научная статья по теме РЕЛАКСАЦИОННАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ СТРУКТУРЫ ЛАТЕКСНЫХ ПОЛИМЕРОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ВОДОРАСТВОРИМЫМ ФТАЛОЦИАНИНОМ Физика

Текст научной статьи на тему «РЕЛАКСАЦИОННАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ СТРУКТУРЫ ЛАТЕКСНЫХ ПОЛИМЕРОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ВОДОРАСТВОРИМЫМ ФТАЛОЦИАНИНОМ»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. Серия А, 2014, том 56, № 5, с. 501-508

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА

УДК 541(64+24):539.199

РЕЛАКСАЦИОННАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ СТРУКТУРЫ ЛАТЕКСНЫХ ПОЛИМЕРОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ВОДОРАСТВОРИМЫМ ФТАЛОЦИАНИНОМ © 2014 г. Т. Р. Асламазова, В. А. Ломовской, А. Ю. Цивадзе

Институт физической химии и электрохимии и имени А.Н. Фрумкина Российской академии наук

119071 Москва, Ленинский пр., 31 Поступила в редакцию 17.04.2013 г. Принята в печать 13.02.2014 г.

Показана возможность качественного анализа изменения релаксационной микронеоднородности латексных полимеров при вариации их метода получения и модификации ионным фталоцианином. Продемонстрирована вероятность оценки ширины непрерывных спектров времен релаксации путем сопоставления температурных зависимостей приведенных спектров внутреннего трения с температурной зависимостью изменения дискретного времени релаксации а-процесса. Рассмотрена корреляция между температурно-частотными изменениями модуля сдвига систем в режиме свободных колебаний систем и степенью их релаксационной микронеоднородности.

DOI: 10.7868/S2308112014050010

Пленкообразующие водные полимерные дисперсии (латексы) широко используют для изготовления пленок и покрытий различного назначения [1, 2]. При этом в большинстве случаев для придания полимерам тех или иных качеств требуется введение в них специальных модификаторов, не вызывающих потери устойчивости латек-сов и обладающих необходимыми свойствами при создании нового композиционного материала [3, 4].

Ранее в работах [5—7] была показана возможность модификации полимерных пленок на основе карбоксилсодержащих стирол-алкилмета-крилатных латексов водорастворимым 2,3,9,10,16,17,23,24-окта-[(3,5-бис-карбокси)фе-нокси]фталоцианином (ВДФ). Полная совместимость полимера и ВДФ, а также устойчивость латекса к ВДФ делают возможным создание нового композиционного материала с комплексом практически важных свойств, в частности фотохимических [7—10].

Ожидалось, что при приготовлении композиции физико-химические свойства полимера могут изменяться вследствие введения ионного модификатора, способного к взаимодействию с карбоксильными группами полимера [5—7]. Для выяснения этого вопроса привлекли метод динамической механической релаксационной спектроскопии, в основе которого лежит анализ реакции отдельных структурно-кинетических эле-

E-mail: sovet1@phyche.ac.ru (Асламазова Татьяна Рафаэльевна).

ментов полимерных систем на внешнее воздействие, выводящее их или всю систему из состояния механического и термодинамического равновесия [11].

При изучении релаксационных явлений в полимерах различной структуры, получаемых методом эмульсионной полимеризации, было установлено существенное влияние ионного фтало-цианина на физико-химические характеристики полимера в области температуры стеклования [12, 13].

В случае полимера, синтезируемого затравочной эмульсионной полимеризацией, этот эффект проявляется в изменении релаксационного спектра, в котором исчезает наблюдаемый в немоди-фицированном сополимере пик потерь, соответствующий полимеру в "ядре" частицы [13]. Согласно представлениям, развитым в работах [14— 19], мы также связали изменение релаксационного спектра с нарушением межмолекулярных взаимодействий в модифицированном полимере в результате контактирования карбоксилсодержаще-го полимера "ядра" и ионного фталоцианина, с одной стороны, и снижения плотности полимерной упаковки в "оболочке" латексных частиц в присутствии модификатора, с другой [13]. Также обнаружено, что при значениях температуры выше температуры стеклования для "размораживания" подвижности полимерных сегментов, экранированных громоздкими фталоцианиновыми молекулами, требуется более высокая температура [13].

В отличие от микрогетерогенного полимера, в случае статистического полимера наблюдается

снижение интенсивности нерасщепленного пика диссипативных потерь при введении ионного фталоцианина, что также связывается с нарушением межмолекулярных взаимодействий в модифицированном полимере. Кроме того, при значениях температуры выше температуры стеклования отсутствуют какие-либо диссипативные процессы как в немодифицированном, так и модифицированном полимере [13].

Приведенные выше результаты указывают на существенное различие во влиянии ионного фта-лоцианина на релаксационную структуру полимеров, получаемых различными методами эмульсионной полимеризации.

Цель настоящего исследования — выяснить релаксационную микронеоднородность полимерной структуры, возникающую при модификации ла-тексного полимера водорастворимым фталоциани-ном. Для этого проанализировано изменение релаксационного поведения карбоксилсодержащих стиролалкилметакрилатных сополимеров при введении ионного ВДФ; анализ проведен с учетом реакции отдельных структурно-кинетических элементов материала на внешнее воздействие [11, 20-22].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве модификатора полимерной матрицы использовали водорастворимый 2,3,9,10,16,17,23,24- окта-(3,5- бис-карбок-си)фенокси-фталоцианин [5-7, 22]. Водорас-творимость фталоцианина достигается включением в его структуру концевых ионных групп СООШ.

Исследовали два стиролалкилметакрилатных латекса, способных образовывать пленки при комнатной температуре: безэмульгаторный микрогетерогенный латекс стирол-метилметакри-лат-бутилакрилат-акриловая кислота (стирол— ММА—БА—АК) и эмульсионный латекс стирол-бутилакрилат-метакриловая кислота (стирол— БА-МАК).

Микрогетерогенный латекс стирол-ММА-БА-АК синтезировали по методике безэмульга-торной затравочной сополимеризации с образованием частиц типа "ядро-оболочка", детально описанной в работе [13]. Температуру стеклования сополимера Тст рассчитывали с учетом соотношения сомономеров стирол : ММА : БА : АК = = 40 : 59 : 1. Она оказалась равной ~18°С. "Оболочка" латексных частиц составляет с учетом соотношения сомономеров на первой и второй стадии процесса ~36% от общей массы частицы. Карбоксилсодержащий сомономер (акриловая кислота) вводили в реакционную систему на первой стадии процесса, в результате чего формиро-

вались частицы с локализацией карбоксильных групп в их "ядре".

Второй латекс синтезировали по традиционной методике эмульсионной полимеризации с использованием смеси анионных и неионоген-ных эмульгаторов при одновременном введении всех сомономеров при соотношении стирол : БА : : МАК = 39 : 60 : 1. В данном случае карбоксильные группы распределены по всему объему латексных частиц.

Пленки на основе не модифицированных и модифицированных сополимеров готовили поливом латексов на тефлоновую подложку с последующим высушиванием сначала на воздухе, а затем, в вакуумном шкафу до постоянной массы.

Для выяснения релаксационных диссипативных процессов в полимерах исследовали спектры внутреннего трения X = /(7) в интервале температур от —150 до 250°С в режиме свободных затухающих крутильных колебаний при частоте V ~ 1 Гц на горизонтальном крутильном маятнике [11, 20, 21].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Релаксационную микронеоднородность дис-сипативного процесса, наблюдаемого по спектру внутреннего трения, определяют путем сопоставления нормированных интенсивностей диссипа-тивных потерь X и температурного изменения в нормированном интервале температур дискретного времени релаксации [23, 24]. Этому соответствует соотношение Х/Хтах = / [(Т-Ттах)/Ттах], где Хтах и Ттах - интенсивность и температура максимума диссипативных потерь.

При таком анализе качественно сопоставляются непрерывные спектры времен релаксации без применения какой-либо функции релаксации. Для этого необходимо знать энергию активации процесса Ла , дискретное время релаксации в максимуме интенсивности диссипативных потерь в спектре внутреннего трения и предэкспо-ненциальный коэффициент в уравнении Аррени-уса, описывающем температурную зависимость дискретного времени релаксации = / (7).

Из данных работы [13] следует, что энергия активации иа = 14 ккал/моль, а предэкспоненци-альный коэффициент в уравнении, описывающем температурную зависимость дискретного времени релаксации исследуемых полимеров, примерно равен 5 х 10-12 с. Указанные величины были использованы при анализе полученных нами спектров.

Принимая во внимание результаты работ [12, 13], целесообразно привлечь к анализу релаксационной микронеоднородности полимерной структуры температурную зависимость дискретного времени релаксации = /(7) в рамках феноменологической модели стандартного линейного

тела (модель Зинера) [25] и соотношения Деборы [26].

Параметр Деборы D представляет собой соотношение периода колебаний г и дискретного времени релаксации т, в максимуме пика диссипа-тивных потерь на спектре внутреннего трения X =/(!) [26]:

D = т/г = т,ю, = 1, (1)

где г = 1/у, т, — дискретное время релаксации , -го диссипативного процесса; ю, = 2пv¡ — круговая частота колебательного процесса; V, — линейные частоты.

Соотношение (1) требует некоторого пояснения. Оно следует из двух равенств:

Б = Т, г

(2)

Б = ю;х;- = 1. (3)

Соотношение (2) используется в случае статических режимов внешнего воздействия, деформирующего исследуемую систему. Время наблюдения г в данном случае может меняться в интервале 0 < г < да. В зависимости от термодинамического состояния системы время релаксации т, (т.е. время возвращения системы из неравновесного в равновесное состояние) может также находиться в интервале 0 <т1 < да. В этом случае событие может прослеживаться тогда, когда время наблюдения г соответствует времени релаксации т,, т.е. при выполнении соотношения (2).

Для периодических внешних воздействий, выводящих исследуемую систему из состояния механического и термодинамического равновесия, соотношение (2) может быть представлено в виде

Б = Т1 = X, 01 2п

(4)

внутреннего трения. При этом при низких частотах имеет место смещение в область более низких значений температуры или больших времен релаксации т,. При повышении частоты происходит смещение в область более высоких показателей температуры и малых времен релаксации.

Для описания зависимости температурного положения максимума X тах диссипативных потерь внутреннего трения и со

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.

Показать целиком