Материалы на основе полипропилена с регулируемыми свойствами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.06, кандидат технических наук Осама Абдулькарим Аль Хело

• Осама Абдулькарим Аль Хело
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Осама Абдулькарим Аль Хело

Основные сокращения и символы

1. Введение

2. Литературный обзор

2.1. Общая характеристика полипропилена • 1 <

2.2. Методы получения и свойства полипропилена. Основные направления применения полипропилена.

2.3. Наполнение - эффективный путь улучшения свойств полимеров. Полимерные материалы с дисперсными наполнителями

2.4. Структура слоистого алюмосиликата-монтмориллонита

2.5. Нанокомпозиты полимер/слоистый силикат

2.6. Технологические процессы получения нанокомпозитов

2.7. Углеродные нанотрубки

2.8. Применение полимерных нанокомпозитов

2.9. Выводы из литературного обзора

3. Объекты и методы исследования

3.1. Объекты исследования

3.2. Методы исследования

4. Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение

4.1. Исследование влияния нанонаполнителей различной природы и строения на структуру и свойства полипропилена

4.2 Изучение характера взаимодействия между наполнителями и полипропиленом при введении модификаторов

4.3 Разработка нанокомпозитов на основе вторичного полипропилена

5. Практическая реализация результатов исследований

6. Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Материалы на основе полипропилена с регулируемыми свойствами»

Одним из перспективных направлений в науке о полимерах и материаловедении последних лет являются разработка принципов получения полимерных нанокомпозитов, которые являются новейшим типом функциональных материалов и могут быть использованы в самых разнообразных отраслях применения пластмасс[1]. В современном мире различные виды полимерных композиционных материал (ПКМ) на основе нанонаполнителей активно вытесняют традиционные материалы и завоевывают новые рынки[2].

Нанотехнологию довольно трудно определить точно, поскольку она возникла постепенно, в течение десятков лет, в результате развития и слияния целого ряда научных направлений в физике и химии XX века. Несмотря на проблемы с определением, нанотехнология уже реально существует, и в этой области учёные многих стран сейчас упорно соревнуются друг с другом, постоянно получая новые важные и интересные результаты. Можно сказать, что нанотехнология возникла в результате освоения и практического применения многих фундаментальных достижений науки, полученных за долгое время- и только сейчас ставших основой новых технологий. По прогнозам экспертов, грядет настоящая нанореволюция, которая изменит все - от сельского хозяйства и медицины до космической индустрии [3].

К нанотехнологии принято относить процессы и объекты с характерной длиной от 1 до 100 нм[4]. Верхняя граница нанообласти соответствует минимальным элементам так называемых БИС (больших интегральных схем), широко применяемым в полупроводниковой и компьютерной технике. Нано -метр - ничтожно малая величина, в сотни раз меньше длины волны видимого света и сопоставимая с размерами атомов. Существует три направления развития нанотехнологи й:

- изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, сравнимыми с размерами молекул и атомов,

- разработка и изготовление нано - машин, т.е. механизмов и роботов размером с молекулу,

- непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего существующего[5].

В результате накопленной за последнее десятилетие информации нанохимия стала структурированной наукой с четкими понятиями и своей терминологией. Сложились два важнейших ключевых понятий нанохимии — наночастица и нанореактор. Наночастица характеризуется размером, который находится в указанном выше интервале, в то время- как понятие нанореактора определяет функцию наночастицы, т.е. те эффекты, которые может проявлять наночастица по изменению свойств, реакционной способности и т.д. Нанореакторами могут быть и пустоты нанометрового размера в пористых материалах, если вещества, размещенные или находящиеся в этих пустотах, обнаруживают аномалию свойств и реакционной способности.

В зависимости от позиции исследователя, нанотехнология может рассматривать в качестве своего объекта как сами нанообъекты, так и материалы на их основе. Желая подчеркнуть, что тот или иной материал обладает определенным комплексом свойств именно благодаря наличию в нем нанообъектов, такие материалы зачастую называют наноматериалами. Наноматериалы иногда называют контролируемым упорядочением нанообъектов[2].

Технология получения полимерных нанокомпозитов не стоит на месте, её развитие направлено на упрощение и удешевление способов получения композиционных материалов, содержащих в своем составе наночастицы[6-7].

На самом деле основа для таких материалов уже создана. Учёные обнаружили, что в определенных условиях (например, длительный нагрев) атомы углерода переходят в новое фазовое состояние - углеродные нанотрубки. Тонкие нити участков таких образований легко наблюдаются в электронном микроскопе. Углеродные нанотрубки не только намного легче и прочнее металлов, но и обладают полупроводниковыми характеристиками, которые сейчас интересуют исследователей всех стран[8-13].

Нанотехнология ещё очень молодое научное направление и пока находится на стадии первичного развития, когда основная часть информации и знаний используется только в лабораторных условиях. Однако нанотехнологии развиваются высокими темпами, и то, что ещё вчера казалось невозможным, завтра будет доступно для внедрения в промышленных масштабах. По мнению специалистов, то, что сегодня мы называем (микро), лет через десять, в эпоху (нано), можно будет смело назвать (макро)[14-15].

История исследования наноструктур в полимерных системах практически совпадает со всей долгой историей развития науки о полимерах как таковой. Однако ее современное состояние, значительно усиленное развитием самых современных экспериментальных и теоретических методов анализа структуры и свойств полимеров, включающих весь масштаб характерных размеров до макроразмерных объектов, в скором времени позволяет ожидать новых прорывных решений в области нанохимии и нанотехнологии полимерных систем. ?

Применение новых подходов и принципов нанохимии и нанотехнологии может существенно повысить эффективность практического использования полимерных систем, улучшить их свойства и эксплуатационные характеристики.

2. Литературный обзор 2.1.0бщая характеристика полипропилена.

Появившись на рынке полимеров, полипропилен (1II1) очень быстро стал занимать практически все ниши использования термопластов. Материал оказался универсальным для всех методов переработки. Кроме этого, он позволил разработать новые области использования термопластов[16].

Первым на рынке появился, естественно, гомополимер пропилена. Полипропилен (полипропен) - РР (выпускается под торговыми марками: бален, липол, новолен, олеформ, пропатен, каплен, Ьоз1а1еп, шор1еп). Крупнотоннажное производство полипропилена налажено как в России, так и во многих зарубежных странах. Производители полипропилена - практически все крупные нефтехимические компании мира[17-20].

Ш1 обладает следующими характеристиками: -большей, чем у полиэтилена, прозрачностью;

-интересным свойством: контактной прозрачностью, которая проявляется следующим образом — если в достаточно тонкостенное изделие налить любую прозрачную жидкость, создается впечатление, что прозрачность стенок увеличилась;

-имеет великолепную глянцевую поверхность; -по поверхности можно наносить печать;

-наиболее высокими органолептическими свойствами: упакованные в него продукты не приобретают специфического вкуса и запаха упаковываемого продукта;

-великолепно сваривается;

-перерабатывается всеми способами, характерными для термопластов: литье под давлением, экструзия с раздувом (как для получения полых изделий, так идля получения пленки), экструзия профилей, листов и труб, термо - и вакуумформование. Кроме этого, оказалось, что из полипропилена, также как из полиамида и полиэтилентерефталата, можно получать волокна;

-одно из наиболее важных преимуществ ПП - способность легко переносить повышенные температуры, в частности, изделия из полипропилена можно стерилизовать (например, при температуре 130° С в течение 10 минут), в изделия из полипропилена можно разливать жидкости с температурой до 110- 120 °С;

-долговременной стойкостью к повышенным температурам (около 100 0 С); -изделия из полипропилена можно подвергать замораживанию (при условии аккуратного с ними обращения);

-полипропилен — идеальный материал для использования в микроволновых печах - форма изделий не меняется, и материал не деструктирует;

-достаточно высокими барьерными свойствами: по проницаемости для водяного пара его барьерные свойства выше полистирола в десять раз, по проницаемости смеси ССЬи СЬ - в полтора раза;

-наименьшей плотностью из всех известных термопластов, то есть изделие, изготовленное на основе полипропилена, будет весить всегда меньше, чем изготовленное из любого другого материала;

-великолепно совмещается практически со всеми типами неорганических наполнителей, что позволяет ещё больше снизить себестоимость продукции.

-изделия из гомополимера пропилена характеризуются низкой стойкостью к удару. Особенно проблематичным становится использование тонкостенных изделий. При снижении температуры гомополимер пропилена постепенно теряет свои свойства и становится очень хрупким. Этот недостаток материала может компенсироваться увеличением толщины стенок изделия, однако при этом преимущества, которые дает низкая плотность материала, исчезают.

-резкое ухудшение свойств материала при снижении температуры стали компенсировать использованием различных смесей полипропилена с другими материалами. Довольно скоро появились сополимеры пропилена, которые придавали материалу новые свойства[21 -24].

Сополимеры пропилена делятся на два типа: -блоксополимеры пропилена. Отличаются высокой прочностью, жесткостью, морозостойкость некоторых марок может достигать — 60°С. Стойкость к удару при понижении температуры снижается, однако остается удовлетворительной (для некоторых марок) даже при -23°С. Остальные преимущества полипропилена сохраняются;

-статистические сополимеры пропилена (на европейском рынке полимеров их называют рандомсополимеры). Материалы отличаются исключительной прозрачностью, близкой к прозрачности полистиролов. Физико-механические характеристики материалов значительно ниже, чем у гомополимеров - и блок-сополимеров пропилена. Морозостойкость и стойкость к удару обычно невысокие и лишь у немногих марок при -5°С имеют удовлетворительные показатели. Только в последние годы ряд ведущих западных компаний предлагает для использования рандомсополимеры пропилена, обладающие высокой стойкостью к удару и морозостойкостью. Стоимость этих марок, естественно, выше, чем стандартных[25-27].

ПП марки random имеет улучшенные свойства по сравнению с чистым 1111. Он применяется для производства тонкостенной прозрачной упаковки для пищевых продуктов, в зависимости от марки - для производства трубопроводов в системах напорного и безнапорного горячего и холодного водоснабжения, систем отопления полов, радиаторного отопления. ♦ Стоимость трубопровода, изготовленного из рандома, дешевле металлических труб [2 8].

Высокие эксплуатационные характеристики полипропилена и композиций на его основе (прочность, влагостойкость, теплостойкость, термосвариваемость) определяют широкий спектр использования этого пластика в различных отраслях промышленности. -

Устойчивое развитие машиностроения, топливной, химической, пищевой промышленности и производства стройматериалов формируют стабильный спрос на полипропилен[29].

Емкость внутреннего рынка полипропилена в период с 2000 по 2005 годы возросла в 2.12 раза. На российском рынке 1111 сформировалась тенденция увеличения спроса. Доля импортной продукции на внутреннем рынке увеличилось с 6.7 % в 2000 году до 34.5% в 2005 году.

Самыми крупными сегментами рынка по переработке полипропилена является производство тары и упаковки(15.7%), деталей и изделий для автомобилестроения (14.8%), пленок (13%)[20].

Заключение диссертации по теме «Технология и переработка полимеров и композитов», Осама Абдулькарим Аль Хело

6. Выводы

1 .Разработаны модифицированные материалы на основе полипропилена с нанонаполнителями слоистого и трубчатого строения, обладающие комплексом улучшенных технологических и физико-механических свойств и способные перерабатываться в изделия высокопроизводительными методами.

2.Установлено, что смешанная интеркалированная / эксфолиированная структура наполненного органобентонитом полипропилена образуется при его модификации малеинизированным термоэластопластом. Полученный нанокомпозит обладает улучшенными прочностными и деформационными характеристиками, сохраняемыми при низких температурах.

3.Установлено, что введение углеродных нанотрубок, имеющих высокоразвитую поверхность, в концентрации до 0,1мас.% приводит к значительному улучшению комплекса физико-механических свойств наполненного полипропилена, что , по-видимому, связано с образованием нанокомпозита.

4.Показано, что полипропилен, содержащий углеродные нанотрубки, характеризуется высокой скоростью и температурой кристаллизации и имеет повышенную температуру начала термоокислительной деструкции.

5.Созданы композиционные материалы на основе вторичного полипропилена и показано, что разработанные методы модификации улучшают его прочностные и технологические свойства. Это повышает эффективность практического использования вторичного полипропилена.

6.На предприятии ООО «Гарант-Полимер» выпущены опытно-промышленные партии модифицированного полипропилена, наполненного нанонаполнителями , выданы рекомендации по их применению. Полученные результаты легли в основу разработки технологического регламента и соответствующих технических условий.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Осама Абдулькарим Аль Хело, 2009 год

1. Балабанов В. Нанотехнологии. Наука будущего М.,'Техносфера,2009 256 с.

2. Гречихин JL И. Наночастицы и нанотехнологии . М.,Билом, 2008 .- 298 с.

3. Ратнер М., Ратнер Д. Нанотехнологии: простое объяснение очередной гениальной идеи . М.,Академия, 2007 .- 240 с.

4. Хартман У. Очарование нанотехнологии М.,Техносфера, 2008 176 с.

5. Сумм Б.Д., Иванова Н.И. Объекты и методы коллоидной химии в нанохимии // Успехи химии 69 2000 .- №11 .- С.11-14

6. Рыжонков Д. И., Левина В. В., Дзидзигури Э. Л. Наноматериалы М., Профессия, 2008 368 с.

7. Ломакин С. М., Заиков Г. Е. Полимерные нанокомпозиты пониженной горючести на основе слоистых силикатов. // Высокомолекулярные соединения.Сер.Б.- 2005.- Т.47, №1.-С. 104-120

8. Wang Jun, Xiong Chuan-xi, Wang Yan-bing, Liu Qi-hong, Dong Li-jie. Modification of nanocomposites by melting intercalation of polypropylene in montmorillonite//J.Wuhan Univ. Technol. Mater. Sci. Ed .- 2002 .- 17, N1 .- P. 6668

9. Wu Ting-lu, Liu Zhong-ren, Qi Zong-neng, Ma Yong-mei, Xue He-Lun, Mu Chang-rong Suliao keji // Plast. Sci. and Technol.- 2002 .- N2 .- P. 59-61

10. Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. M.,Техносфера, 2007 .- 416 с.

11. Аид Алаа Ибрахим Ахмад. Структура и свойства слоистостликатных нанокомпозитов на основе полиэтилентерефталата // Автореферат канд.дисс .- М.,2006 .- 17 с.

12. Cser F., Bhattacharya Study of the Orientation and the Degree of Exfoliation of nanoparticles in Poly(ethylene vinyl acetate ) Nanocomposites // J.App.Polym.Sci.- 2003 .-V.90.- P. 3026-3031

13. Пул-мл.Ч., Оуэне Ф. Нанотехнология . М.,Профессия, 2008 . - 346 с.14