Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИТ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА

Беева Д.А. 1 Микитаев А.К. 1 Барокова Е.Б. 1 Беев А.А. 2 Борисов В.А. 1 Якокутова А.А. 1
1 Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова
2 Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет им. В.М. Кокова
Исследована возможность снижения температуры переработки полиэтилентерефталата путем создания композиционного материала, содержащего полимерные добавки. Переработка полиэтилентерефталата методом экструзии осуществляется при 280–300 °С, что является температурной границей, близкой к температуре разложения полиэтилентерефталата (290–350 °С), что может приводить к частичной деструкции полимера. В качестве полимерной добавки использован полигидроксиэфир бисфенола А с молекулярной массой 25–35 тысяч, выбор которого обусловлен его термопластичностью, невысокой температурой плавления – 115 °С, высокой температурой разложения – начало деструкции 330–340 °С, доступностью. Полимерную добавку вводили в полимерную матрицу путем экструдирования. Показатель текучести расплава исследовали на пластометре ИИРТ-АМ. По величине показателя текучести расплава полученных композитов выявлено, что при добавке 3–10 % полигидроксиэфира температура переработки снижается на 25–30 °С и на 20–40 % показатель текучести расплава. Термостойкость повышается на 15–20 °С. Исследование твердости полученных композитов показали повышение на 20–22 % при введении 3–5 % полигидроксиэфира. Результаты исследования химической стойкости композитов позволяют отнести их к классу «стойкие».
полиэтилентерефталат
композиционный материал
полигидроксиэфир
температура переработки
1. Баскакова Т.И., Волкова Л.Е., Глазковский Ю.В. Аналитический контроль в производстве синтетических волокон: справочное пособие; под ред. А.С. Чеголи, Н.М. Кваша. – М.: Химия, 1982. – 254 с.
2. Беева Д.А., Бейдер Э.Я.,Микитаев А.К., Беев А.А. Термопластичная композиция на основе полисульфона. – Пат. РФ № 2477735. Опуб. 20.03.2013.
3. Бюллер К.-У. Тепло- и термостойкие полимеры. – М.: Химия, 1984. – 1056 с.
4. Керницкий В.И., Микитаев А.К. Краткие основы получения и переработки полиэтилентерефталата (ПЭТ) – М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2012. – 208 с.
5. Маруяма К., Маруо К., Канда Т., Масуда Ц. Сложнополиэфирная полимерная композиция, способ ее получения и формованное изделие. Пат РФ № 2415164.-опуб. 20.04.2010 г.
6. Полоу Дж., Хергенроутер У., Грейвз Д. Композиции сложных полиэфиров, содержащие поглощающие кислород полидиены Пат. РФ № 2399637,опуб. 10.04.2009 г.

Одной из наиболее развивающихся отраслей полимерной химии является производство полиэтилентерефталата (ПЭТ) конструкционного назначения, а также переработка ПЭТ в тару и упаковку на его основе. При значительных преимуществах этого материала перед другими по эксплуатационным характеристикам недостатком является высокая температурная область переработки ПЭТ из расплава методом экструдирования и литья под давлением.

Известно, что переработка полиэтилентерефталата [4] методом экструзии осуществляется при 280–300 °С, что является температурной границей, близкой к температуре разложения полиэтилентерефталата (290–350 °С) [1]. Повышенная температура может при переработке приводить к частичной деструкции полимера, в ходе которой выделяются побочные продукты, ухудшающие свойства полиэтилентерефталата. В связи с этим задача снижения температуры переработки ПЭТ является актуальной.

Существуют различные способы снижения температуры переработки: введение пластификатора, снижение молекулярной массы самого полимера, введение полимерных наполнителей, обладающих пластифицирующим действием. Недостатком первого способа является «выпотевание» пластификатора, который из ПЭТ-тары может попадать в упакованный продукт. При снижении молекулярной массы полиэтилентерефталата температура переработки снижается, однако механические свойства также резко ухудшаются. Наиболее оптимален, на наш взгляд, способ введения полимерных добавок, которые в небольших количествах существенно снижают температуру переработки без ухудшения свойств материала.

С целью снижения температуры переработки разработан композиционный материал на основе ПЭТ, где в качестве полимерной добавки предлагается полигидроксиэфир бисфенола А следующего строения:

pic_28.wmf

полученный методом осадительной поликонденсации при взаимодействии эпихлоргидрина и бисфенола А. Полигидроксиэфиры – класс линейных термопластичных простых полиэфиров, которые известны под промышленным названием «Phenoxy» и выпускаются в США, Польше, Украине (г. Донецк). Благодаря уникальным свойствам, простому строению и доступности эти полимеры имеют самое широкое применение: конструкционные материалы, краски, защитные покрытия, волокна, пленочные клеи и т.д. [3]. Данное исследование посвящено возможности их применения в качестве полимерной пластифицирующей добавки. Выбор полигидроксиэфира в качестве пластифицирующей добавки обусловлен его низкой температурой плавления – 110–115 °С, высокой термостойкостью – начало деструкции 330–340 °С, доступностью.

Известны различные композиционные материалы на основе полиэтилентерефталата [5, 6], однако полигидроксиэфир в качестве полимерной добавки к полиэтилентерефталату ранее не использовался. Синтезированный нами полигидроксиэфир является термопластичным простым полиэфиром с молекулярной массой 25–35 тысяч, представляет собой аморфный белый порошок. За счет содержания в полимерной цепи около 6 % гидроксильных групп обладает хорошей совместимостью с полярными полимерами, такими как полисульфон, поликарбонат. Как показали ранее проведенные исследования, при введении полигидроксиэфира в полисульфон удается существенно снизить температуру его переработки [2].

В связи с этим задачей наших исследований является повышение показателя текучести расплава и понижение температуры переработки промышленного полиэтилентерефталата, повышение его термической стойкости путем получения термопластичной полимерной композиции, которая пригодна для вторичного применения за счет своей термопластичности.

Путем введения в промышленный полиэтилентерефталат в качестве термопластичной добавки полигидроксиэфира на основе бисфенола А с молекулярной массой 25–35 тысяч в количестве 3–10 % удается достичь снижения температуры переработки ПЭТ на 20–25 °С. Термопластичную композицию на основе полиэтилентерефталата готовят смешиванием расчетных количеств исходных полимеров с последующей переработкой на двушнековом экструдере PSHI-20 фирмы Jiangsu (Китай). Полученный экструдат композита полиэтилентерефталат – полигидроксиэфир представляет прозрачные гранулы без следов помутнения и дымчатости.

Для выбора температурного режима переработки композита были измерены показатели текучести расплава. Показатель текучести расплава полученных образцов определяли на пластометре ИИРТ-АМ по ГОСТ 111645-73. Исследования показали, что введение 3–10 вес. % полигидроксиэфира с молекулярной массой 30–35 тысяч позволяет в 1,5–2 раза снизить вязкость расплава и на 20–25 °С температуру переработки, при этом композиция остается термопластичной, что делает возможным вторичную переработку отработанного материала. Полученный положительный эффект объясняется пластифицирующим действием полигидроксиэфира.

Для определения возможной температурной области эксплуатации композитов на основе полиэтилентерефталата были проведены термогравиметрические исследования на дериватографе фирмы PERKINELMER – 4000 (Голландия).

Проведенные исследования показали, что введение полигидроксиэфира в полиэтилентерефталат повышает его термостойкость на 10–25 °С, наилучший эффект наблюдается при количестве полигидроксиэфира около 5 %. Возможно, между полимерными цепями полиэтилентерефталата и полигидроксиэфира возникают водородные связи, а при повышении температуры происходит химическое взаимодействие концевых функциональных групп полиэтилентерефталата и вторичных гидроксильных групп полигидроксиэфира, приводящее к структурированию и, как следствие, к повышению термостойкости и других свойств.

Таблица 1

ПТР полученных композитов

Состав композиции

Показатель текучести расплава, г/10 мин

Изменения, %

Температура, °С

Нагрузка, кг

ПЭТ

34,3

0

250

2,16

ПЭТ-ПГЭ (3 %)

35,85

+4,5

250

2,16

ПЭТ-ПГЭ(5 %)

54,3

+58,3

250

2,16

ПЭТ-ПГЭ (10 %)

43,2

+26,0

250

2,16

Таблица 2

Термогравиметрический анализ композитов

Состав композита

Температура начала деструкции, °С

Температуры потери массы, °С

5 %

10 %

20 %

50 %

100 %

ПЭТ

375

400

420

430

450

550

ПЭТ-ПГЭ (3 %)

390

410

420

430

440

560

ПЭТ-ПГЭ (5 %)

405

425

435

440

445

585

ПЭТ-ПГЭ (10 %)

395

410

415

425

440

575

Введение пластифицирующих добавок часто ухудшает механические свойства полимера. В связи с этим была исследована твердость полученных образцов по Шору (табл. 3).

Как видно из полученных данных, значения твердости композита увеличиваются в области добавок 3–5 % по сравнению с исходным полиэтилентерефталатом, но несколько ниже, чем твердость полимерной добавки.

Таблица 3

Твердость полученных композитов

Композит

ПЭТ

ПЭТ-ПГЭ 3 %

ПЭТ-ПГЭ 5 %

ПЭТ-ПГЭ 10 %

ПГЭ

Твердость по Шору, шкала D, кг·с/мм

49/45

60/57

60/58

49/47

74/69

Так как полиэтилентерефталат используют для получения изделий, контактирующих с агрессивными средами, служит для производства тары, предназначенной для упаковки разнообразных пищевых и технических жидкостей, то возникает необходимость исследования гидролитической стойкости полученного композита. Полиэтилентерефталат обладает низкой стойкостью к действию щелочей, а полигидроксиэфир – высокой стойкостью практически ко всем агрессивным средам. Для проведения эксперимента пленочные образцы полиэтилентерефталата и композита с содержанием 5 масс. % полигидроксиэфира известной массы, высушенные до постоянного веса помещали в бюксы с различными растворами. Через определенные промежутки времени образцы высушивались и взвешивались (табл. 4).

Таблица 4

Химическая стойкость полимеров и композитов

№ п/п

Среда

Время экспозиции, сутки

Изменение массы, %

Время экспозиции, сутки

Изменение массы, %

ПЭТ

ПЭТ + ПГЭ (5 масс. %)

ПЭТ

ПЭТ + ПГЭ (5 масс. %)

1.

Вода дист.

30

+0,13

+0,128

150

+0,10

+0,113

2.

Этанол, 40 %

30

+0,25

+0,183

150

+ 0,51

+0,152

3.

Танин, 5 %

30

+0,18

+0,10

150

+0,21

+0,07

4.

Уксусная кислота, 9 %

30

+0,12

+0,14

150

+0,17

+0,09

5.

Бикарбонат натрия, 4 %

30

+0,08

+0,03

150

+0,09

–0,02

6.

Гидроксид натрия, 2 %

30

–0,22

–0,15

150

–1,65

–0,17

7.

Гидроксид натрия, 15 %

30

–12,7

–6,2

150

–60,3

–6,7

8.

Азотная кислота, 6 %

30

+0,05

–0,08

150

+0,03

–0,11

9.

Хлорид калия, 4 %

30

+0,15

+ 0,13

150

+0,11

+0,06

10.

Бензин АИ-92

30

+0,06

0

150

–0,04

0

Из табличных данных видно, что введение 5 % полигидроксиэфира в целом увеличивает стойкость полиэтилентерефталата к действию агрессивных сред, особенно щелочных растворов. Важным свойством также является его бензостойкость. В соответствии с ГОСТ 12020–66 полученные композиты по балльной оценке можно отнести к классу «С» ‒ стойкие.

Таким образом, введение в полиэтилентерефталат полигидроксиэфира с молекулярной массой 25 000–35 000 в количестве 3–10 % снижает вязкость расплава на 25–40 % и температуру переработки на 20–25 °С при сохранении термопластичности и увеличивает твердость на 20–23 %. Полученный композит является стойким к действию агрессивных сред. Это позволит расширить области применения композиционного материала на основе полиэтилентерефталата и полигидроксиэфира.

Работа выполнена в рамках комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения Договор ООО «Таннета» с Минобрнауки России от 12 февраля 2013 г. № 02.G25.31.0008 (Постановление Правительства РФ № 218).

Рецензенты:

Шаов А.Х., д.х.н., профессор кафедры экологии химического факультета Кабардино-Балкарского государственного университета, г. Нальчик;

Бажева Р.Ч., д.х.н., профессор кафедры органической химии и высокомолекулярных соединений химического факультета Кабардино-Балкарского государственного университета, г. Нальчик.

Работа поступила в редакцию 29.11.2013.


Библиографическая ссылка

Беева Д.А., Микитаев А.К., Барокова Е.Б., Беев А.А., Борисов В.А., Якокутова А.А. ПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИТ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-13. – С. 2878-2881;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32927 (дата обращения: 02.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074