Функциональные материалы на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.06, кандидат технических наук Пономарев, Игорь Николаевич

• Пономарев, Игорь Николаевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пономарев, Игорь Николаевич

Введение

1 Литературный обзор

1.1 Свойства, получение и переработка сверхвысокомолекулярного 5 полиэтилена

1.2 Описание изотермической кристаллизации

1.3 Неизотермическая кристаллизация полимеров

1.4 Функциональные материалы на основе СВМПЭ 16 Постановка задачи исследования

2 Объекты и методы исследования

2.1 Объекты исследования

2.2 Методы исследования

3 Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение

3.1 Исследование процессов структурообразования в дисперсно- 40 наполненных системах сверхвысокомолекулярного полиэтилена

3.2 Реологические свойства наполненных гелей СВМПЭ

3.3 Физико-механические свойства гелей СВМПЭ

3.4 Долговечность наполненных гелей сверхвысокомолекулярного 122 полиэтилена

Практическая значимость работы

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Функциональные материалы на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена»

Получение композиционных материалов на основе СВМПЭ преследует цель сочетания уникальных физико-механических характеристик полимера и функциональных свойств наполнителей. Однако, переработка наполненных материалов на основе СВМПЭ чрезвычайно затруднена высокой вязкостью расплава полимера.

Одним из наиболее перспективных методов получения наполненных материалов на основе СВМПЭ является гель-технология. Метод гель-формования позволяет преодолеть трудности, связанные с переработкой сверхвысокомолекулярного ПЭ и открывает возможность получения на основе данного полимера наполненных композиционных материалов, используя такие высокопроизводительные методы переработки пластмасс, как экструзия.

Цель настоящей работы состояла в изучении корреляции между структурой, комплексом реологических и физико-механических свойств наполненных гелеобразных систем СВМПЭ, обобщении имеющихся представлений и создании единого подхода к проблеме получения композиционных материалов на основе СВМПЭ через гель-состояние матричного полимера.

Научная новизна. Изучено влияние структуры гелей сверхвысокомолекулярного полиэтилена на свойства наполненных материалов на их основе. Получены соотношения между скоростью и характером протекания процесса кристаллизации, надмолекулярной структурой и свойствами высоконаполненного закристаллизованного материала. Показано, что процесс изотермической кристаллизации гелей СВМПЭ может описываться уравнениями Аврами и Тобина. Реологические свойства наполненных гелей СВМПЭ зависят от количества и природы введенного дисперсного наполнителя. Оценено влияние различных факторов на особенности процесса перехода исследуемых систем из гелеобразного состояния в твердое (ксерогель).

Введение до 90 об.% функциональных наполнителей позволило получить материалы, имеющие высокую электропроводность, сорбционную способность. Разработана технология получения таких материалов. Выпущены опытные партии композиционных материалов на основе СВМПЭ, наполненного аэросилом и цеолитом. Проведение опытно-промышленных испытаний на ОАО ЦТД «Диаскан» показало целесообразность использования таких систем в качестве сорбентов.

Заключение диссертации по теме «Технология и переработка полимеров и композитов», Пономарев, Игорь Николаевич

Выводы.

1. Методом ДСК исследован процесс кристаллизации в гелях СВМПЭ, наполненных наполнителями различной природы. Показано, что для описания процессов кристаллизации можно использовать уравнения Аврами и Тобина, однако, наилучшим образом процесс кристаллизации описывается уравнением Аврами.

2. Установлено, что уменьшение концентрации СВМПЭ приводит к увеличению размеров зародышей кристаллизации, а это должно приводить к снижению скорости кристаллизации.

3. Показано, что введение дисперсных наполнителей в небольших количествах приводит к ускорению процесса структурообразования в гелях СВМПЭ, однако при высоком содержании наполнителя кристаллизация замедляется.

4. Изучено влияние модельного наполнителя - карбонильного железа -на реологические свойства гелей СВМПЭ, показано, что наполненные гели СВМПЭ возможно перерабатывать высокопроизводительными методами, в частности, экструзией.

5. На основе наполненных гелей СВМПЭ были получены ксерогели и исследовано влияние различных факторов на их свойства. Показано, что тип инклюдирующей жидкости может оказывать влияние на характеристики ксерогелей. Целесообразно использовать экстрагенты с малым сродством к полимеру.

6. Процесс экстракции и сушки сопровождается значительной объемной усадкой материала. Введение наполнителя понижает величину усадки и приводит к существенному повышению общей пористости ксерогеля

7. Разработаны технологии получения наполненных ксерогелей на основе СВМПЭ, выпущены опытные партии сорбционных материалов на основе СВМПЭ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пономарев, Игорь Николаевич, 2007 год

1. Майер Э.А., Дудченко B.K., Поддубняк A.H., Аркатов O.JI. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен: новая реальность отечественной промышленности полиолефинов// Пластические массы.- 2003.-№8.- С. 3-4.

2. D. Jauffre's, О. Lame а„ G. Vigier, F. Dore Microstructural origin of physical and mechanical properties of ultra high molecular weight polyethylene processed by high velocity compaction// Polymer.- 2007.- №1.- C. 1-10.

3. Михайлин Ю.А. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен// Полимерные материалы.- 2003.-№ 4.- С. 24-27.

4. Jen Н.К., Chen W.-L., Chang Y.-M., Ke C.-T. Gelation behaviour of UHMWPE/camphene//Journal of Material Science.- 1997.-V. 32.- P. 3607-3611.

5. Avrami M.// Journal of Chemical Physics. 1939. V. 7. 1940. №6. P. 1103.

6. Urbanovici E., Segal E. // Thermochim. Acta. 1990. V. 171. № 1. P 87.

7. Tobin M.C.// J.Polym. Sci.: Polym. Phys. Ed. 1974. V. 12. № 2. P. 399.

8. Tobin M.C. // J.Polym. Sci.: Polym. Phys. Ed. 1976. V. 14. № 9. P. 2253.

9. Cruz-Pinto J.J.C., Martins J. A. // Crystallization of polymers. 1993. P. 257.

10. Hwang J.C., Chem C.-C., Chen C.-L, Ou Yang W.-C.// Polymer. 1997. V. 38. № 16. P. 4097.

11. Malkin A.Ya., Begishev V.P., Keapin L.A., Bolgov S.A.// Polym. Eng. Sci., 1984. № 10. P. 1936.

12. Alwattari A.A., Lloyd D.R.// Polymer. V. 39. №5. 1998. P. 1129-1137.

13. Вундерлих Б. Физика макромолекул. Т.2. -М.: Мир, 1976. 574 с.17 •

14. Okui N. Theoretical Aspect of Crystallization Temperature at Maximum Cristal Growth Rate // Polymer Jornal. 1987. - V. 19, №11. - P.l309-1315.

15. Di Lorenzo M.L., Silvestre C. Non-isothermal crystallization of polymers// Progress in Polymer Science.- 1999.- V. 24.- P. 917-950.

16. Кузьмин Ю.Г. Химическая промышленность за рубежом. М.- 1982.- С. 24.

17. Chae I. Yiml, Kwi J. Lee, Jae Y. Jhol, Kuiwon Choi Wear resistance of some modified ultra-high molecular weight polyethylenes and its correlationwith tensile properties//Polymer Bulletin .- 1999.- V. 42.- P. 433-440.

18. Заявка 62-48747 Япония, МКИ С 08L 23/06. Композиция на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена.

19. Smith P., Lemstra P.J. Ultra-drawing of high molecular weight polyethylene cast from solution// Colloid. Polym. Sci.- 1980.- V. 258., №7.- P. 891-894.

20. Wen Huang, Yang Wang, Yuanming Xia Statistical dynamic tensile strength ofUHMWPE-fibers// Polymer.- 2005.- Р/ 1246-1251.

21. P.M. Pakhomova, Svetlana Khizhnyaka, H. Reuterb, V. Galitsync, A. Tshmel Effect of intercrystallite straight-chain segments on Young's modulus of gel-spun polyethylene fibers// Polymer.- 2003.- V. 44.- P. 4651-4654.

22. Bercea M., loan С., loan S., Simionescu B.C., Simionescu C.I. Ultrahigh molecular weight polymers in dilute solutions// Progress in polymer science.-1999.- V. 24.-P. 379-424.

23. P.M. Pakhomov , Svetlana Khizhnyak , E. Ruhl, V. Egorov , A. Tshmel Crystallisation process on the stage of the gel-to-solid transformation in thermo-reversible polyethylene gel// European Polymer Journal.- V. 39,- 2003.- P. 1019— 1023.

24. Koontz S.L., Peltier W.I., Pearson J.E., Fabricant J.D. Characterization of the pore-surface gel phase in fiinctionalized vacroporous polymeric materials// Colloid Polym. Sci.- V. 277.- 1999.- P. 1065-1071.

25. Xu C., Bin Y., Agari Y., Matsuo M. Morphology and electric conductivity of cross-linked polyethylene-carbon black blends prepared by gelaton/crystallizaton from solutions// Colloid Polym. Sci.- 1998.-V. 276.- P. 669-679.

26. Шпаковская Г.Б., Карасев A.H. Высокомолекулярный и сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Свойства и области применения: Обзорная информация. МГО «Технохим». Химическая промышленность. Сер. Полимеризационные пластмассы.- JL- 1990.- 54 с.

27. М.О. Lisunova, Ye.P. Mamunya , N.I. Lebovka , A.V. Melezhyk Percolation behaviour of ultrahigh molecular weight polyethylene/multi-walled carbon nanotubes composites// European Polymer Journal.- V. 43.- 2007.- P. 949-958

28. Andrew C. Clark, Sunita P. H., Martine LaBerge Conductive composite of UHMWPE and CB as a dynamic contact analysis sensor // Tribology International.- V. 39.- 2006.- P. 1327-1335

29. Заявка 1-74243 Япония, МКИ С 08L 23/ 00, С 08К 3/4. Композиция на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена.

30. С. Xu ,Y. Bin, Y. Agari, M. Matsuo Morphology and electric conductivity of cross-linked polyethylene-carbon black blends prepared by gelation/crystallization from solutions// Colloid Polym Sci.- 1998.- V.276.- p. 669-679.

31. Пат. США 4833172, МКИ С 08 J 9/26. Stretched microporous material.

32. Пат. США 4024323, МКИ H 01 M 2/16. Battery separator.

33. S.L. Koontz, R.V. Devivar, W.J. Peltier, J.E. Pearson,T.A. Guillory, J.D. Fabricant The pellicular monolith: pore-surface functionalization and surface-phase construction in macroporous polymeric materials// Colloid Polym Sci.-1999.- V.277. P. 557-562.

34. Sano A., Iwanami Y., Matsuura K., Yokoyama S., Kanamoto T. Ultradrawing of Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Peactor Powders Prepared by Highly Active Catalyst System// Polymer.- 2001- v. 42.- P. 5859-5864.

35. A. Sano, Y. Iwanam, K. Matsuura, S. Yokoyam, T. Kanamoto Ultradrawing of ultrahigh molecular weight polyethylene reactor powders prepared by highly active catalyst system// Polymer.- V. 42.- 2001.- P. 5859-5864.

36. Пат 5210130 США, МКИ С 08J 5/10 Homogeneous hing modulus ultra high molecular weight polyethylene composites and processfor the preparation thereof.

37. Xu C., Bin Y., Agari Y., Matsuo M. Morphology and Electric Conductivity of Cross-Linked Polyethylene -Carbon Black Blends Prepared by Gelation/Crystallyzation from Solutions// Colloid. Polym. Sci.- 1998.- V. 276.- P.-669-679.

38. Лапшова О.А. Дне. кандидата хим. наук. М. РХТУ, 1997.

39. Кац Г.С., Милевский Д.В. Наполнители для полимерных композиционных материалов. М.- 1981ю- 736 с.

40. Акименко В.Б. Железные порошки.- М.- 1982.- 154 с.

41. Фролов Ю.Г., Гродский А.С. Лабораторные работы по коллоидной химии.- М.- МХТИ.- 1986.- 214 с.

42. Тарасевич Ю.И. Природные сорбенты в процессах очистки воды.- Киев.-1981.- 207 с.

43. Тарасевич Ю.И. Пористые фильтрующие материалы. Обзорная информация. НИИТЭХим. Химическая промышленность. Сер. Пористые материалы. М., 1984,- 64 с.

44. Васильев В.П. Теоретические основы физико-химических методов анализа.- М.- 1984.- 473 с.

45. Рабинович В.А., Хавкин З.Л. Краткий химический справочник.- Л.- 1991.-831с.

46. Виноградов Г.В., Малкин А.Я. Реология полимеров.- М.- 1977.- 440 с.

47. Липатов Ю.С. Рентгенографические методы изучения полимерных систем.- Киев. 1982.- 296 с.

48. Берштейн В. А., Егоров В.Н. Дифференциальная сканирующая калориметрия в физико-химии полимеров.- Л.- 1990.- 255 с.

49. Шарплез А. Кристаллизация полимеров/ Под ред. Бакеева Н.Ф. М.-1968.- 200 с.

50. Зябицкий А. Теоретические основы формования волокон.- М.- 1979.- 503 с.

51. ZiabickiA. Polymer Crystallization Kinetic// Colloid. Polym. Sci.- 1974.- V. 252, № 9.- P. 430-433.

52. Тайц E.M., Андреева И.А. Методы анализа и испытания углей,- М.-1983.- 301 с.

53. Чмутин И.А. Особенности строения и протекания тока в дисперснонаполненных полиолефинах. Дис. к. ф.-м. н.- М.- 1992.- 142 с.

54. Марихин В.А., Мясникова Л.П. Надмолекулярная структура полимеров.-Л.- 1977.- 238 с.

55. Кербер М.Л., Пономарев И.Н., Лапшова О.А., Гриненко Е.С., Сабсай О.Ю., Дубинский М.Б., Бурцева И.В. Физико-химические свойства наполненных гелей сверхвысокомолекулярного полиэтилена// Высокомолек. соединения.- 1996.-Т. А38.-№8.-С. 1334-1342.

56. Jen Н.К., Chen W.-L., Chang Y.-M., Ke C.-T. Gelation behaviour of UHMWPE/camphene// Journal of Materials Science.- 1997.- V. 32.- P. 36073611.

57. Липатов Ю.С. Физическая химия наполненных полимеров// М., Химия.-1977 г.-304 с.

58. Гуль В.Е., Кулезнев В.Н. Структура и механические свойства полимеров// М., «Лабиринт».- 1994. 367.с.

59. Kerber M.L., Ponomarev I.N., Lapshova О.А., Grinenko E.S. Crystallyzation and Stress-Strain Properties of Ultra-High-Molecular-Weight-Polyethylene Gels Filled with Iron Particles// Polymer Engineering and Science.- 1997.- V. 37.-№8.-P. 1359-1366.

60. Ruitenberg G., Woldt В., Petford-Long A.K. Comparing the Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov equations for isothermal and linear heating conditions// Thermochimica Acta.- 2001.- V. 378.- P. 97-105.en

61. Supaphol P. Application of the Avrami-Tobin-Malkin, and Urbanovici-Segal macrokinetic models to isothermal crystallization of syndiotactic polypropylene.// Thermochimica Acta.- 2001.- V. 370/- Р/ 37-48.

62. Ziabicki A. Polymer CrystallizationKinetic// Colloid. Polymer Science.- 1974.-V. 252.- №9.- P. 430-433.

63. Sha W. Crystallization and Nematic-Isotropic Transition Activation Energies Measured Using the Kissinger Method// J. Appl. Polym. Sci.- 2001.- V. 80.- P. 2535-2537.

64. Малкин А .Я., Болгов С.А., Бегишев В.П., Мансуров В.А., Цогоев Б.М. Неизотермическая кристаллизация высоконаполненного полиэтилена. Метод определения и результаты измерения// Высокомолек. соединения.- 1987ю- Т. 29 А.-№6.-С. 1319-1324.

65. Ozawa Т. Nonisothermal Crystallization of Polymers.// J. Appl. Polym. Sci.-1971.-V. 12.-№3.-P. 150-155.7"У

66. Parasnis N.C. and Ramani K. Non-isothermal crystallization of UHMWPE// Journal of Thermal Analysis and Calorimetry.- 1999.- V. 55.- P. 709-719.

67. Okui N. Theoretical Aspect of Crystallyzation Temperature at Maximum Crystal Growth Rate// Poltmer Journal.- 1987.- V. 19.- № 11.- P. 1309-1315.

68. Nakamura K., Katayama K., Amano T. Nonisothermal Crystallyzation of Polymers//J. Appl. Polym. Sci.- 1973.- V. 17.- №4.- P. 1031-1037.

69. Берштейн B.A., Егоров B.H. Дифференциальная сканирующая калориметрия в физико-химии полимеров.- JL- 1990.- 255 с.

70. Zhu X., Yan D. Influence of the Order of Polymer Melt on the Crystallyzation Behavior: 11. Crystallyzation Kinetics of Isotactic Polypropylene// Colloid. Polym. Sci.- 2001.-V. 279.- P. 546-553.

71. Зябицкий А. Теоретические основы формирования волокон// Мю- 1979.503 с.

72. Малкин А.Я., Кипин И.А., Болгов С.А., Бегишев В.П. Альтернативный способ описания кинетики кристаллизации// Инженерно-физический журнал.

73. Владимирова С.И. Повышение термоокислительной стабильности полипропилена в процессе переработки. Дисс. канд. хим. наук М., 1999.157 с.

74. Liu Т., Mo Z., Wang S., Zhang Н.// Eur. Polym. J., V. 33, № 9, 1997, p. 14051414.

75. Alwattari A.A., Lloyd D.R.//Polymer. V. 39. №5. 1998. P. 1129-1137.

76. Вундерлих Б. Физика макромолекул. М.: Мир, 1976. Т.2 С. 439.

77. Wunderlich В. Macromolecular Physics. New York: Acad. Press, 1976.

78. Вундерлих Б. Физика макромолекул. М.: Мир, 1976. Т.2 С. 439.

79. Bin Y., Xu С., Agari Y., Matsuo M Morphology and electrical conductivity of Ultrahigh-Molecular-Weight-Polyethylene Carbon black Composites Prepared by Gelation/Crystallization from Solutions// Colloid. Polym. Sci.- 1999.- V. 277.-P. 452-461.

80. Pakhomov P.M., Khiznyak S., Ruhl E., Egorov V., Tshmel A. Ctystallyzation Process on the stage of the Gel-to-Solid Transformation in Thermo-Reversible Polyethylene Gels// European Polym. J.- 2003.- V. 39.- P. 1019-1023.о/

81. Uehara H., Matsuda H., Aoike Т., Yamanobe Т., Komoto T. Lamellar characteristics controlled by prior polymer concentration for solution-crystallized ultra-high molecular weight polyethylene// Polymer.- 2001.- V. 42.- P. 5893-5899.

82. Marcincln A., Ujhelyiova A., Marcincln K., Marcinclnova T. Influence of the Antraquinone Pigment on Crystallization of Polypropylene// Vlakna a textil.-1996.- V. 3.- P. 92-99.

83. Van Antverpen F., Van Krevelen D.W. Influence of crystallization temperature, molecular weight and additives on the crystallization kinetics of polyethylene terephtalate) // J. Polym.Sci.: Polym.Phys. Ed. 1972. - V.10, №12. -P.2423-2435.

84. Малкин А.Я. Реология наполненных полимеров. Киев: Наукова думка, 1975.

85. Виноградов Г.В., Малкин А.Я. Реология полимеров. М.: Химия, 1977.

86. Шпаковская Г.Б., Карасев А.Н. // Обзорная информация. Серия Полимеризационные пластмассы. JL: ТЕХНОХим, 1990. Вып. 1. С. 54.

87. Чанг Дей Хан. Реология в процессах переработки полимеров. М.: Химия, 1979.

88. Столин А.Н., Иржак В.И. // Высокомолек. соед. Б. 1993. Т. 35. № 7. С. 902.

89. Митченко Ю.И., Кузуб В.И., Дьячков А.Н., Руднева Л.Д., Циперман Р.Ф., Чеголя А.С. // Обзорная информация. Серия Синтетические волокна. М.: НИИТЭХим, 1988. Вып. 1. С. 33.

90. Малкин А .Я. Реология наполненных полимеров. Киев: Наукова думка, 1975.

91. Бобрышев A.H., Авдеев P.M., Жарин Д.Е., Курин C.B., Тучков В.В. Прочность дисперно-наполненных полимерных композитов// Пластические массы.- 2003.-№1.-С. 15-17.

92. Лущейкин Г.А. Моделирование упругих и механических прочностных свойств наполненных полимеров и композитов// Пластические массы.-2003.-№1.-С. 36-39.

93. Kerber M.L., Ponomarev I.N., Lapshova О.A. and Grinenko E.S. Crystallyzation and stress-strain properties of Ultra-High-Molecular-Weight-Polyethylene gels filled with iron particles// Polymer Engineering and Science.-1997.-V. 37.-№8.- P. 1359-1366.

94. Васильев В.П. Теоретические основы физико-химических методов анализа.-М., 1979.- 478 с.

95. Кербер M.J1., Пономарев И.Н., Лапшова О.А., Гриненко Е.С., Сабсай О.Ю., Дубинский М.Б., Бурцева И.В. Физико-химические свойства наполненных гелей сверхвысокомолекулярного полиэтилена// Высокомолек. соединения.- 1996.- Т. 38А.- №8.- С. 1334-1342.

96. Sano A., Iwanami Y., Matsuura S., Yokoyama S., Kanamoto T. Ultradrawing of Ultrahigh Molecular Weight Polyehtylene Reactor Powders Prepared by Highly Active Catalyst System// Polymer.-2001.- V. 42.-p. 5859-5864.

97. Гуль B.E., Кулезнев B.H. Структура и механические свойства полимеров. М.:Лабиринт, 1994. - 367с.1. Утверждаю»ого директора ЦТД «Диаскан» С.В. Лобутев 2007 г.

98. Информационное письмо (или АКТ)

99. Настоящий акт составлен в том, что предприятием ОАО ЦТД «Диаскан» выпущено 5 тонн сорбционного пленочного и гранулированного материала на основе СВМПЭ и цеолита, разработанного сотрудником РХТУ им. Д.И. Менделеева Пономаревым И.Н.

100. Разработанный сорбент предполагается внедрить на предприятиях АК «Транснефть» для очистки различных жидкостей (или для очистки водоемов от разлившейся нефти).

101. Предполагаемая потребность в сорбционных материалах на основе СВМПЭ составляет около 10 тонн в год.

102. Проректор по научной работе РХТУ им. Д. И. Менделеева |проф. Панфилов В.И.

103. И.о. Генерального директора/ ОАО ЦТД «Диаска! Лобут^1. Акт200 г.испытания сорбционного материала на основе СВМПЭ

104. Проректор по научной работе РХТУ им. Д. И. Менделеева ^проф. Панфиловой.-Л 200 г.v., -J с,.

105. И.о. Генерального директор ОАО ЦТД «Диаскан) Лобутев С.В.200 г.1. Актвнедрения сорбционного материала на основе СВМПЭ

106. Профессор ^Il-J^^^r' Перевалов В.П.1. Научный сотрудник И.Н.кафедры технологии тонкого органического синтеза и хишш красителей РХТУ им. Д.И. Менделеева