Реферат: Реологические свойства САН и АБС пластиков

Аномалия вязкости зависит от ММР полимеров. Она проявляется более резко при увеличении их полимолекулярности. Поэтому если сравниваются два полимера, из которых один мономолекулярный, а другой полимолекулярный с тем же значением молекулярной массы, то кривая течения проходит более круче в случае полимолекулярного полимера. Это обусловлено наличием в нём фракций с более высоким средневесовым молекулярным весом, чем у мономолекулярного, и объясняется тем, что для более высокомолекулярных полимеров аномалия вязкости выражена сильнее.

ЛИНЕЙНЫЕ И РАЗВЕТВЛЁННЫЕ СОПОЛИМЕРЫ И БЛОК-СОПОЛИМЕРЫ.

Линейный гомополимер состоит из цепных молекул, построенных из повторяющихся низкомолекулярных звеньев. В соответствии с реакциями, при помощи которых гомополимеры синтезируются, их можно разделить на аддиционные полимеры, полученные путём последовательного присоединения полифункциональных молекул без выделения побочных продуктов реакции, и конденсационные полимеры, полученные при образовании связи между полифункциональными молекулами, сопровождаемом выделением простых низкомолекулярных веществ, например Н2О или НС1. Чередующийся сополимер состоит из цепных молекул, содержащих мономерные звенья двух или более различных типов (обозначенных на схемах различными кружками);

мономерные звенья могут быть расположены:

Молекула привитого сополимера представляет собой основную цепь высокого молекулярного веса, вдоль которой через некоторые интервалы расположены боковые цепи второго полимера:

Основная цепь

????? ???????????? ????? ??????????? ??? ????????? ? ???????? ???????? ?????? ????.

Молекула блок-сополимера содержит относительно длинные участки одного химического состава, разделёнными полимерными участками другого химического состава (а) или низкомолекулярными

"??????????" ???????? (?):

Компонентами блок-сополимера могут быть гомополимеры, сополимеры и их смесь. Стереоблок-сополимер является производным одного мономера, его молекула содержит чередующиеся последовательности звеньев различной пространственной конфигурации.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕРМОПЛАСТЫ.

В ряду крупнотоннажных полимеров в первой тройке по объему производству состоят полиолефины, поливинил хлорид и полистирольные пластики. Это определяется привлекательными для потребителей сочетаниями физико-механических и потребительских свойств и легкости их переработки современными высокопроизводительными способами: литьем под давлением, экструзии и термоформованием. Это обосновано дешевизной сырья и производственной базы.В настоящее время сосуществуют и конкурируют друг с другом три метода получения полистирольных пластиков путем прямого синтеза: процесс полимеризации в массе суспензионный и эмульсионный процессы полимеризации. В целом все полистирольные пластики можно разделить на две большие группы: не ударопрочные и ударопрочные. Все ударопрочные полистирольные пластики в натуральном виде являются прозрачными, но могут применятся в зависимости от окраски и в непрозрачном виде. Полистирол общего назначения достаточного широко используется в изделиях технического и бытового назначения, но существенным ограничением в его использовании является его хрупкость, склонность к трешинообразованию. Проблема эта может быть решена путем его модифицирования. В полистирол можно ввести непосредственно перед его переработкой небольшое количество блоксополимера стирола и бутадиена той или иной марки. При этом сохраняется прозрачность полистирола. Такие блоксополимеры получают методом анионной полимеризации ряд зарубежных фирм. Кроме гомополимеров к этой группе промышленных полистирольных пластиков относятся сополимеры стирола с рядом мономеров. Сополимеры эти имеют самостоятельное значение, но могут во многих случаях использоваться вместо гомополистирола, имея перед ним ряд преимуществ. Стирол легко сополимеризуется с большинством винильных мономеров и прежде всего с такими промышленно важными, как метилметакрилат и акрилонитрил. Благодаря этому получаются более стойкие к растрескиванию, более ударопрочные, более теплостойкие и химически стойкие термопласты, чем гомополистирол, но сохраняющие для него свойства твердости, формоустойчивости, прозрачности и легкости переработки.

Сополимер САН, обладая повышенной стойкостью к бензину и маслам, относительно высокой теплостойкостью, применяется в автомобилестроении и приборостроении, в т.ч. в производстве кухонных приборов. К настоящему времени в России разработана и готовится к внедрению вторая марка этого сополимера с еще более высокой текучестью (ПТР более 3 г/10 мин при 200°С/5 кг). При этом практически решена проблема характерной для этого сополимера желтизны.

Вторая группа полистирольных пластиков - наиболее крупнотоннажная и разнообразная по марочному ассортименту - ударопрочные пластики. Их суть заключается в том, что имеется жесткая полистирольная матрица того или иного свойства, в которой находится дисперсная каучуковая фаза, эффективно связанная с матрицей. Когда матрицей является гомополистирол, получается в итоге ударопрочный полистирол; когда матрица - сополимер стирола и акрилонитрил, получается так называемый АБС-пластик. Ударопрочный полистирол производится в России и во всем мире двумя методами: полимеризацией в массе и блочно-суспензиционным методом. Матрицей некоторых из АБС-пластиков является сополимер стирола и акрилонитрила. Акрилонитрильные звенья придают пластику дополнительную теплостойкость и химическую стойкость, обеспечивает более высокие физико-механические свойства, но делают его более вязким по сравнению с ударопрочным полистиролом. Более высокий уровень физико-механических свойств определяет преимущественное использование этих пластиков в качестве конструкционного материала. АБС-пластик используется, прежде всего, там, где требуется сочетание высокой ударопрочности и формоустойчивости. Это, прежде всего корпусные детали, основание различных приборов и устройств. Одной из главных областей применения является автомобилестроение. АБС-пластик производится у нас тремя методами: полимеризацией в массе, блоко-суспензионным и эмульсионными методами. В данный период ведется работа по организации этого производства в нашей стране. Наличие в составе АБС-пластика полярных нейтральных групп расширяет области изменения этого типа ударопрочного пластика, т.к. позволяет проводить металлизацию изделий, наносить на изделия лакокрасочные покрытия, а также вводить в пластик стекловолокно. Созданы стеклонаполнительные марки на базе матричного сополимера САН и на базе некоторых марок самого АБС-пластика. Также полимеры позволяют получить литьем под давлением детали с повышенной размерной точностью и обеспечивают им повышенные жесткость и теплостойкость. Композиции АБС с поликарбонатом позволяют с большим эффектом сочетать достоинства обоих компонентов, в частности, получать материал менее дорогой и с гораздо более высокими литьевыми свойствами по сравнению с поликарбонатом (ПТР 3-6 г/10 мин при Т=220°С и Р=10 кг) и гораздо более ударопрочный и теплостойкий по сравнению с АБС (ударная вязкость по Изоду 50-70 кДж/м² , температура размягчения по Вика (Р=5 кг) 110 - 125°С).

КАПИЛЯРНАЯ ВИСКОЗИМЕТРИЯ

Для построения кривых течения образцов при высоких скоростях сдвига используют капиллярный вискозиметр МВ-ЗМ (рис.4). Прибор предназначен для определения вязкостных свойств полимеров в размягчённом и расплавленном состоянии, и в частности, для определения индекса расплава. Принцип основан на измерении объёма расходуемого материала (а) при прохождении через стальной капилляр 1 под действием постоянного напряжения (2) приложенного к исследуемому образцу 3 через рычаг 4 и шток 5. Расход материала определяется по степени погружения штока в камеру 6. Он регистрируется с помощью датчика перемещения 7 и индикатора перемещения 8, сигнал с которого идёт на цифропечатающее устройство и выводится в виде значений времени, за которое шток проходит определённое фиксированное расстояние. Камера помещается в обогревательную печь 9, которая снабжена терморегулятором позволяющим поддерживать постоянную температуру (от комнатной до 350 °С). Использование различных величин нагрузки, изменение плеча рычага и размеров капилляра позволяют проводить измерения в широком диапазоне напряжения сдвига: от 10³ до 10⁶ Па. Необходимое для исследования количество вещества ~2 грамм. Для построения кривой течения определяли логарифмы напряжения и скорости сдвига на стенке капилляра. Напряжение сдвига на стенке капилляра (τ) равно:

τ=ΔР_r /2(L+nR) [дин/см² ],

где L и R длина и радиус капилляра соответственно, n - поправка, учитывающая потери давления на входе в капилляр, ΔР_r перепад давления между концами капилляра

ΔР_r =981*4*Р/πD² ,

где Р - сумма весов грузов, поршня и усилия пружины индикатора, D - диаметр поршня. Тогда

τ=981 *4*P/2πD² (L+nR)=K₁ *P

или lgτ=lgK₁ +lgP.

Для определения скорости сдвига на стенке капилляра (γ') сначала рассчитывают её среднее значение (γ'₁ ):

γ'₁ =Q/πR³ ,

где Q - расход материала.

Q=(S/t)*(πD² /4),

S - величина перемещения поршня за время t. Отсюда:

γ'₁ =S*π*D² /4*πR³ t=K₂ *(S/t)

или lgγ'₁ =lgK₂ +lg(S/t).

Значения констант К₁ и К₂ постоянны для каждого капилляра. По найденным значениям lgγ', и lgτ строится вспомогательная осреднённая кривая течения lgγ'₁ =f(lgτ). Для построения истиной кривой течения, связывающей напряжение сдвига на стенке капилляра со скоростью деформации на стенке производится графическое перестроение данной кривой по уравнению:

lgγ'=lgγ'₁ +lg(3+n),

где n=d(lgγ'₁ )/d(lgτ); т.е. тангенс угла наклона касательной в каждой данной точке кривой lgγ'₁ ==f(lgτ). Расчёт значения вязкости (η)производится по формуле:

η=τ/γ'.

Рис. 6. Принципиальная схема микровискозиметра МВ-3М

1-капилляр; 2-груз; 3-исследуемый образец; 4-рычаг; 5-шток; 6-камера (бомба); 7-датчик перемещения; 8-индикатор перемещения; 9-печь с электрообогревом; 10-теплоизулирующая шляпка; 11-съёмная крышка; 12-штатив; 13-опорная плита.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И КОММЕНТАРИИ К НИМ.

Эксперименты с образцами сополимеров стирола и акрилонитрила проводились при четырёх температурах и при значениях логарифма напряжений сдвига lgτ от 3 до 5.5 [Па]. На рис.5 представлены результаты экспериментов для типичного представителя образцов линейных САН (SAN 32) - качественно кривые выглядят одинаково.

Рис. 7. Экспериментальные данные типичного представителя линейных САН (SAN 32)

Из рис.7 видно, что кривые имеют сходный характер, имея прямопропорциональную и, больше того, практически линейную зависимость скорости сдвига от деформации. Также можно выделить общую закономерность для всех образцов: при повышении температуры проведения эксперимента - при тех же значениях напряжений скорости деформаций увеличиваются (то есть кривые параллельно поднимаются относительно оси ординат). Что является вполне закономерным явлением, учитывая, что подвижность сегментов макромолекул увеличивается, при увеличении температуры, и полимер легче деформируется (в данном случае начинает течь).

Теперь рассмотрим экспериментальные зависимости lgγ от lgτ, полученные для разветвлённых САНов на примере DBC 698 (см. рис.8).

Рис. 8. Экспериментальные данные типичного представителя разветвлённых САН (DBC 698)

Общий вид кривых для разветвлённых образцов, в принципе, носит аналогичный характер как и у кривых для линейных САН. Можно отметить, что при тех же значениях напряжений, у разветвлённых образцов скорости деформаций имеют более низкие значения, нежели у линейных. Это опять же можно объяснить с точки зрения конформации полимеров, проще говоря, разветвлённые образцы имеют меньшее число степеней свободы движения сегментов их макромолекул, отсюда и вытекает, что нужно приложить большее напряжение, чтобы полимер стал испытывать необратимые деформации (течь).

Теперь перейдём непосредственно к кривым течения (lgη=f(lgγ)) и рассчитанным значениям вязкостей (для определённости вычисленным по приведённым выше формулам для lgγ=1.0 [с^-1 ]). Итак, на рис.9 приведена сравнительная диаграмма вязкостей линейных образцов САН при 240°С, а на рис.10 зависимость lgη от lgγ также при 240°С.

Рис. 9. Вязкость линейных САН при 240°С при скорости сдвига lgγ=1.0 [с^-1 ]

Рис.10. Зависимость вязкости от скорости сдвига при 240°С для линейных САН.

Как видно на рис.8 все образцы показывают неньютоновское течение и их вязкости уменьшаются при увеличении скорости сдвига. В то же время в области низких скоростей вязкость полимеров различается довольно существенным образом, но при повышении скорости сдвига приближаются к какому-то одному, общему для всех, значению. Из рис.10 также видно, что максимальный разброс значений вязкостей линейных САН составляет не более 0,8 (в логарифмических координатах).

Анализ полученных данных позволяет утверждать, что переход от неньютоновского течения к ньютоновскому происходит в узком интервале напряжений (lgτ= 3.5-3.7 [Па]) независимо от образца полимера и температуры проведения эксперимента (см. рис.11).

Рис. 11. Зависимость вязкости от напряжения сдвига при 240°С для линейных САН.

Таблица 2 позволяет оценить аномалию вязкости для различных линейных САН (этой цели служит отношение вязкости образцов при скорости сдвига 1,0 с^-1 к вязкости при скорости сдвига равной 10,0 с^-1 ).

Как видно из таблицы 2 - увеличение отношения вязкостей при различных скоростях отражает увеличение аномалии вязкости. Оно показывает, что все линейные САН имеют немного близкие значения, которые отличаются не более, чем на 35-40% (т.е. они являются величинами одного порядка. В то же время рост температуры от 220 до 280°С приводит к уменьшению отношения вязкостей Р на 50-60% (можно предположить, что при увеличении температуры Р стремится к какому-то постоянному значению). Эксперименты при четырёх температурах (220,240,260,280) обнаружили линейную зависимость вязкости (в логарифмических координатах) от обратной температуры.

Рис.12 Зависимость энергии активации от содержания акрилонитрильных групп в

образцах САН.