УДК 541.64:678.84
МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОЛИПРОПИЛЕНОВЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНОМ
© 2013 г. Н. П. Пророкова*, С. Ю. Вавилова*, В. М. Бузник**, А. Е. Завадский***
* Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук 153045 Иваново, ул. Академическая, д. 1 ** Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук
119991 Москва, Ленинский пр., 49 *** Ивановский государственный химико-технологический университет 153000 Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7
Методами рентгенографического анализа, оптической микроскопии, дифференциальной сканирующей калориметрии изучено влияние низко- и высокодисперсной фракций ультрадисперсного политетрафторэтилена на строение сформованных из расплава полипропиленовых волокнистых материалов, разрывные полуцикловые характеристики полипропиленовой нити и нетканых материалов. Введение в полипропилен 1—2% ультрадисперсного политетрафторэтилена, который присутствует в полипропилене в виде отдельной фазы, способствует значительному возрастанию относительной разрывной нагрузки нити и модуля ее упругости.
DOI: 10.7868/S0507547513110044
ВВЕДЕНИЕ
Одним из перспективных способов модифицирования полимерных материалов является введение в полимерную матрицу наполнителя [1]. Известно большое количество исследований, посвященных созданию наполненных полимерных материалов с улучшенными и специальными потребительскими свойствами [2—5]. В последние десятилетия много внимания уделяется получению композиционных полимерных материалов на основе использования наноразмерных наполнителей. Что касается применения наполнителей, в том числе наноразмерных, при получении текстильных нитей из термопластичных полимеров, то этот вопрос мало изучен.
Текстильная химическая нить представляет собой продукт неограниченной длины и малого поперечного сечения [6], она образуется элементарными нитями, каждая из которых производится продавливанием расплава полимера через фильеру [7]. Нить обладает чрезвычайно высокой анизотропией, характеризуется высокой степенью ориентации и плотностью упаковки субмолекулярных образований — фибрилл. В связи со спецификой формования нити и чувствительностью ее структуры применение функциональных наполнителей при получении химических текстильных нитей связано с большими трудностями и может вызвать ухудшение их физико-механиче-
Е-шаП: npp@isc-ras.ru (Пророкова Наталия Петровна).
ских характеристик. Например, использование сажи на стадии формования полипропиленовой нити для окрашивания в черный цвет часто приводит к возрастанию обрыва нити и понижению ее прочности. В то же время при получении изделий из пластмассы на основе полипропилена сажу, обладающую зародышеобразующей активностью, широко используют в качестве наполнителя, положительно влияющего на их механические свойства [8, 9]. Таким образом, для химических текстильных нитей выбор наполнителей необходимо проводить на основании специальных исследований их влияния на структуру и свойства нитей.
Известно, что политетрафторэтилен (ПТФЭ), находящийся в тонкодисперсном состоянии, используют в качестве наполнителя для модифицирования поверхностных свойств полимерных изделий, получаемых литьевым и экструзионным методами [10, 11]. Поскольку эксплуатационные характеристики текстильных нитей во многом определяются их поверхностными свойствами, представляется перспективным применение ПТ-ФЭ также для наполнения химических, в том числе полипропиленовых, нитей в процессе их формования из расплава. Однако у стандартного тонкодисперсного порошка высокомолекулярного ПТФЭ, полученного эмульсионной полимеризацией [11], практически отсутствует адгезия к полимерной матрице. Поэтому внедрение в структуру нити наполнителя может привести к ослаблению меж-
молекулярного взаимодействия между макромолекулами волокнообразующего полимера, тем самым снизив один из основных показателей нити — относительную разрывную нагрузку. По мнению авторов данной работы, целесообразнее в качестве наполнителя, обеспечивающего модифицирование поверхностных свойств полипропиленовой нити, использовать ультрадисперсный порошок ПТФЭ, который является продуктом термогазодинамической деструкции отходов промышленного фторопласта и состоит из смеси низко- и высокомолекулярных перфторирован-ных линейных цепей (—F2—)и [11]. В низкомолекулярной фракции длина цепей может достигать десятков звеньев [11]. Ультрадисперсный ПТФЭ обладает рядом специфических свойств, связанных с особенностями его получения, структуры и содержанием в его составе низкомолекулярной фракции [12]. Наличие этих свойств позволило предположить, что в отличие от ПТФЭ, полученного эмульсионной полимеризацией, ультрадисперсный ПТФЭ может не только выполнять функции модификатора поверхности, но и взаимодействовать с полимерной матрицей, положительно влияя на свойства полипропиленовой текстильной нити.
Проведенные авторами работы исследования влияния на структуру и свойства поверхности полипропиленовой нити ультрадисперсного ПТФЭ, введенного в нить на стадии формования, показали, что ультрадисперсный ПТФЭ можно назвать эффективным модификатором поверхности волокнистого материала [13]. Небольшое количество ПТФЭ локализуется в тонком поверхностном слое нити в виде отдельных частиц, в результате чего увеличивается шероховатость полимерного материала, на поверхности нити в местах нахождения частиц ПТФЭ образуются на-норазмерные впадины. Изменение химического состава и морфологии поверхности нитей приводит к некоторому возрастанию их коэффициентов тангенциального сопротивления, свидетельствующему о понижении проскальзывания нитей относительно друг друга, улучшению способности к текстильной переработке и повышению прочности текстильных изделий. Следствием изменения состава и структуры поверхности полипропиленовых материалов является также увеличение гидрофобности пленки и нетканого иглопробивного полотна геотекстильного назначения, что позволит значительно повысить эффективность применения последнего в качестве гидроизоляционного строительного материала.
Цель настоящей работы — изучить влияние ультрадисперсного ПТФЭ на структуру и связанные с ней физико-механические свойства композиционных текстильных нитей на основе полипропилена.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Модифицирование полипропиленовых нитей проводили на установке, имитирующей производственный процесс получения полипропиленовых нитей из расплава. Она состоит из двух лабораторных стендов: для формования (СФПВ-1) и ориентационного вытягивания (ОСВ-1) синтетических волокон. Схемы, подробное описание стендов и обоснование выбора технологических условий процессов формования и вытягивания полипропиленовой нити представлены в работе [14]. Формовочный стенд СФПВ-1 оснащен автоматизированным пультом управления процессом формования, экструдером, в котором происходит плавление полимера, фильерой с 24 отверстиями (диаметр 0.4 мм) для образования из расплава струй, формовочными дисками, а также приемным устройством для намотки готовых нитей на бобину. В процессе эксперимента температура зон экструдера составляла: зона преднагрева Т1 = 200°C, зона плавления Т2 = 225°C, зона стабилизации расплава Т3 = 236°C, зона нагрева формовочной головки Т4 = 236°C. Работу осуществляли при скорости подачи расплава 20 г/мин. Скорость формовочных дисков составляла 100 м/мин.
После формования нити подвергали ориента-ционному вытягиванию (кратность вытягивания 5) и термостабилизации с использованием стенда ОСВ-1. Процесс осуществляли при следующих значениях температуры в зонах вытягивания: Т1 = = 118°C (верхний обогреваемый диск), Т2 = = 120°C (нижний обогреваемый диск), Т3 = 123°C (утюг), при заправочной скорости.
Были получены комплексные текстильные нити диаметром 30—40 мкм, состоящие из двадцати четырех элементарных нитей плотностью 0.91 г/см3.
В работе использовали изотактический полипропилен марки "Бален" 01250 с индексом расплава 25 г/10 мин и ультрадисперсный ПТФЭ торговой марки "Флуралит", производимый малым инновационным предприятием "Флуралит синтез" (Россия) [15]. Препарат содержит не только наноразмерные частицы, но и более крупные частицы размером 0.2—3.0 мкм [16]. Ультрадисперсный ПТФЭ вводили в полипропиленовую нить в количестве 1—3 мас. %. Чтобы избежать потерь ультрадисперсного ПТФЭ, перед его введением в экструдер на гранулы полипропилена наносили 1 мас. % полиэтилсилоксана или по-лиэтиленгликоля, которые способствовали равномерному распределению порошкообразного ПТФЭ по поверхности гранул. Полиэтилсилок-сан и полиэтиленгликоль испарялись в процессе формования и на свойства модифицированных нитей влияния не оказывали.
Диаметр элементарных нитей контролировали с помощью прибора "Ланатестер-2". Минимальное количество измерений составляло 50.
Для оценки свойств модифицированных ПТФЭ полипропиленовых волокнистых материалов, подвергнутых минимальному вытягиванию в процессе получения, исследовали нетканые полипропиленовые полотна, волокна в которых расположены хаотично. Иглопробивное и тер-москрепленное нетканые полипропиленовые полотна изготавливали на производственном оборудовании из волокон линейной плотности 0.67 текс (диаметр ~30 мкм): геотекстиль "ГронТ" марки 350/4 поверхностной плотности 350 г/м2 — в условиях Общества с ограниченной ответственностью "Технолайн" (Россия), спанбонд марки СС 60 поверхностной плотности 60 г/м2 — в условиях Открытого акционерного общества "Поли-матиз" (Татарстан).
Для исследования структуры волокон применяли метод рентгенографического анализа. Рентгеновские дифрактограммы снимали на дифрак-тометре ДРОН-3 с использованием излучения CuZ"a, выделенного Ni-фильтром. Съемку осуществляли в диапазоне углов дифракции 29 = = 10°—30° по схеме "на прохождение" при одновременном повороте образца и детектора (схема 9—29). Для определения интенсивности в характерных точках и интегральной величины рассеяния в заданных угловых диапазонах использовали электронно-вычислительное устройство дифрак-тометра.
С целью детальной оценки анизотропии полимерного материала анализировали дифракцию рентгеновс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.