Academic Publisher.2002

2. Кулезнев B.H. Смеси полимеров. M.: Химия, 1980. 286 с.

3. Липатов Ю.С. Межфазные явления в смесях полимеров// Высокомолекулярные соединения. Сер.А. 1978. 20. №1. с.3-16

4. Lipatov Yu. Interphase phenomena in polymer blends// J.Polym.Sci. Polym.Symp. 1977. №61. p.369-388

5. Bernstein R.E. Wahrmund D.C. Barlow J.W. Paul D.R. Polymer blends containing poly(vinylidene fluoride). Part III: Polymers containing ester, ketone, or ether groups // Polym.Engng. Sci, 1978. Vol 18(16). p.1220-1224

6. Bernstein R.E., Cruz C.A., Barlow J.W., Paul D.R. LCST Behavior in polymer blends// Macromolecules. 1977.10(3). pp. 681-686

7. Eshuis A. Roerdink E. Challa G. Multiple melting in blends of poly(vinylidene fluoride) with isotactic poly(ethyl methacrylate)// Polymer. 1982. 23(5). pp. 735-739

8. Reckinger C. Rault J. Etude du melange PVDF-PTMA//Rev.Phys.Appl. 1986.21(1). p. 11-23

9. Nishi T. Wan TT. Melting Point Depression and Kinetic Effects of Cooling on Crystallization in Poly(vinylidene fluoride)-Poly(methyl methacrylate) Mixtures// Macromolecules. 1975. 8(6). p.909-916

10. Nishi T. Wan TT. Spherulitic Crystallization in Compatible Blends of Poly(vinylidene fluoride) and Poly(methyl methacrylate) //Macromolecules. 1977.10(2). p. 421-425

11. Roerdink E. Challa G. Influence of tacticity of poly(methyl methacrylate) on the compatibility with poly(vinylidene fluoride) //Polymer. 1978. 19(2). p.173-178

12. Roerdink E. Challa G. Computerized infra-red study of the interaction of poly(vinylidene fluoride) with stereoregular poly(methyl methacrylate)// Polymer. 1980. 21(5). p.509-513

13. Maiti P. Nandi A.K. Influence of Chain Structure on the Miscibility of Poly(vinylidene Fluoride) with Poly(methyl acrylate) //Macromolecules. 1995.28(25).p. 8511-8516

14. Maiti P. Nandi A.K. Morphology of poly(vinylidene fluoride)/poly(methyl acrylate) blends: influence of chain structure // Macromol. Chem. Phys. 1998. Vol. 199(8) p.1479-1484

15. Hirata T. Kotaka T. Phase Separation and Viscoelastic Behavior of Semi compatible Polymer Blends: Poly(vinylidene fluoride)/Poly(methyl methacrylate) System //Polym. J. 1981. Vol.13 (3) p.273-281

16. Penning J.P. Manley RSU. Miscible Blends of Two Crystalline Polymers. 1. Phase Behavior and Miscibility in Blends of Poly(vinylidene fluoride) and Poly(l,4-butylene adipate) //Macromolecules. 1996. vol.29(l). p.77-83

17. Morra B.S., Stein R.S., Melting studies of poly(vinylidene fluoride) and its blends with poly(methyl methacrylate)// J.Polym.Sci. Polym. Phys. Ed. 1982. Vol.20(12). p. 2243-2259

18. Сперлинг. JI. Взаимопроникающие полимерные сетки и аналогичные материалы. М.:Мир.1984.

19. Shibayama К. Suzuki Y., Rubber Chem. Tech., 40,476 (1976)

20. Липатов Ю.С. Сергеева Л.М. Синтез и свойства взаимопроникающих сеток// Усп.хим. 1967. т. 45(1). с.138-159

21. Klempner D. Polymernetzwerke mit gegenseitiger Durchdringung// Angew.Chem. 1978. Vol. 90(2). p. 104-113.

22. Sperling L.H., Encycl.Polym.Sci.Technol.Suppl., 1,288 (1976)

23. Sperling L.H. Interpenetrating polymer networks and related materials// J.Polym.Sci.Macromol.Rev. 1977. Vol. 12(1). p.141-180

24. Thomas D.A. Sperling L.H. in: Polymer Blends. Vol.2. Paul D.R. Newman S. Academic. New York. 1978.

25. Battaerd H.A.J. The significance of incompatible polymer systems// J.Polym.Sci. 1975. Vol. 49C (1). p. 149-157

26. Kaplan D.S. Structure-property relationships in copolymers to composites: Molecular interpretation of the glass transition phenomenon// J.Appl.Polym.Sci. Vol.20 (10). p. 2615-2629

27. Frisch H.L., Frisch K.C., Klempner D., Mod. Plast., 54, 76, 84 (1977)

28. Мэнсон Дж. Сперлинг JI. Полимерные смеси и композиты. Пер. с англ. М.: Химия. 1979

29. Geil Р.Н. Polymer Single Crystals. Interscience. New York. 1963.

30. Кресге Э.В. в Кн.: Полимерные смеси. Т.2. Пер. с англ. Под ред. Пола Д. Ньюмена С. М.: Мир. 1981.

31. Bull A.L., Holden G., J.Elast.Plast., 9(7), 281 (1977).

32. Siegfried D.L., Thomas D.A., Sperling L.H., Polymer Preprints, 21 (1), 186(1980)

33. Cruz C.A., Paul D.R., Barlow J.W., Polyester-Polycarbonate blends. IV. Poly(s-caprolactone)// J.Appl.Polym.Sci. Vol. 23(2). p.589-600

34. Плохоцки A.B. в Кн.: Полимерные смеси. Т.2. Пер. с англ. Под ред. Пола Д. Ньюмена С. М.: Мир. 1981.

35. Kurt A. Wood. The Advantages of Networking: Poly(vinylidene fluoride)-acrylic IPN structures for solvent and waterborne coatings.//European Coatings Journal. 2005. 09. Pages 48-53.

36. Нестеров A.E. Липатов Ю.С. Термодинамика растворов и смесей полимеров. Киев: Наукова думка. 1984. 300 с.

37. A.A.Tager. T.I.Scholokhovich. Ju.S.Bessonov. THERMODYNAMICS OF MIXING OF POLYMERS// European Polymer Journal, vol.l 1(4). 1975.

38. Defieuw G. Groeninckx G. Reynaers H. Diffusion and segregation phenomena in miscible binary polymer blends during crystallization //Polymer communications. 1989. 30 (9). p. 267-270

39. Keith H.D., Padden Jr., F.D. Spherulitic Crystallization from the Melt. I. Fractionation and Impurity Segregation and Their Influence on Crystalline Morphology// J.Appl.Phys. Vol. 35(4). p. 1270

40. Tanaka H., Nishi T. New Types of Phase Separation Behavior during the Crystallization Process in Polymer Blends with Phase Diagram// Phys.Rev.Lett. Vol. 55(10). p. 1102-1105

41. Alfonso G.C. Russel T.P. Kinetics of crystallization in semicrystalline/amorphous polymer mixtures //Macromolecules. 1986.Vol.19 (4). p. 1143-1152.

42. Briber R.M. Khoury F. The phase diagram and morphology of blends of poly(vinylidene fluoride) and poly(ethyl acrylate) // Polymer. 1987. vol.28(l). p.38-46

43. Stein R.S. Russell T.P. Morra B.S. Wai M. Gilmer J. in Structural Order in Polymers //Ciardelli F. Giusti P. (Eds.). Pergamon Press. New York. 1981. p 195.

44. B.R.Hahn O.H.Schonherr J.H.Wendorff. Evidence for a crystal-amorphous interphase in PVDF and PVDF/PMMA blends //Polymer. 1987. 28(2). p. 201-208

45. Kumar S. K. Yoon D.Y. A lattice model for interphases in binary semicrystalline/amorphous polymer blends 2. Effects of tight fold energy// Macromolecules. 1991. Vol.24(19). p. 5414-5420

46. Warner F. P., MacKnight W. J., Stein R. S. A small-angle x-ray scattering study of blends of isotactic and atactic polystyrene// J. Polym. Sci., Polym. Phys. Ed. PartB. Vol.l5(12). p.2113-2126

47. Song H.H. Wu D.-Q. Ree M. Stein R.S. Phillips J.C.LeGrand L.Chu B. Time-resolved SAXS on crystallization of a low-density polyethylene/high density polyethylene polymer blend // Macromolecules. 1988. Vol. 21(4). p.l 180-1182

48. Wenig W., Karasz F. E., MacKnight W. J. Structure and properties of the system: poly(2,6-dimethylphenylene oxide) isotactic polystyrene. Small-angle x-ray studies // J. Appl. Phys. Vol. 46(10). p. 4194

49. J.M.G.Cowie Relaxation processes in the glassy state: Molecular aspects // Journal of Macromolecular Science, Physics Edition. 1980. V0I.BI8 (4). p. 569-623

50. R.P.Couchman. Compositional Variation of Glass-Transition Temperatures. 2. Application of the Thermodynamic Theory to Compatible Polymer Blends//Macromolecules. 1978. Vol. 11 (6). p. 1156-1161

51. L.A.Utracki., J. A Jukes Dielectric studies of poly(vinyl chloride)// Journal of Vinil Technology. 1984. Vol.6(2). p.85-94

52. M.Gordon., J.S.Taylor. Ideal copolymers and the second-order transitions of synthetic rubbers, i. non-crystalline copolymers// Journal of Applied Chemistry. 1952 Vol. 2(9). p.493-500.

53. L.F.Wood Glass transition temperatures of copolymers// Journal of Polymer Science. 1958. Vol.28 (117). p. 319-330

54. Т.К. Kwei. The effect of hydrogen bonding on the glass transition temperatures of polymer mixtures// Journal of polymer Science Polymer Letters Edition. 1984. Vol. 22(6). p. 307-313.

55. T.G. Fox Influence of diluent and of copolymer composition on the glass temperature of a polymer system// Bulletin of the American Physical Society. 1956. Vol.2, p.153.

56. Hoffman, J. D., and Weeks, J. J., J. Res. Natl. Bur. Stand., Sect. A, 66, 13-28 (1962)b

57. Mandelkern L. in: Crystallization of Polymers. McGraw- Hill. New York, 1964

58. Morra B.S., Stein R.S. The crystalline morphology of poly(vinylidene fluoride)/poly(methylmethacrylate) blend// Polym. Eng. Sci. 1984. Vol. 24(5). p.311-318.

59. Martuscelli, E. Influence of composition, crystallization conditions and melt phase structure on solid morphology, kinetics of crystallization and thermal behavior of binary polymer/polymer blends// Polym. Eng. Sci. 1984. Vol. 24(8). p. 563-586

60. Rim P.B. Runt J.P. Melting behavior of crystalline/compatible polymer blends: poly(is-caprolactone)/poly(styrene-co-acrylonitrile)// Macromolecules, 1983. Vol. 16(5). p. 762-768.

61. Jonza J.M. Porter R.S. Bisphenol A polycarbonate/poly(is-caprolactone) blends: melting point depression and reactivity // Macromolecules. 1986. Vol. 19(7). 1946-1951.

62. Cimmino S., Martuscelli E., Silvestre C., Canetti M., De Lalla C., Seves A. Poly(ethylene oxide)/poly(ethyl methacrylate) blends: Crystallization, melting behavior, and miscibility// J. Polym. Sci., Polym. Phys. Ed.1989.Vol. B27. p. 1781-1794

63. Flory P.J. Principle of polymer chemistiy. Cornell University, 1953.

64. Hay, J. N. Use of model compounds to determine equilibrium melting points of polymers //J. Polym. Sci., Polym. Chem. Ed. 1976. Vol.A14(12), 28452852.

65. Kwei Т.К. Frisch H.L. Interaction Parameter in Polymer Mixtures// Macromolecules. Vol.ll (6). p. 1267-1271.

66. John Scheirs. Modern Fluoropolymers // J.Wiley&Sons. 1997. p.271-301.

67. K.Johns. Fluorine in coatings: PRA Conference Proceedings. 1994.1. Paper 2.

68. Паншин Ю.А. Малкевич С.Г. Дунаевская Ц.С. Фторопласты. Л.: Химия, 1978.232 с.69. Патент № 4255462, США70. Патент № 5346727, США71. Патент № 5030394, США72. Патент № 4770939, США73. Патент №7399533, США

69. Квасников М.Ю., Пацино А.В., Елусов Д.А., Алиев А.Д., Киселев М.Р., Чалых А.Е., Репина Т.Е., Цейтлин Г.М. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ФТОРСОДЕРЖАШИХ ЭПОКСИДНЫХ КОМПОЗИЦИЙ И ПОКРЫТИЯ НА ИХ ОСНОВЕ //Химическая промышленность сегодня. 2006, № I.e. 32-35

70. Квасников М. Ю., Крылова И. А., Киселев М. Р., Алиев А. Д., Логинова Н. Н., Захаров П. С. ЛАКОКРАСОЧНЫЕ ЭПОКСИДНЫЕ КОМПОЗИЦИИ С ФТОРПОЛИМЕРАМИ И ПОКРЫТИЯ НА ИХ ОСНОВЕ// Коррозия: материалы, защита. 2006. № 9. с.32-37

71. Квасников М.Ю. ФТОРСОДЕРЖАШИЕ ЛАКОКРАСОЧНЫЕ КОМПОЗИЦИИ И ПОКРЫТИЯ НА ИХ ОСНОВЕ// Химическая промышленность сегодня. 2008. № 7. С. 22-26.

72. Квасников М.Ю., Елусов Д.А., Алиев А.Д., Киселев М.Р., Чалых А.Е., Пацино А.В., Репина Т.Б., Цейтлин Г.М. Структура и свойства фторсодержащих эпоксидных композиций// Клеи. Герметики. Технологии. 2006. № 9. С. 26-29.

73. Thomas Е. Ballway Thermoset Solution Fluorocarbon Coil Coatings электронный ресурс.: URL: http://www.pfonline.com/articles/019802.html (дата обращения 19.08.2009)

74. S.R. Gaboury, K.A.Wood, Tailoring coating properties through control of PVDF copolymer phase behaviour// Surf.Coat.intl. Part B: Coatings Trans. 2002. Vol. 85(B4) p. 243.

75. Y.Ando et. Al. Quantitative confirmation of the crystal-amorphous interphase in semicrystalline poly(vinylidene fluoride) and poly (vinylidene fluoride)/poly (ethyl methacrylate) blends // J.Polymer Sci. Part B.1994. Vol.32 (1). p.179-185.

76. J. Faucheu, K.Wood, Li-Piin Sung, W.Martin Relating gloss loss to topographical features of PVDF coating //Journal of Coatings Technology and Research. 2006. Vol 3(1).

77. Flick E.W. Industrial solvents Handbook.-NJ, 1998

78. L.C.Sawyer, D.T.Grubb, G.F.Meyers. Polymer Microscopy/ Springer.2008.

79. Hatakeyama T. Thermal analysis: fundamentals and applications to polymer science/ T. Hatakeyama, F.X. Quinn. —2nd ed.

80. Г. Шрам. Основы практической реологии и реометрии/ пер. с англ.

81. И.А.Лавыгина М. Колосс. 2003. 312 с.

82. Тагер А. А., Физикохимия полимеров. 3 изд., М. 1978.

83. Hansen solubulity parameters, A user's handbook / C.M.Hansen, CRC Press LLC, 2000

84. Test t Method • Minimum Requirement (as specified by) Test Results

85. Customer Supplied on AL w/P rimer Arkema Prepared Panel With Primer Arkemsi Prepared Panel Without Primer

86. Dry Film Thickness ASTM D1400 (nonferrous) ASTM D J186 (ferrous) 20 microns minimum topcoat thickness (Arkema Spec.) 19 33 29

87. Pencil Hardness ASTM D3363 F (ЛАМА 2605-98 Spec.) H F F

88. Cross Hatch Adhesion AAMA 2605-98 7.4.1.1 100% adhesion (AAMA 2605-98 Spec.) 100 100 100

89. Cross Hatch Adhesion with Reverse Impact NCCA 4.2.10 100% adhesion @ 4.5 mm deformation (Arkema Spec.) iob " 100 100

90. Reverse Impact NCCA 4.2.6 no cracking & 100% adhesion % 4.5 mm deformation (Arkema Spec.) Pass Pass Pass

91. Direct Impact AAMA 2605-98 7.5.1 no cracking & 100% adhesion @ 4.5 mm deformation (Arkema Spec.) Pass Pass pass Ф

92. T-Bcnd Formability NCCA 4.2.8 No crack or adhesion loss @ IT for aluminum or 2T for steel T-f T-0 T-0

93. MEK Solvent Resistance Arkema modified Taber Abraser Method 200 cycles (Arkema Spec.) Pass/Pass Fail/Fail (delamination from primer) Pass

94. Boiling Water Cross Hatch Adhesion AAMA 2605-98 7.4.1.3 100% adhesion (AAMA 2605-98 Spec.) 100 100 100

95. Boiling Water Cross Hatch Adhesion with Reverse Impact Arkema Method 100% adhesion @ 4.5 mm deformation (Arkema Spec.) . 100 100 100

96. Test Method Minimum Requirement (as specified bv) Test Results

97. Customer Results AL Panel w/Primer Arkema Prepared Panel With Primer Arkema Prepare d Panel With out Primer

98. Falling Sand Abrasion Resistance ASTM D 968 40 liters/mil (A AM A 2605-98 Spec.) 62 65

99. Fluorescent L'V Accelerated Testing ASTM G53 313 nm bulb , cyclc ~ Shr light/4 lirs condensation At 5,000 hours (Arkema Spec.): ЛЕ* < 4 70% gloss retention 100% adhesion In Progress In Progress ! In Progress

100. Gloss ASTM D523 (60 degree) Per Customer Need 46 3914 40.1

101. KYNAR 500 Content Arkema Method 70 vvt% minimum in resin fraction J (Arkema Spec.) PassЛ