XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

АННОТАЦИЯ

В работе рассматривается влияние базальтового волокна на пенополиэтилен. Были получены и расшифрованы ИК-спектры образцов. Установлено, что в процессе получение пенопласта происходит взаимодействие функциональных групп наполнителя и полимера с образованием связей SI-O-C.

Целью работы является установить наличие химических связей между полимером и наполнителем c помощью ИК-спектроскопии.

Реактивы и препараты, используемые в работе:

- полиэтилен высокого давления;

- сшивающие агенты: новоперокс-БП40 (люперокс);

- газообразователь: порофор (ЧХЗ-21);

- активаторы разложения: стеарат цинка, оксид цинка;

- волокнистые наполнители: базальтовое волокно, стекловолокно.

На кафедре химических технологий проводятся работы по модификации пенополиэтилена с целью повышения его эксплуатационных характеристик. Одним из способов модификации является введение в композицию различных наполнителей. Предварительно проведенные эксперименты показали, что лучшими результатами обладает пенополиэтилен с базальтовым волокном в качестве наполнителя. В качестве наполнителей использовалось базальтовое волокно с размером волокон 300 мкм, 200 мкм, 100 мкм и 63 мкм и стекловолокно с размером волокон 80 мкм.

Установлено, что пенополиэтилен, содержащий в качестве наполнителя базальтовое волокно, имеет лучшие свойства. Оптимальным является базальтовое волокно с размером волокон 100 мкм, при добавлению такого наполнителя наблюдается наибольшее улучшение прочностных свойств. Волокна размером 100 мкм определяют повышенные прочностные характеристики композиции.

Далее проводили исследования образцов ИК-спектроскопией. На спектре видно, что появляется полоса поглощения при 1071,8 см-1, подтверждающая образование связи C-O-Si. Образование новых связей приводит к формированию монолитной структуры материала и повышению его прочностных характеристик

Р ис. 1. Результаты ИК-спектроскопии:[1]

1 – базальтовая вата; 2 – полиамид-6;

3- композиционный материал на их основе

В работе для изучения взаимодействия базальта со вспененным полиэтиленом был также применен метод ИКС. Расшифровка проводилась методом характеристических частот с помощью специальной таблицы [2].

В качестве образцов были взяты базальтовое волокно, вспененный пенополиэтилен без наполнителя, композицию на основе вспененного пенополиэтилена и базальтового волокна (БВ 100мкм и в количестве 8%) и композицию на основе пенополиэтилена (ППЭ) и стекловолокна.

На рис. 2. представлен ИК-спектр исследуемых образцов в диапазоне 4000-800 см^-1 , а на рис. 3 показаны те же спектры, но диапазоне 1400-800 см^-1 , которые, как показывают литературные данные, представляют наибольший интерес.

Результаты на ИКС–спектрах (рис.2) наблюдаются в области 1400–800 см^-1. Максимумы 1019 см^-1 отражают валентные колебания углеродного скелета С-С во всех ППЭ. Максимум при 1162 см^-1 в образце ППЭ с базальтом отражают валентные колебания С-ОН. Смещенный в область коротких волн острый максимум при 1094.4 см^-1 подтверждает существование предполагаемого соединения Si-O-C. Также максимум в области 874 см^-1 подтверждает наличие окисленности в ППЭ в виде перекиси –С-О-О-С-.

Интенсивность максимумов при 1162 см^-1 ППЭ, наполненного базальтом, повысилась, по сравнению с ненаполненным аналогом, что свидетельствует об усилении связей ОН – групп с гидратированной поверхностью базальта.

 

1

cC

4

cC

3

cC

2

cC

Рис. 2 Результаты ИК-спектроскопии:

1 – базальт; 2 – пенополиэтилен; 3 – пенополиэтилен с

базальтовым волокном; 4- пенополиэтилен со стекловолокном

 

3

cC

4

cC

-Si-O-

cC

Рис. 3. Результаты ИК-спектроскопии:

1 – базальт; 2 – пенополиэтилен; 3 – пенополиэтилен с

базальтовым волокном; 4- пенополиэтилен со стекловолокном

2

cC

1

cC

-C-ОН

cC

1087.7

cC

-Si-CH₃

cC

-C-О-О-С-

cC

Углер. скелет

cC

-Si-O-C-

cC

Образование органо-силикатных комплексов на поверхности наполнителя может происходить следующим образом:

Сшивка пенополиэтилена происходит по радикальному механизму:[3]

Можно предположить, что в решетке базальтового наполнителя могут быть дефекты, тогда:

Изучение процесса окисления в работе [4] по низкомолекулярным алкенам и алканам различного строения, а также полиолефинов, показывает, что окисление представляет собой радикально-цепной процесс. На начальной стадии этого процесса образуются гидропероксиды, которые затем распадаются на радикалы, вновь присоединяющие кислород.

Конечными продуктами окисления являются, главным образом, карбонильные со­единения. Таким образом, инициирование полимеризации, для которого, как известно, применяются молекулярный кислород и органические пероксида - это окисление в условиях высокой концентрации мономера и оно служит источником появления в полимере атомов кислорода в виде фрагментов различного строения. Подтверждает это значение расхода инициаторов при полимеризации, которое имеет один порядок с содержанием кислорода в полимере [5] .

Так же известно [6], что окисление полиэтилена происходит через пероксидный мостик, и возможно образование:

В работах по исследованию полиэтилена методом ИК-спектроскопии указывают на наличие в нем незначительного количества кислородсодержащих групп: 10^-1 — 10^{~ 2} групп на 1000 атомов углерода. Это карбонильные группы различного типа (кислотные, альдегидные, кетонные, а также гидроксильные и эфирные группы, причем карбонильные группы преобладают.

Другой источник карбонильных групп в полиэтилене — содержащийся в реакционной смеси в виде малой примеси оксид углерода, который сополимеризуется с этиленом. Кроме того, дополнительным источником кислорода в полиэтилене являются синтетические компрессорные смазки, содержащие кисло­род в виде эфирных и гидроксильных групп и попадающие в этилен (а затем и в полимер) из этиленовых компрессоров [7]. Поэтому вполне вероятно:

На поверхности базальта преобладают Si-OH и поверхностные гидроксилы базальтовых волокон [O₃Si-OH]^3- , которые образуют водородные связи с гидроксильными группами в полиэтилене, но их количество очень мало. В свою очередь в полиэтилене группами, пригодными для водородных связей могут быть водороды при третичных атомах углерода и кислородсодержащие группы, но с помощью наших ИК-спектров подтвердить это нельзя из-за сложности композиции, ее многокомпонентности, которая вызывает шумы, не позволяющие с уверенностью говорить о наличии водородных связей.

Таким образом на формирование структуры композиционного материала влияние оказывают два фактора:

1 – образование на поверхности частиц базальтового наполнителя органо-силикатных комплексов и связей;

2 - микроармирование частицами базальта, причем при уменьшение размеров частиц удельная поверхность наполнителя возрастает, что способствует формированию упорядоченной, послойной структуры. Чем больше площадь поверхности контакта, тем больше площадь образовавшихся упорядоченных переходных слоев и выше прочность.

Было установлено наличие химических связей между полимером и наполнителем c помощью ИК-спектроскопии.

Список использованной литературы

1. Степанова Е.В. Структура и свойства базальтопластиков, армированные базальтовыми нитями разных производителей, и модификация их физическими и химическими методами. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Саратов, 2006 г., 20 с.

2. А. Дункан, В. Горди, Норман Джонс, Ф. Матсен, К. Сандорфи, В. Вест Применение спектроскопии в химии. –М.: ИЛ, 1959, - 659 с.

3. Берлин А.А., Шутов Ф.А. Химия и технология газонаполненных выскополимеров. - М.: Наука, 1980. - 547 с.

4. Полиэтилен высокого давления. Научно-технические основы промышленного синтеза.\ А.В. Поляков, Ф.И. Дунтов, А.Э. Софиев и др. –Л.: Химия, 1988 г, - 200 с.

5. Блинов Г.В., Куприянов Н.К., \\ Пласт. Массы. 1976 г., №1, с. 65

6. Тюкавкина Н.А. Органическая химия. Книга 1. Основной курс. 2-е изд., стереотипное. - М.: Дрофа, 2003. - 640 с.

7. Полиэтилен высокого давления. Научно-технические основы промышленного синтеза.\ А.В. Поляков, Ф.И. Дунтов, А.Э. Софиев и др. –Л.: Химия, 1988 г, - 200 с.

Код для цитирования: Скопировать