Поверхностные и деформационно-прочностные свойства композиций на основе поливинилхлорида и бутадиенакрилонитрильных эластомеров

На правах рукописи

ОЗОВ Хаути Хабасович

ПОВЕРХНОСТНЫЕ И ДЕФОРМАЦИОННО-ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА И БУТАДИЕНАКРИЛОНИТРИЛЬНЫХ ЭЛАСТОМЕРОВ

02.00.06 – Высокомолекулярные соединения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Нальчик - 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова» на кафедре физики наносистем

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Карамурзов Барасби Сулейманович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

доктор физико-математических наук, профессор

Ведущая организация: Волгоградский государственный
технический университет, г. Волгоград

Защита состоится « 12 » декабря 2008 г. в 15 час. 00 мин. на заседании Диссертационного совета Д 212.076.09 при Кабардино-Балкарском государственном университете КБР, 73, КБГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кабардино-Балкарского государственного университета.

Автореферат разослан " ___ " ________ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время во всем мире все большее применение в качестве конструкционных и отделочных материалов находят многокомпонентные полимерные системы. Важнейшими областями их практического применения являются легкая промышленность, автомобиле– и авиастроение, аэрокосмическая техника, электроника, медицина и т. д. Это обусловлено тем, что современные полимерные материалы и их композиции обладают сочетанием ряда уникальных физико-химических свойств.

Исследование поверхностных свойств и установление взаимосвязей их с объемными физико-химическими свойствами полимеров имеет существенное значение как для научного обоснования процессов переработки полимеров в изделия, так и для целенаправленного, рационального получения полимерных материалов с заранее заданными свойствами. Установление подобных связей способствует дальнейшему развитию теории поверхностных явлений, а также обоснованию новых направлений физико-химического анализа.

Для решения проблем современной физики, химии и технологии полимерных материалов требуются все больше знаний о состоянии поверхности раздела различных фаз, свойства которой существенно отличаются от объемных. Межфазная энергия (МЭ) и межфазное натяжение (МН) являются основными характеристиками переходной области. Они играют важную роль в решении теоретических и практических вопросов кристаллизации, термостойкости, ползучести, пропитки и других проблем, связанных с развитием новых направлений современной техники и получении композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами. Возможности получения новых материалов с улучшенными свойствами существенно расширяются при учете поверхностных и адгезионных свойств исходных компонентов и влияния этих свойств на физико-химические и механические характеристики композиций на их основе. Поэтому проблема изучения поверхностных, адгезионных и механических свойств полимерных материалов в настоящее время является одной из наиболее важных задач физики полимеров.

Цель работы – экспериментальное исследование поверхностных свойств и механических характеристик модельных композиций на основе поливинилхлорида и бутадиенакрилонитрильных эластомеров с различным содержанием нитриль­ных групп в широком температурном и концентрационном интервале.

В рамках поставленной цели решались задачи:

1.  Создание экспериментальных установок для измерения прочности и поверхностных характеристик полимерных композиций в широком интервале температур.

2.  Исследование температурных зависимостей межфазных натяжений и работы адгезии исходных компонентов и их композиций в интервале температур, в котором не изменяются их основные объемные физико-химические свойства.

3.  Изучение концентрационных зависимостей поверхностного и межфазного натяжений и работы адгезии композиций на основе ПВХ+СКН.

4.  Исследование деформационно-прочностных характеристик полимерных композиций в широком температурном и концентрационном интервалах.

5.  Установление взаимосвязи прочностных свойств исследуемых композиций с их поверхностными характеристиками.

Научная новизна полученных результатов

1.Впервые в условиях термодинамического равновесия определены поверхностное натяжение, межфазное натяжение и работа адгезии для бинарных смесей полимеров на основе ПВХ и СКН в широком интервале температур и концентраций.

2.Установлено, что температурные зависимости межфазного натяжения и работы адгезии изученных полимерных систем в исследованной области температур носят линейный характер. Определены соответствующие значения констант (s273 и ds/dТ) для каждой полимерной композиции.

3.Выявлено, что характер изотерм поверхностного натяжения и работы адгезии в смесях полимеров ПВХ+СКН зависит от числа нитрильных групп в СКН: с увеличением их числа ярче проявляются экстремумы на изотермах. Для заданной концентрации ПВХ+СКН поверхностное натяжение снижается с увеличением числа нитрильных групп в СКН.

4.Исследованы температурные зависимости разрывного напряжения и концентрационные зависимости деформации в смесях ПВХ с СКН при различных соотношениях компонентов и режимах приготовления композиций.

5.Построены диаграммы «деформация–напряжение» для исследованных композиций при различных температурах, соотношениях компонентов и режимах приготовления композиций.

6.Установлена взаимосвязь между поверхностными свойствами изученных композиций и их прочностными характеристиками.

7.На основе молекулярно-кинетической теории предложено соотношение для оценки толщины диффузионного слоя в бинарных полимерных композициях.

Практическая ценность результатов

Данные, полученные для модельных смесей ПВХ и СКН с различным содержанием нитрильных групп, могут быть использованы при изучении других бинарных полимерных композиций. Полученные значения поверхностного натяжения, работы адгезии и прочности изученных полимеров и их композиций рекомендованы как справочные Центральной заводской лаборатории комбината «Искож».

Отработана методика экспериментальных исследований поверхностных свойств полимеров, учитывающая особенности работы с этим классом веществ, которая может быть использована в научно-исследовательских лабораториях и центрах.

Разработанные методика и установки по определению поверхностных и деформационно-прочностных характеристик полимеров используются при проведении практических и лабораторных занятий по изучению свойств полимеров на физическом факультете КБГУ.

Основные положения, выносимые на защиту

1.  Выявленная зависимость экстремумов на изотермах межфазного натяжения и работы адгезии от числа нитрильных групп в смесях полимеров ПВХ+СКН: чем больше число нитрильных групп, тем ярче проявляется экстремум на изотермах.

2.  В формировании объемных физико-химических свойств изученных полимерных композиций важную роль играют процессы, протекающие на межфазных границах. Корреляция экстремумов на изотермах межфазного натяжения и работы адгезии с максимумами межфазной энтропии свидетельствует о протекании в переходных слоях процессов упорядочения.

3.  Повышение степени полярности компонентов полимерной композиции приводит к снижению межфазной энергии и увеличению работы адгезии, а следовательно, прочности композиции.

4.  Определяющую роль в формировании прочностных свойств полимерных композиций играют процессы, протекающие в переходных слоях, на что указывают экспериментально установленные зависимости прочности и межфазного натяжения от концентрации компонентов и числа нитрильных групп.

5.  Выведенное на основе молекулярно-кинетической теории соотношение для оценки толщины диффузионного слоя в бинарных полимерных композициях.

Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались на конференциях различных уровней: на Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых и аспирантов «Перспектива–2001», «Перспектива–2006» и «Перспектива–2007», (ЭНУБ КБГУ, п. Эльбрус), на Всероссийской научной конференции аспирантов и молодых ученых, (Самара, 2000 г.), на Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003 г.), на III Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры-2004» (Москва, МГУ, 2004 г.), на IV Международной научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы (Нальчик, КБГУ, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них две ‑ в рекомендуемых ВАК журналах.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков и 7 таблиц. Список литературы включает 186 наименований. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая ценность. Изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации приводится обзор литературы по поверхностным и механическим свойствам полимеров и полимерных композиций, а также их взаимосвязи.

Теории поверхностных явлений, задачам и методикам определения поверхностных характеристик полимеров, находящихся в различных фазовых состояниях много внимания уделено такими российскими и зарубежными учеными, как: , , Липатов Ю. С., , Ли Л. и т. д.

В первом параграфе представлены подходы к определению поверхностных характеристик полимеров и полимерных композиций различных авторов и обзор данных по поверхностному натяжению жидких полимеров и их растворов, свободной поверхностной энергии полимеров в твердом состоянии и межфазного натяжения на границах полимер ‑ жидкость и полимер – газ, полученных различными методами.

Второй параграф посвящен механическим свойствам полимеров, в частности – прочности полимеров, так как при выборе того или иного полимерного материала зачастую решающую роль играют именно параметры прочности.

В развитие теории прочности большой вклад внесли , , и другие представители советской и российской полимерной науки. Благодаря их усилиям различные подходы к проблеме прочности полимеров объединены в единую молекулярную термофлуктуационную теорию прочности.

Здесь также представлен обзор научной литературы, посвященный вопросам физико-механических свойств полимеров.

В третьем параграфе рассмотрены вопросы взаимосвязи поверхностных явлений и параметров, характеризующих поверхность, с физико-механическими свойствами полимеров.

В завершении первой главы приводятся краткие выводы, из которых вытекают цели и задачи исследований.

Во второй главе определены объекты и методы исследования.

Выбору методов исследования поверхностных и механических характеристик полимеров предшествует достаточно подробное рассмотрение и анализ их на основе литературных данных в параграфах 1 и 2.

Для вычисления значений поверхностного натяжения исходных компонентов и расплавов композиций в различных весовых соотношениях пользовались методом «парахора». Межфазные натяжения твердых полимеров на границах с жидкостью и воздухом определены методом «нейтральной капли», используя экспериментально найденные значения краевых углов смачивания полимерной подложки жидкостью с известным поверхностным натяжением, не взаимодействующей с полимером.

При изучении механических свойств полимеров и полимерных систем были применены методы исследования деформационно-прочностных свойств.

В третьем параграфе даны особенности объектов исследования.

Четвертый параграф посвящен обоснованию выбора объектов исследования. Объектами исследования являются полимерные композиции на основе поливинилхлорида и бутадиен-акрилонитрильных эластомеров с различным содержанием (18, 26 или 40) CN‑групп. Все смеси были приготовлены из одной производственной партии поливинилхлорида марки ПВХ С‑70 и из одной партии каучука (СКН–18, СКН–26, СКН–40) при одинаковых технологических режимах переработки.

Выбор объектов исследования на основе ПВХ и СКН обусловлен, во-первых, практической значимостью – основу продукции таких ведущих предприятий Кабардино-Балкарской республики, как «, «Кабельный завод» составляет пластифицированный ПВХ. Во-вторых, достаточной изученностью отдельных компонентов, что позволило сопоставить полученные нами результаты с литературными данными. В-третьих, возможностью регулирования морфологии композиций путем изменения технологии приготовления, межмолекулярного взаимодействия компонентов и их концентрации.

В пятом параграфе даны описания и схемы установок и оборудования, использованных в работе для определения поверхностных и механических характеристик исходных полимеров и композиций на их основе.

Для экспериментального определения значений межфазного натяжения полимерных композиций и их зависимости от температуры создана установка по измерению краевых углов смачивания полимерной подложки «нейтральной» жидкостью.

В третьей главе приведены расчетные и экспериментальные значения поверхностных характеристик полимеров, полученные в ходе исследований.

Методом «парахор» были расчитаны поверхностные натяжения наиболее часто используемых в производстве полимеров и блок-сополимеров. Этим же методом расчитаны концентрационные (в вес. %) зависимости поверхностного натяжения всех трех подсистем ПВХ+СКН. Установлены линейные зависимости поверхностного натяжения от числа нитрильных групп в эластомере и содержания эластомера в композициях ПВХ и СКН (18, 26, 40) (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость поверхностного натяжения от концентрации
в композициях ПВХ+СКН.

В работе также изучена временная зависимость угла смачивания, работы адгезии на границе «полимер–жидкость» и значений межфазного натяжения на границах «полимер–жидкость» и «полимер–воздух» в системе «полимерная подложка ‑ смачивающая жидкость ‑ воздух». В качестве полимерной подложки взяты композиции ПВХ+СКН (18, 26, 40). Показано, что указанные параметры слабо меняются со временем до двух часов выдержки системы, затем выходят на равновесное значение.

По результатам исследования установлено влияние поверхностных свойств исходных компонентов и режима приготовления на поверхностные свойства композиции. Полученные данные представлены в таблице 1.

Значения работы адгезии и межфазной энергии на границе полимер–воздух для композиций, приготовленных смешением выше ТС ПВХ несколько выше тех же значений для композиций, приготовленных смешением ниже ТС ПВХ. Также выявлено, что в композициях с равными соотношениями компонентов межфазная энергия на границе раздела полимер–жидкость уменьшается, а величина межфазной энергии и значение работы адгезии на границе полимер–воздух возрастают с уменьшением числа нитрильных групп в эластомере. Такое поведение поверхностных характеристик связано со свойствами исходного компонента – эластомера.

Таблица 1.

Значения межфазных энергий на границах раздела и работы адгезии
(при Т=293К)

Полимер/композиция	МЭ, sтп (мДж/м2)	МЭ, sтж (мДж/м2)	Работа адгезии (мДж/м2)
ПВХ	65,2	21,8	102,8
СКН–18	57,9	37,6	79,7
СКН–26	58,8	35,9	82,6
СКН–40	61,1	33,1	87,3
СКН–18+ПВХ 1:1 (выше ТС )	63,6	28,1	95,1
СКН–26+ПВХ 1:1 (выше ТС )	60,1	34,8	84,5
СКН–40+ПВХ 1:1 (выше ТС )	58,7	36,5	81,7
СКН–18+ПВХ 1:1 (ниже ТС )	59,6	35,4	83,6
СКН–26+ПВХ 1:1 (ниже ТС )	58,3	37,1	80,7
СКН–40+ПВХ 1:1 (ниже ТС )	56,1	39,7	75,8

В параграфах 3 и 4 представлены результаты экспериментального исследования температурной и концентрационной зависимости межфазного натяжения на границах «полимер ‑ смачивающая жидкость», «полимер-воздух» и работы адгезии смачивающей жидкости к полимерной подложке.

Уравнения политерм МН для всех изученных композиций ПВХ+СКН в исследованном температурном интервале можно представить в виде:

(1)

Вычислены значения s273 (межфазное натяжение при Т=273К), температурных коэффициентов ds/dТ по углам наклона прямых, а также значения дисперсии R2 для всех полученных политерм.

Известно, что значение связано с межфазной энтропией, характеризующей степень упорядочения на поверхности полимера. В работе показано, что на зависимостях от концентрации ПВХ+СКН наблюдаются экстремумы в тех же областях, что и на изотермах межфазного натяжения и работы адгезии. Последнее свидетельствует о важности роли процессов поверхностного упорядочения при формировании межфазных свойств полимерных композиций.

Зависимость МН от концентрации носит нелинейный характер (рис 2). Точки перегиба на графиках зависимости s(С) для композиций ПВХ+СКН лежат в области примерно 20‑30% содержания одного из компонентов в другом, т. е. в областях обращения фаз.

Рис. 2. Концентрационная зависимость межфазного натяжения на границах полимер–воздух и полимер–жидкость композиции ПВХ+СКН–18.

Концентрационные зависимости работы адгезии (РА) носят также характер кривых с экстремумами (рис. 3), где точки перегиба находятся в тех же областях. На графиках зависимости Wа(С) для композиций ПВХ+СКН‑18 и ПВХ+СКН‑26 наблюдаются два минимума: первый – в области содержания 25вес% эластомера в ПВХ, а второй – в области 25вес% ПВХ в эластомере.

На концентрационной зависимости РА для композиции ПВХ+СКН‑40 имеется, наоборот, как бы два максимума ‑ в областях содержания 20 вес% одного из компонентов в другом, и один ярко выраженный минимум – при равных весовых соотношениях компонентов.

Рис. 3. Концентрационная зависимость работы адгезии
в композициях ПВХ+СКН–40.

Такое поведение графиков концентрационной зависимости связано с характером совместимости исходных компонентов. Из литературы известно, что ПВХ с СКН‑18 и ПВХ с СКН‑26 плохо совместимы и образуют гетерогенную смесь со «значительной» долей переходного слоя,
а ПВХ с СКН‑40 хорошо совместима. Отсюда можно сделать вывод, что композиции ПВХ+СКН‑18 и ПВХ+СКН‑26 с содержанием одного из компонентов примерно 30 вес.% и 25 вес.% соответственно, наиболее термодинамически выгодны и совместимы: эти точки соответствуют максимумам МН на границе полимер‑воздух и, наоборот, минимуму работы адгезии. Композиция же ПВХ+СКН‑40 хорошо совместима во всем интервале концентрации и, хотя и имеются точки перегиба в указанных областях, они менее выражены для зависимости s(С). Минимум на графике Wа(С) приходится на равное (в вес.%) содержание исходных компонентов.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований деформационно-прочностных свойств бинарных композиций ПВХ+СКН (18, 26 и 40). Были изучены температурные зависимости прочности полимерных композиций от концентрации компонентов и способа приготовления композиции.

Результаты изучения температурной зависимости истинного разрывного напряжения sр исходных компонентов приведены на рисунке 4. Из анализа хода этих кривых видно, что их особенностью является наличие максимума значений sр в области стеклования у ПВХ и эластомеров.

Температурные зависимости разрывного напряжения для смесей ПВХ+СКН (18, 26 и 40) при весовом соотношении компонентов 1:1 приведены на рисунке 5. Видно, что на кривой sр–Т проявляются аномальные участки, на которых значения sр проходят через максимум. Например, для смеси ПВХ с СКН–18 при соотношении компонентов по весу 1:1 (рис. 5а) в области низких температур (233 К) проявляется максимум, выпуклый перегиб около 253 К и плато при 310 К. При увеличении полярности СКН изменяются формы кривой температурной зависимости разрывного напряжения (рис. 5а, б) и возрастание значений sр.

Рис. 4. Температурная зависимость разрывного напряжения
для бутадиенакрилонитрильных эластомеров и ПВХ:
1 – СКН–18; 2 – СКН–26; 3 – СКН–40; 4 – ПВХ.

а)

б)

в)

Рис. 5. Температурная зависимость разрывного напряжения смесей, полученных смешением компонентов по весу 1:1 при Т<ТС ПВХ:
а) ПВХ+СКН‑18; б) ПВХ+СКН‑26; в) ПВХ+СКН‑40;

На рис. 6 приведены графики зависимостей разрывного напряжения от весовой доли эластомера СКН. Из рисунка видно, что изменение концентрации компонентов приводит к неаддитивности свойств (рис. 6, кривые 1, 2). Из анализа кривых 1,2 рисунка 6 можно предположить, что только при малых содержаниях одного компонента в другом (менее 20 вес.%) определяющим являются прочностные свойства того компонента, который преобладает. Полученные нами результаты хорошо коррелируют с литературными данными.

Увеличение доли ПВХ в композиции способствует уменьшению разрывной деформации и увеличению разрывного напряжения (рис. 7). С увеличением содержания ПВХ форма деформационно-прочностной кривой приближается к кривым, характерным для жесткоцепных полимеров.

Рис. 6. Зависимость разрывного напряжения от весовой доли эластомера: 1,2,4,6 – ПВХ+СКН–26, 3–ПВХ+СКН–40, 5–ПВХ+СКН–18. (1,3-5 – смешение при Т>Т С ПВХ, 2,6 – смешение при Т<Т С ПВХ.).

Рис. 7. Диаграммы напряжение–деформация смеси ПВХ с СКН–26, полученной смешением при Т<ТС ПВХ с разным соотношением компонентов:
1 – 80 вес.% ПВХ+20 вес.% СКН–26
2 – 50 вес.% ПВХ+50 вес.% СКН–26
3 – 20 вес.% ПВХ+80 вес.% СКН–26

Установлено влияние режима приготовления композиции на его прочностные свойства. Так, при смешении ПВХ с СКН выше ТС ПВХ форма кривых температурных зависимостей sр существенно меняется (рис. 8). Значения разрывного напряжения для композиций, полученных смешением при температуре ниже TС ПВХ, значительно меньше значений sр композиций, полученных смешением при температуре выше ТС ПВХ. Резкое различие sр для смесей, полученных разными технологическими способами и при разных величинах взаимодействия макромолекул ПВХ и СКН, становится несущественным при разрыве их выше 353К. На температурной зависимости sр в низкотемпературной области для смеси ПВХ с СКН–18 проявляется перегиб (рис. 8 а), а для смеси ПВХ с СКН–26 и СКН–40 – максимумы (рис. 8 б и в).

а)

б)

в)

Рис. 8. Температурная зависимость разрывного напряжения
смесей, полученных смешением компонентов по весу 1:1 при температуре выше ТС ПВХ:
а) ПВХ+СКН‑18; б) ПВХ+СКН‑26; в) ПВХ+СКН‑40;

На деформационно-прочностные свойства композиций на основе ПВХ и СКН существенное влияние оказывает концентрация разных компонентов наряду с величиной взаимодействия их молекул. Анализ зависимости вида деформационно-прочностных диаграмм от концентрации компонентов показал, что кривые sр–e для смесей ПВХ с СКН, полученных выше ТС ПВХ (рис. 9), аналогичны кривым sр–e таких же смесей, полученных при температуре ниже ТС ПВХ. Смешение при температуре выше ТС ПВХ способствует возрастанию значения разрывного напряжения по сравнению со значением sр, полученным при температуре ниже ТС ПВХ. Как видно из рисунка 12, деформационно-прочностная кривая смеси ПВХ с СКН–26 при соотношении компонентов 4:1 имеет такую же форму, что и для чистого ПВХ (кривые 1,2 на рис. 9), а при превосходящих долях СКН–26 форма кривых sр–e приближается к форме кривой чистого эластомера (кривые 4,5 на рис. 9). Деформационно-прочностные кривые смесей ПВХ с СКН, занимают промежуточное положение.

Рис. 9. Диаграммы sр–e для смесей ПВХ+СКН–26 (смешение
при Т<ТС ПВХ): 1–ПВХ, 2 – 4:1; 3 – 1:1; 4 – 1:4, 5–СКН.

Наличие переходных слоев приводит к тому, что при содержании одного компонента в другом более 20 вес.% деформационно-прочностные свойства смеси на основе ПВХ и СКН отличаются от свойств чистых компонентов (рис. 9).

Результаты исследования деформационно-прочностных свойств смесей ПВХ+СKH–26 хорошо коррелируют с данными аналогичных исследований смесей ПВХ с СКН–18 и ПВХ с СКН–40.

Для выяснения роли переходных слоев в формировании прочностных свойств смесей на основе ПВХ и СКН образцы отжигались при температуре выше температуры стеклования ПВХ (393К). Известно, что свойства исходных композиций занимают промежуточное положение по отношению к свойствам отожженных и закаленных образцов. Значения макроскопических параметров (sр, Е’) у отожженных образцов гомополимеров больше, чем у исходных и закаленных. Иная картина наблюдается при отжиге и закалке образцов на основе смесей ПВХ с СКН. Разрывное напряжение зависит от времени отжига. Для смеси ПВХ с СКН–18 до 6 часов отжига через час sр падает, а затем возрастает.

Падение прочности при временах отжига до 6 часов связано с уменьшением доли переходного слоя вследствие разделения компонентов и образования перенапряжении в результате разделения фаз. Дальнейший отжиг приводит к снятию перенапряжений, в результате чего возрастает разрывное напряжение закаленных и отожженных образцов.

Значения sр для отожженных образцов смеси ПВХ с СКН‑18 меньше, чем у закаленных и исходных. У закаленных образцов sр занимает промежуточное положение по отношению к sр исходных и отожженных образцов. Это связано с уменьшением объемной доли переходных слоев, т. е. время действия температуры способствует разделению фаз. Аналогичную картину имеем для смеси ПВХ с СКН–26 и ПВХ с СКН–40.

Из анализа приведенных экспериментальных данных следует, что механизм упрочнения эластомера более жесткоцепным ПВХ при разрыве заключается в образовании развитого переходного слоя. Известный факт упрочнения ПВХ при ударе при введении бутадиенакрилонитрильных эластомеров, по-видимому, также связан с образованием развитого переходного слоя в этих композициях, т. е. эластомер и переходные слои способствуют релаксации критического напряжения при ударе.

Таким образом, переходные слои играют существенную роль в формировании макроскопических характеристик полимерных композиций и прогнозирование его толщины, исходя из характеристик компонентов смеси и технологии их смешения, позволит моделировать морфологию смеси полимеров. Нами предложено решение такой проблемы методом дифференциальных кинетических уравнений.

Рассматривая процесс смешения исходных компонентов А и В как взаимодиффузию квазичастиц (статистических сегментов с концентрациями и размерами соответственно) под воздействием механического и теплового полей и применяя понятия физической кинетики, в частности, уравнение Больцмана, получено соотношение для оценки толщины переходного слоя:

. (2)

Для случая «плотной упаковки» макромолекул и имеем: , т. е. характерный размер переходного слоя имеет порядок сегментального размера макромолекулы, что хорошо согласуется с литературными данными.

Выводы:

1.  Впервые изучены поверхностное и межфазное натяжения и работа адгезии для бинарных смесей полимеров на основе ПВХ и СКН с различным содержанием нитрильных групп в широком интервале температур и концентраций в условиях термодинамического равновесия. Показано, что поверхностные свойства полимерных композиций на основе ПВХ и СКН зависят от режима приготовления композиции, концентрации компонентов в нем и количества CN–групп в эластомере.

2.  Методом парахор вычислены значения поверхностного натяжения ряда полимеров, блок-сополимеров и полимерных композиций. Выявлено, что рассчитанные этим методом значения поверхностного натяжения для чистых полимеров хорошо коррелируют, а для блок-сополимеров и полимерных композиций расходятся с литературными данными.

3.  Установлено, что концентрационная зависимость поверхностного натяжения и температурная зависимость работы адгезии и межфазного натяжения на границах раздела твердое–жидкое и твердое–газ для всех изученных систем носит линейный характер. По политермам межфазного натяжения определены значения s273 и коэффициенты линейного уравнения (1) для всех исследованных композиций.

4.  На концентрационных зависимостях работы адгезии, межфазного натяжения и композиций ПВХ+СКН обнаружены экстремумы. Перегибы на изотермах наблюдаются при концентрациях, соответствующих обращению фаз и экстремумам на изотермах , что указывает на влияние процессов упорядочения при формировании поверхностных свойств полимерных композиций. Характер изотерм работы адгезии и межфазного натяжения в смесях полимеров ПВХ+СКН зависит от числа нитрильных групп в СКН: с увеличением их числа ярче проявляются экстремумы на изотермах межфазного натяжения и работы адгезии.

5.  На температурной зависимости прочности sр в смесях ПВХ с СКН при различных соотношениях компонентов наблюдаются максимумы sр, где, соответственно, значения деформации при разрыве возрастают.

6.  Высказано предположение об определяющей роли переходного слоя в формировании прочностных свойств смесей полимеров. Сделана попытка объяснения с этих позиций механизма упрочнения эластомера поливинилхлоридом.

7.  Установлена корреляция между поверхностными и прочностными характеристиками на кривых концентрационной зависимости работы адгезии, межфазного натяжения и разрывной прочности: точки экстремумов приходятся на одинаковые концентрационные области. Выявлено, что чем ближе значения поверхностных натяжений исходных компонентов, тем выше прочность полученных на их основе композиций.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах

1.  , Тхакахов Х. Х., Карамурзов особенностей структуры и свойств смесей полимеров методом дифференциальных кинетических уравнений //Пласт. массы, 2002. №12, С.32-34.

2.  , Тхакахов энергия и механические характеристики композиций на основе поливинилхлорида и бутадиен-акрилонитрильных эластомеров //Пласт. массы, 2003. №3, с.18-20.

3.  С, , О плотности и переходном слое в композициях на основе поливинилхлорида (ПВХ) с бутадиенакрило-нитрильными эластомерами (СКН). //Физика и химия перспективных материалов. /Сб. научных трудов, Нальчик: КБГУ. 1998, С.63-67.

, , . Межфазные взаимодействия в системах с участием полимеров. /Мет. разработка. Нальчик: КБГУ, 1998, 65с. , О схематической модели морфологии смеси на основе некристаллических полимеров. //Вестник КБГУ, серия Физические науки, Нальчик: КБГУ, 1999, вып. З, С. 28-31.

6.  , , Карамурзов поверхностного натяжения полимеров на основе аддитивности парахора. //Вестник КБГУ, серия Физ. науки, Нальчик: КБГУ, 2000, вып.5, С.49-51.

7.  , , Тхакахов поверхностной энергии и энергии адгезии полимерных композиций. //Вестник КБГУ, сер. Физ. науки, Нальчик: КБГУ, 2001, вып.6, С.26-27.

8.  , , Карамурзов и механические характеристики полимерных композиций на основе СКН и ПВХ. //Материалы менделеевского съезда по общей и прикл. химии. Т.№3, 21-26.09 Казань, 2003г., С.322.

9.  , , Карамурзов натяжения, структура и свойства смесей на основе поливинилхлорида с бутадиен-акрилонитрильными эластомерами. //"Полимеры-2004". 3-я Всероссийская Каргинская конференция. М.: МГУ, 2004. т. 1, С.334.

10. , , Тхакахов некоторых поверхностных характеристик со временем на границах полимер-жидкость и полимер-воздух. //Вестник КБГУ, серия Физ. науки, Нальчик: КБГУ, 2004, вып. 9, С. 20-21.

11. , , Жазаева термической предыстории в формировании прочностных свойств смесей полярных полимеров. //Вестник КБГУ. Серия физ. науки. Нальчик: КБГУ, 2005, вып.10. С. 43.

12. , Тхакахов температуры на межфазное натяжение композиций ПВХ+СКН-26. //Материалы IV Международной научно-практической конференции. Нальчик: КБГУ, 2008, С.243-247.