Влияние атомов Zn/Ni на свойства полипропилена

АННОТАЦИЯ

Одним из простейших способов улучшения свойств полимеров является их улучшение различными модификаторами. В данном исследовании рассматривается модификация полипропилена с использованием ацетатов цинка и никеля. Модификация полипропилена позволяет улучшить физико-механические свойства базового полипропилена. Ацетаты металлов существенно влияли на устойчивость полипропилена к теплу и ударопрочность.

ABSTRACT

One of the simplest ways to improve the properties of polymers is to modify them with various modifiers. This study describes modification of polypropylene with the use of the acetates of zinc and nickel. Modification of polypropylene allows to improve the physical and mechanical properties of the base polypropylene. Metal acetates significantly affected the resistance of polypropylene to heat and impact resistance.

Ключевые слова: полипропилен, ацетат никеля, ацетат цинка, плотность, ПТР, удлинение.

Keywords: polypropylene, Nickel acetate, zinc acetate, density, PTR, elongation.

Модификация ПП путем введения различных добавок позволяет существенно изменить свойства базового полимера, регулировать его технологические и эксплуатационные свойства. В частности, для направленного улучшения физико-химических свойств ПП в настоящее время широко применяются методы модификации, заключающиеся в создании новых композитных материалов.

Подбор модификатора, его содержание в зависимости от природы полимера является одним из наиболее доступных и дешевых способов получения полимерного материала с изменяющимися в широком диапазоне характеристиками и свойствами.

Химическая модификация полипропилена, т.е. направленное изменение его физических, механических или химических свойств, введением в макромолекулу новых функциональных групп, сшиванием или сополимеризацией, представляет большой интерес с научной и практической точек зрения.

Цинк представляет большой интерес для применения во многих областях техники и медицины в качестве многофункционального материала. Учитывая перспективность применения нано- и микрочастиц цинка, значительный интерес представляет разработка эффективных методов и их получения для создания новых материалов с заданными эксплуатационными свойствами.

Для этой цели был синтезирован цинк/никель ацетат с различными соотношениями гидроксида цинка/никеля (0–50 %) / уксусной кислоты (0–50 %).

СН₃СOOH +Zn(OH)₂= Zn(CH₃COO)₂ + 2H₂O{\displaystyle {\mathsf {Ni(OH)_{2}+2CH_{3}COOH\ {\xrightarrow {}}\ Ni(CH_{3}COO)_{2}+2H_{2}O}}}

{\displaystyle {\mathsf {NiCO_{3}+2CH_{3}COOH\ {\xrightarrow {}}\ Ni(CH_{3}COO)_{2}+CO_{2}+H_{2}O}}} 2CH₃COOH + Ni(OH)₂ = Ni(CH₃COO)₂ + H₂O

Нами разработан специальный метод введения синтезированного ацетата цинка в полимерной матрице методом смешения в расплаве. Во время компаундирования за счет высокой температуры ~230 °С и трения между шнеками, по нашему мнению, цинка ацетат деструктируется на СO₂, H₂O и нанокристаллический Zn/Ni. Нанокристаллический Zn/Ni является многофункциональным неорганическим материалом, привлекающим все большее внимание в последние годы в связи с его значительной физической и химической стабильностью, высокой каталитической и антибактериальной активностью. Zn принадлежит к классу широкозонных полупроводников, ширина запрещенной зоны составляет 3,37 эВ, что обеспечивает эффективное поглощение света УФ-диапазона (λ < 370 нм) [1; 4; 2]. Наноразмерное состояние сопровождается изменением ряда имеющихся и появлением принципиально новых функциональных свойств (существенное изменение фотохимических и теплофизических свойств данного материала). Это закономерно обусловливает значительный интерес, проявляемый в последнее время к наноматериалам на основе Zn. Полимерные композиты с Zn являются многообещающими функциональными материалами с обширной сферой возможных применений в качестве эффективных модификаторов для полимеров.

В настоящей работе с помощью метода деструкции ацетата цинка/никеля непосредственно при компаундировании были получены нанокомпозиты ПП + Zn/Ni равномерной степени дисперсности неорганической фазы. Присутствие наночастиц Zn/Ni в полимерной матрице преобразует свойства базового полимера, как показано в таблицах № 1 и 2.

Таблица 1.

Физико-механические свойства полученных композиционных материалов

Таблица 2.

Физико-механические свойства полученных композиционных материалов

В ходе анализа результатов было выявлено, что введение ацетата цинка/никеля в полимер улучшает комплекс физико-механических свойств полиолефинов. Стоит отметить, что присутствие атомарных частиц цинка/никеля способствует к значительному повышению теплостойкости модуля при изгибе базового полипропилена.

Таким образом, улучшение физико-механических свойств и теплостойкости полимерных композитов на основе полипропилена, наполненного частицами цинка/никеля, максимальный эффект достигается при использовании 3 масс. % ацетата Zn/Ni. По всей видимости, полученный результат можно объяснить препятствиями со стороны Zn/Ni, обладающими высокой собственной прочностью и жесткостью.

При добавлении модификатора 3% масс. в ПП плотность компаундов увеличивается незначительно, а показатель текучести расплава увеличивается в среднем на 5–9 %. Это связано с присутствием мономеров ацетатов в межслоевом пространстве макромолекул полипропилена.

Модуль упругости композита увеличивается на 15–22 %. Как видно из полученных результатов, при добавлении частиц металлов различной природы наблюдается монотонное увеличение модуля упругости, что объясняется блокирующими эффектами частиц металлов, что препятствует конформациям макромолекул полипропилена.

Относительное удлинение при разрыве и ударная вязкость по Изоду также улучшаются из-за равномерно рассеянных частиц металла, что позволяет равномерно распределять энергию удара по всей полимерной матрице.

Показаны изменения теплостойкости базового полипропилена от содержания частиц металлов различной природы. При добавлении ацетата металлов увеличивается температура изгиба под нагрузкой при 0,45 МПа на 7–12 °С. Данный показатель может быть результатом того, что частицы металлов служат образователями кристаллизации макромолекулы полипропилена. Отсюда и более высокая теплостойкость модифицированного полипропилена. Следовательно, роль частиц металлов в этом случае сводится к видоизменению надмолекулярной структуры полимерной матрицы.

Выводы

Полученные экспериментальные данные позволяют предположить перспективность данного направления исследований, поскольку разработка новых полимерных компаундов на основе ацетата металлов и полипропилена позволяет расширить область применения базового полипропилена.

Использование неорганических наполнителей позволяет значительно повысить эксплуатационные характеристики полимерных композиционных материалов. Их введение в полимеры приводит к появлению различных взаимодействий на границе раздела «полимер – наполнитель», существенно влияющих на механические, физико-химические, в том числе и термоокислительные свойства композиционного материала. Данное термоаналитическое исследование позволяет установить термоокислительные свойства материала.

Список литературы:

1. Айзинсон И. Химически активные добавки / И. Айзинсон, А. Екимов // Пластике. – 2008. – № 7. – С. 34–39.
2. Дерягин Б.В., Жеребков С.К. Смачивание минеральных наполнителей каучуками общего назначения // Журнал прикладной химии. – № 2. – Т. 1. – С. 122–129.
3. Изучение физико-механическиx свойств высоконаполненных полиэтиленовых композиций / П.Ж. Тожиев, Б.А. Нормуродов, Х.Х. Тураев, Ф.Н. Нуркулов [и др.] // Universum: Химическая технология: электронный научный журнал. – 2018. – № 2 (47). – С. 62–65.
4. Липатов Ю.С. Межфазные явления в полимерах. – Киев, 1986. – 260 с.
5. Тураев Э.Р., Джалилов А.Т. Микро- и нанокомпозиционные материалы на основе полиолефинов : монография // Fan va texnologiyalar Markazining basmaxonasi. – Ташкент, 2017. – С. 1–90.