РЕОЛОГІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ РОЗПЛАВУ ПЛАСТИФІКОВАНОГО ПОЛІВІНІЛОВОГО СПИРТУ

РЕОЛОГІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ РОЗПЛАВУ ПЛАСТИФІКОВАНОГО ПОЛІВІНІЛОВОГО СПИРТУ

В.П. Колеушко, Ю.В. Шульга

Чернігівський промислово – економічний коледж

Київського національного університету технологій та дизайну

Швидкий розвиток науки і техніки, розширення галузей застосування хімічних волокон обумовили пошуки методів одержання волокон і ниток з наперед заданими властивостями. Фізико-хімічна модифікація шляхом формування волокон із розплавів сумішей полімерів є одним із важливих напрямків формування композиційних волокон з новими, часто непередбачуваними характеристиками. Використання сумішей полімерів відкрило простий і ефективний метод одержання волокон малого діаметру (від декількох до десятих часток мікрометру) – ультратонких синтетичних волокон. Такі волокна не гладенькі, як звичайні синтетичні, а об’ємні, м’які, мають приємний гриф, вовно- та бавовноподібність без спеціальних прийомів текстурування та надання звитості. У них немає аналогів навіть серед натуральних волокон, і вони не можуть бути сформовані за класичними технологіями [1].

Волокноутворення одного полімеру суміші в середовищі іншого (матричного) – це принципово новий процес, коли кількість філаментів нитки не визначається числом отворів у фільєрі. На відміну від традиційних методів формування хімічних волокон, пучок із десятків і сотень тисяч мікроволокон утворюється при продавлюванні розплаву суміші полімерів через один отвір. При цьому число мікроволокон, їх діаметри, структура поверхні, гігроскопічність та механічні показники визначаються, перш за все,  властивостями компонентів суміші.  Важливим є застосування дешевої, доступної, нетоксичної  речовини, що не потребує особливих заходів безпеки при роботі з нею [1].

Враховуючи, що промисловістю випускаються багатотонажні водорозчинні полімери, як матричний компонент доцільно було вибрати полівініловий спирт (ПВС).

           Полівініловий спирт (ПВС) -  це карболанцюговий полімер [CH₂CH(OH)-]n, твердий безбарвний  продукт, молекулярна маса, якого (5÷200)*, один із самих поширених синтетичних водорозчинних полімерів. Вперше отриманий ПВС в 1924 році В. Германом і В. Генелем. ПВС − гігроскопічний і не токсичний [2].

При ступені гідролізу вище 92% він розчиняється у воді при температурі 90 і після охолодження залишається у розчині;  при ступені гідролізу 70-80% розчиняється у воді при 60;  при ступені гідролізу 79-80% легко розчиняється у холодній воді. При подальшому зниженні ступеня гідролізу до 65% розчинність у воді різко знижується.  Зі збільшенням  вмісту  ацетатних груп і зниженням молекулярної маси, температура розчинення і в’язкість водних розчинів ПВС зменшується. ПВС - стійкий до більшості органічних розчинників, нафтопродуктів, розбавлених кислот і лугів, окисників, до дії світа та мікроорганізмів. При (170÷220) починається деструкція ПВС, яка супроводжується дегідратацією і утворенням карбонільних груп. В присутності  домішок  (особливо лугів і кислот) світло- і термостійкість різко знижується [2].

Виходячи з цього,  для досліджень були вибрані   зразки полівінілового спирту фірми «Kuraray Co.Ltd» марок «Moviol 18-88»  та «Moviol  4-88» властивості яких наведені в табл. 1.

Таблиця 1. Характеристики полівінілового спирту

Переробку полімерів у волокна, плівки тощо здійснюють із в’язко-текучого стану – з розплаву або розчину. Через близькість температур текучості і деструкції ПВС, його в основному переробляють із водних розчинів. Проблему, пов’язану з термодеструкцією полімеру, вирішують шляхом введення пластифікаторів, якими можуть бути різні речовини, що містять полярні групи (-ОН, -СООН, -NH тощо).

Пластифікатори - сполуки, які вводяться в полімер з метою надання пластичності в умовах переробки і експлуатації. Пластифікатори повинні мати наступні властивості: здатність суміщуватись з полімером, утворювати з ним стійкі композиції при введенні достатньо великої кількості пластифікатору; низькою летючістю, безбарвністю, відсутністю запаху; хімічною стійкістю, яка повинна бути не нижчою, ніж у пластифікованого полімеру.

Пластифікаторами для ПВС є наступні речовини:  етиленгліколь (ЕГ), діетиленгліколь (ДЕГ), триетиленгліколь (ТЕГ),  гліцерин (ГЛ), 1,3 пропіленгліколь, бутиленгліколь, оксипропіловий гліцерин, аміди карбонових кислот, аміни, похідні сечовини, фосфорна кислота і її ефіри [2]. Всі вказані вище пластифікатори мають різні полярні групи, кожна з яких може вступати у взаємодію з гідроксильною групою ланцюга ПВС або його сополімерів безпосередньо або з участю молекули води, утворюючи водневі зв’язки.

Виходячи з вище зазначеного, як пластифікатор  вибрали просту доступну речовину – гліцерин, який вводили в кількості 5; 10; 15 мас. %. Зразки сушили у вакуумній сушильній шафі при температурі 80 ± 5 ^оС до вмісту летких 0,005 мас.%.  В’язкість (η) розплавів вивчали методом капілярної віскозиметрії за допомогою мікровіскозиметра МВ-2 в діапазоні напруг зсуву (τ) (0,1÷5,69)·10⁴Па при температурі 190 ºС. Обробку результатів проводили, використовуючи загальноприйняті методи з урахуванням поправки Рабіновіча - Вайссенберга при побудові істинних кривих течії. Режим течії «n» визначали за тангенсом кута нахилу дотичної до осі абсцис в даній точці кривої течії [3]. Еластичні властивості розплавів оцінювали як співвідношення діаметрів екструдатів пластифікованого ПВС та капіляра мікровіскозиметра (В). Здатність розплаву до поздовжнього деформування характеризували величиною максимальної фільєрної витяжки Ф_max, яку розраховували як відношення швидкості прийому струменя розплаву до швидкості його витікання з фільєри.

Постановка завдання

Необхідність вивчення закономірностей течії розплавів пластифікованих зразків ПВС з метою встановлення взаємозв’язку між реологічними властивостями розплаву та технологічними параметрами формування волокон.

Мета роботи – дослідження впливу концентрації гліцерину на реологічні властивості полівінілового спирту та здатність його до переробки.

Результати та їх обговорення

Одержані експериментальні результати показали, що при введенні (5÷15) мас. % гліцерину зразки обох марок ПВС плавляться без термодеструкції і переходять у в’язкотекучий  стан при 190 ^оС. Проте, полімер марки «Moviol 18-88»  не деформується в струмінь в дослідженому діапазоні напруг зсуву, навіть при підвищенні температури до 220^оС, через дуже високу в’язкість розплаву. Концентрація пластифікатора суттєво впливає на реологічні властивості ПВС марки  «Moviol 4-88» (табл. 2).

Таблиця 2. Вплив концентрації  гліцерину на реологічні властивості полівінілового спирту

Виконані дослідження показали, що концентрація гліцерину практично не впливає на розбухання екструдату (В) пластифікованого ПВС (табл. 2). Здатність розплавів до поздовжнього деформування, визначена за величиною максимальної фільєрної витяжки, різко падає при збільшенні вмісту гліцерину до 15,0 мас. % (табл. 2). Погіршення прядомості обумовлене зменшенням міцності струменя розплаву внаслідок падіння зсувової в’язкості. Одержані результати свідчать, що пластифікований полімер може перероблятися через розплав на традиційному екструзійному обладнанні.  Виконані дослідження показали, що пластифікований ПВС розчиняється в холодній і гарячій воді.

Таким чином, виконані дослідження показали ефективність вибраного підходу пластифікації полівінілового спирту з метою переробки його через розплав та використання як матричного полімеру для одержання поліпропіленових мікроволокон.

Висновки

Виконані дослідження показали, що частково омилений пластифікований полівініловий спирт може бути перероблений через розплав в суміші  на традиційному екструзійному обладнанні, що дозволить використовувати його як водорозчинний матричний компонент.

Список літератури

1. Глубіш П.А., Ірклей В.М., Клейнер Ю.Я., Резанова Н.М., Цебренко М.В., Кернер С.М., Омельченко В.Д., Турчаненко Ю.Т Високотехнологічні, конкурентоспроможні екологічно орієнтовані волокнисті матеріали та вироби з них . – К.: Арістей, 2007. – 263 с.

2. Розенберг М.Э. Полимеры на основе винилацетата. – М.: Химия, 1983. – 176 с.

3. Конюх И.В., Виноградов Г.В., Константинов А.А. Реология полимеров. Микровискозиметр для расплавов полимеров // Пластмассы. –  1963,  №10, с. 45 - 47