ВПЛИВ ПЛАСТИФІКАТОРА НА ЗАКОНОМІРНОСТІ ТЕЧІЇ ТА ПРОЦЕСИ СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ В РОЗПЛАВАХ СУМІШЕЙ ПОЛІПРОПІЛЕН/ПОЛІВІНІЛОВИЙ СПИРТ

ЗМІСТ

ВСТУП                                                                                                                     2

РОЗДІЛ 1 Явище специфічного волокноутворення                                            4

РОЗДІЛ 2 Пластифікація полівінілового спирту, як метод надання йому термопластичних властивостей                                                                              8

РОЗДІЛ 3 Технологічна частина

3.1 Технологічна схема виробництва фільтрів на основі поліпропіленових мікроволокон                                                                                                          12

3.2 Параметри процессу                                                                                        14

РОЗДІЛ 4 Експериментальна частина

1.  Об’єкти дослідження                                                                                      17
2. Методи дослідження                                                                                        18
   1.   Дослідження реологічних властивостей розплавів  полімерів               18

4.2.2 Дослідження еластичних властивостей розплавів полімерів                   22

4.2.3 Визначення прядомості розплавів                                                              23

4.3 Експериментальні дані та їх обговорення                                                     23

Список використаних літературних джерел                                                       27

Вступ

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.

При одержанні мікроволокон із розплавів сумішей полімерів є технологічна стадія видалення матричного компоненту із композиційної нитки (плівки) розчинником, інертним по відношенню до волокноутворюючого полімеру. Важливим є застосування як матричного полімеру дешевої, доступної, нетоксичної  речовини, що не потребує особливих заходів безпеки при роботі з нею. У раніше виконаних дослідженнях як матричний компонент використовували співполіаміди. Процес екстракції при цьому здійснювали спиртово-водною сумішшю, що відносить виробництво до категорії вибухо- і пожежонебезпечних. Актуальним є питання заміни спирторозчинної матриці на водорозчинну, а саме на полівінілспиртову. Хімічна будова ПВС безперечно впливатиме на мікро- і макрореологічні  процеси в розплавах сумішей полімерів. Заміна співполіаміду на ПВС є також економічно обґрунтованою та важливою з точки зору розробки екологічно чистих технологій.

Виходячи з вищезазначеного, метою даної науково-дослідної роботи є дослідження впливу пластифікатора на закономірності течії та процеси структуроутворення в розплавах сумішей поліпропілен/полівініловий спирт.

Розділ 1

Явище специфічного волокноутворення

Використання сумішей полімерів – простий, доступний та ефективний метод їх модифікації. Це є провідна світова тенденція в галузі хімії і технології полімерів, що дає можливість не просто поєднувати властивості двох полімерів в одному виробі, але й забезпечує одержання унікальних ефектів. Це і  є так зване явище специфічного волокноутворення, що відкриває принципово новий шлях виробництва ультратонких синтетичних волокон з унікальними властивостями. Суть цього явища полягає в наступному. В обладнанні, що використовується для переробки полімерів, завжди є зона, де розплав тече із широкого резервуару у вузький (рис.1).

Рис.1.  Ціліндрична система координат на вході в капіляр

При такій геометрії течії поздовжнє і зсувне деформування накладаються одне на одне, лінії потоку сходяться, утворюють конус. Вектори локальних швидкостей мають дві складові: в напрямку течії (швидкість розтягу) та в поперечному напрямку (швидкість зсуву). На вісі потоку діють лише розтягуючі напруги, які зароджуються далеко від входу в формуючий отвір, зростають за величиною, досягають максимуму і релаксують уже в формуючому отворі.

Розплав суміші двох полімерів - це краплі одного компоненту (дисперсна фаза) в масі іншого (дисперсійне середовище). Під дією розтягуючих напруг краплі полімеру дисперсної фази деформуються в рідкі струмені, які зливаються в поздовжньому напрямку з утворенням струменів безперервної довжини. Використання сумішей полімерів відкрило зовсім новий шлях одержання волокон малого діаметру (від декількох мікрометрів до десятих часток мікрометру).

Основними вимогами  до властивостей полімерів суміші є наступні: змішуванню підлягають термодинамічно несумісні полімери, що здатні до оптимальної взаємодії в міжфазному шарі, мають в умовах переробки співвідношення в’язкостей і еластичностей, близьке до одиниці, що плавляться і переходять у в’язкотекучий стан без деструкції та хімічної взаємодії;  мікрореологічні процеси – деформація крапель дисперсної фази в струмені. Злиття струменів з утворенням мікроволокон, їх розпад на краплі, міграція та коалесценція визначаються співвідношенням в’язкостей і еластичностей розплавів полімерів, а також абсолютними значеннями в’язкостей. Висока еластичність розплаву як матричного, так і волокноутворюючого компоненту не сприяє волокноутворенню; для кожної пари полімерів існує оптимальний ступінь диспергування полімеру дисперсної фази, за якого найбільш чітко реалізується специфічне волокноутворення. В загальному випадку ступінь диспергування не повинен бути більшим, ніж декілька мікрометрів. Краплі критичного розміру (який визначається хімічною природою полімеру) стійкі до зсуву та розтягу, тому волокноутворення не буде реалізоване;   переважне утворення ультратонких волокон безперервної довжини має місце для співвідношення волокноутворюючого і матричного полімерів 20/80 мас. %, при розмірах формуючого отвору: діаметр D = 700÷1000 мкм,  при відношенні довжини L до діаметру L/D = 5÷10, куті входу 120⁰; при напругах зсуву τ_1,2 = 10⁴÷10⁵ Па, фільєрній витяжці 300÷1000 %. Показано, що введення селективного пластифікатора  або  поверхнево-активної речовини в бінарну суміш полімерів служить методом регулювання процесів структуроутворення в екструдатах  сумішей.  В граничному варіанті за допомогою пластифікатора можливо змінити дисперсний потік на стратифікований. Механізм такого регулювання пов’язаний зі зміною, при введенні пластифікатора співвідношення в’язкостей і еластичностей розплавів полімерів, а також з поверхнево-активною дією введених добавок.

Характерними  властивостями ультратонких синтетичних волокон, що сформовані переробкою розплавів сумішей полімерів, є їх виключна м’якість, приємний гриф, вовно- та бавовноподібність без спеціальних прийомів текстурування та надання звитості.

Явище специфічного волокноутворення реалізоване  для багатьох пар полімерів, які мають відповідні властивості. В таблиці 1 наведені полімери, суміші полімерів, для яких це явище реалізоване.

Таблиця 1

Основні розплави сумішей полімерів, для яких реалізоване явище волокноутворення

Явище специфічного волокноутворення реалізується не тільки для розплавів сумішей полімерів, але і для розчинів сумішей полімерів.  В таблиці 2 наведені суміші полімерів, для розчинів,  яким характерне явище специфічного волокноутворення.

Таблиця 2

Розчини сумішей полімерів, для яких реалізовано явище волокноутворення

Однією із стадій технологічного процесу при отриманні ультратонких синтетичних волокон  із розплавів сумішей полімерів є екстракція матричного полімеру. Проведенні дослідження можливості використання ПВС як матричного компоненту в  суміші з поліпропіленом (ПП), поліетиленом (ПЕ) і поліоксиметиленом (ПОМ). Авторами статті [8,9] описані  реологічні властивості розплавів і закономірності структуроутворення в екструдатах суміші ПП/ПВС, ПЕ/ПВС і ПОМ/ПВС. В роботах   показана можливість переробки сумішей , які мають у своєму складі ПВС, через розплав з метою отримання ультратонких поліолефінових та ПОМ волокон і проведення процесу екстракції водою. При вмісті поліпропілену, поліетилену чи поліоксиметилену  в суміші ПП/ПВС, ПЕ/ПВС, ПОМ/ПВС  до 50 мас %  в процесі течії утворюється зовнішня волокниста плівка, яка є проникною для розчинника води, наповнена мікроволокнами безперервної довжини.  Така  структура важлива для створення, наприклад, фільтруючих матеріалів із мікроволокон, для очищення рідких середовищ. Основною особливістю реологічної поведінки розплавів сумішей ПП/ПВС, ПЕ/ПВС і ПОМ/ПВС є зниження в’язкості в 2,5-5 разів і підвищення еластичності розплавів сумішей.  Ці особливості пов’язані  з волокноутворенням  при течії  поліолефіна або ПОМ в матриці ПВС.  Дослідження процесу екстракції ПВС із екструдатів сумішей, які містять ультратонкі ПП, ПЕ, ПОМ волокна, показало, що розчинність ПВС не погіршується. Тривалість процесу екстракції ПВС в результаті заміни спирторозчинної матриці на водорозчинну не збільшується.

Розділ 2

Пластифікація ПВС, як метод надання йому термопластичних властивостей

           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.

Таблиця 3

Фізико - механічні властивості ПВС                                              

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.

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. 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.  Взаємодія ПВС з цими пластифікаторами відбувається за механізмом міжпачкової пластифікації.  Сумісність пластифікаторів з ПВС оцінюється за температурою розчинення їх в багатоатомних спиртах і за температурою помутніння розчинів. Вона збільшується із зменшенням молекулярної маси пластифікатора в ряду: ПЕГ<< ТЕГ <<ДЕГ<< ГЛ <<ЕГ.             

Температура плавлення і текучості частково омиленого полівінілацетату (ПВА) знижується при додаванні пластифікатора. При цьому, як і в випадку сумісності, температура плавлення і текучості тим нижча, чим менша молекулярна маса пластифікатора, але ступінь кристалічності полімеру не зменшується. Зниження температури плавлення обумовлене зміною термодинамічних умов розчинення кристалічних областей у пластифікованому полімері. Температура текучості (ТТ) може бути розрахована за емпіричним рівнянням: Tт = 182 – 157m, де m – число молів пластифікатора на 100 г частково омиленого ПВА.

ПВС має підвищену  гігроскопічність. Так, ПВА зі ступенем омилення 86,5 молярних %  поглинає при відносній вологості повітря 60 % до 7,8 мас. %  води. При цьому температура склування полімеру знижується з 68 до 36 ℃. Отже, вода являється ефективним пластифікатором ПВС. При введені у співполімер 15 мас. %  ДЕГ вміст вологи в  плівці збільшується до 10,5 мас. %,  але її температура склування знижується до 2 ℃, в той час як температура склування не пластифікованого полімеру при вказаному вмісті вологи складає 38 ℃. З другого боку температура склування практично сухого співполімеру, пластифікованого 15 мас. %   ДЕГ, складає  40 ℃. Таким чином, вода і ДЕГ, як пластифікатори проявляють синергічну дію: ефект пластифікації  ПВС перевищує суму  ефектів пластифікації окремими компонентами. Вода, яка міститься в пластифікаторі, може як безпосередньо взаємодіяти з полімером, так і виступати як проміжна ланка, утворюючи водневі зв’язки з гідроксильними групами полімеру і гліколю. В цьому випадку ефективний об’єм молекули пластифікатора, збільшується, що сприяє більш інтенсивному розпаду зв’язків між макромолекулами. Для того, щоб запобігти злипанню порошку пластифікованого ПВС і плівкових виробів в композицію разом з пластифікатором вводять одноосновні жирні кислоти з 10 і більше вуглецевими атомами, їх солі, ефіри, аміди.

Суміщення ПВС з пластифікаторами проводиться в змішувачах, екструдерах і на вальцях при підвищених температурах, інколи пластифікатори додають  у водний розчин ПВС. Найбільш зручно змішувати пластифікатор з полімером безпосередньо в процесі виробництва ПВС. Додавання пластифікатора до набухшого в метанолі ПВС на стадії його сушіння – це найбільш сприятливі  умови для рівномірного розподілу пластифікатора в частинках полімеру. Суміщення операцій сушіння ПВС і просочування частинок полімеру пластифікатором дозволяє без застосування спеціального змішувального устаткування отримувати однорідну суміш, здатну зберігатися довгий час без зміни властивостей.

  Існують наступні способи пластифікації:  розчинення полімеру в розчині пластифікатора, сорбція пластифікатора полімером або полімерним матеріалом із емульсій або розчинів пластифікатора, додавання пластифікатора до мономерів перед їх полімеризацією або поліконденсацією, введення пластифікатора в емульсію полімеру перед його переробкою, безпосередня переробка полімеру з пластифікатором.

Як  пластифікатор  найчастіше використовується гліцерин, з яким ПВС суміщається у великій кількості. Гліцерин − найпоширеніший триатомний спирт, що змішується у всіх співвідношеннях із водою і не розчиняється в жирах,  не токсичний.  Для досліджень були вибрані   зразки полівінілового спирту фірми «Kuraray Co.Ltd» марок «Moviol 18-88»  та «Moviol  4-88». Одержані  результати показали, що при введенні (5÷15) мас. % гліцерину зразки обох марок ПВС плавляться без термодеструкції і переходять у в’язкотекучий  стан при температурі 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». При  збільшенні вмісту гліцерину η розплаву падає ~ в 3 рази при всіх напругах зсуву. Розплави пластифікованого полівінілового спирту є типовими неньютонівськими рідинами. При цьому вплив швидкості деформації на ефективну в’язкість зменшується з ростом концентрації пластифікатора, про що свідчить падіння величини показника «n», який характеризує ступінь відхилення від ньютонівського механізму течії. Пластифікація ПВС відбувається за внутрішньопачковим механізмом, тобто йде руйнування надмолекулярної структури полімеру, що наближає режим його течії до ньютонівської рідини.

Розділ 3

ТЕХНОЛОГІЧНА ЧАСТИНА

3.1  Технологічна схема виробництва фільтрів на основі поліпропіленових мікроволокон

Технологія виробництва фільтрів на основі поліпропіленових мікроволокон дуже важлива для очищення повітря, нафти, пального, лугів, кислот. Особливо важлива, для очищення ліків, продуктів харчової промисловості і питної води. Питна вода в Україні містить дуже багато небезпечних для здоров’я людини речовин, тому очищення її є дуже важливим фактором. Була розроблена технологія виробництва  фільтрів. Ця технологія відрізняється низькою енергоємністю, простотою процесів, відсутністю шкідливих викидів в атмосферу, високою продуктивністю, і виготовляється на екструзійному обладнанні, яке випускається в Україні. Основними стадіями технологічного процесу є:

• Змішування полімерів;
• Одержання композиційної плівки із розплаву суміші полімерів;
• Гофрування композиційної плівки;
• Складання патронного фільтрувального елементу;
• Екстракція матричного полімеру;
• Сушіння, складання, герметизація торців та бокового шва і контроль якості фільтрувального елементу;
• Маркіровка і упаковка готової продукції.

Гранули модифікованого волокноутворюючого полімеру, матричного та їх суміші сушаться в барабанній вакуумній сушарці (1) до вмісту летких речовин 0,05 мас. % . Для  запобігання окислення  в сушарку подають азот. Гранули матричного полімеру з бункерів (2,4) через дозатори (3,5) потрапляють до змішувача (6). Отримана суміш направляється на лінію грануляції ЛГП-25 (7). Основною частиною лінії ЛГП – 25 є черв’ячно - дисковий екструдер, де відбувається змішування в розплаві двох і більше полімерів. В екструдері є кілька зон обігріву для створення оптимальних умов переробки розплаву. Струмені, які виходять із  фільєр, охолоджуються в ванні (8) водою і після затвердіння подрібнюються в крихту на рубальному станку (9). Гранули суміші сушаться в вакуум-барабанній сушарці (10) до вмісту летких речовин 0,05% мас.  і подаються в завантажувальний бункер черв’ячного екструдера типу ЧП 45х25 (11). Розплав суміші полімерів шнеком подається на фільтруючий набір металевих сіток і потрапляє в формовочну головку машини, де знаходиться плоско-щілинна фільєра (12). Отриманий розплав суміші полімерів потрапляє в охолоджувальну ванну (13),  потім одержана плівка направляється на витяжні валки (14) і намотуються на бобіни (15). Сформовану плівку гофрують на гофрувальному станку (16) для збільшення поверхні фільтру. Патронний фільтр складається із зовнішнього і внутрішнього корпусів і герметизується торцями. Після гофрування плівка збирається в гофропакети (17). Отриманні пакети поміщають в екстрактор (18), де відбувається розчинення матричного полімеру і залишається в підкладках нетканий матеріал із ПП мікроволокон.  Після сушки в спеціальній камері (19) фільтри проходять випробування на стенді для випробування фільтрувальних елементів (20). Отриманні фільтри маркіруються та пакуються (21). Унікальна структура поверхні отриманих мікроволокон забезпечує їх зчеплення між собою, а також розвинену поверхню, а значить і брудоємність отриманих фільтрів на їх основі [1,6].

3.2  Параметри процесу

1 – сушарка для гранул ПВС; 2 – бункер для гранул ПВС; 3 – дозатор для гранул ПВС; 4 – бункер для поліпропілену; 5 – дозатор для гранул поліпропілену; 6 – змішувач для гранул поліпропілену та ПВС; 7 –  черв’ячно-дисковий екструдер;  8, 13 – ванни для охолодження; 9 – подрібнювач; 10 – сушарка для гранул сумішей полімерів; 11 – черв’ячний екструдер ЧП 45×25; 12 – плоско-щілинна головка; 14 – приймально-витяжний пристрій; 15 – приймальний барабан; 16 – гофрувальний станок; 17 – стенд зборки фільтруючих елементів; 18 – екстрактор; 19 – камера сушіння фільтрів; 20 – стенд для випробувань фільтрувальних елементів; 21 – стіл пакування та маркування..

Рис. 3.1.  Принципова технологічна схема виробництва фільтрів на основі поліпропіленових мікроволокон

Розділ 4

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

4.1 Об`єкти дослідження

Як об`єкти дослідження були використані суміші поліпропілен/полівініловий спирт (ПП/ПВС) у співвідношенні компонентів 30/70; 20/80 мас.%. Для досліджень брали промисловий зразкок ПП марки А7,  ТУ У 24.1 - 32292929 - 003:2007 виробництва Лисичанського хімічного заводу.

Вибір поліпропілену як волокноутворюючого компоненту обумовлений доступністю полімеру, простотою та малою енергоємністю технології переробки, а також комплексом цінних властивостей, а саме: гідрофобність; достатньо високі механічні властивості, які зберігаються в вологих середовищах; висока морозостійкість; добрі електроізолюючі властивості; хімічна стійкість до агресивних середовищ (концентрованих кислот і лугів) та стійкість до мікроорганізмів. Фільтрувальні матеріали на його основі мають великий практичний інтерес.

В роботі як матричний полімер використовували ПВС марки « Moviol 4-48», фірми «Kuraray Co.Ltd». Полівініловий спирт (С₂Н₄О)_n — синтетичний водорозчинний полімер аліфатичного ряду, що має гідроксильні групи і належить до полімерів і співполімерів вініл­ацетату. На фізико-хімічні властивості полівінілового спирту впливає ступінь омилення полівінілацетату, в процесі якого одержують ПВС. Присутність всього 1,0 % ацетатних груп в ланцюгах макромолекул знижує кристалічність та підвищує розчинність ПВС. Температура його плавлення залежить від співвідношення аморфної та кристалічної фаз, кількості і характеру розподілу ацетатних груп. Останні ослаблюють внутрішні та міжмолекулярні водневі зв’язки, які існують між гідроксильними групами і значно знижують температуру плавлення. Розчинність полівінілового спирту у воді залежить від молекулярної маси та ступеню омилення, причому другий фактор є визначальним. Так, ПВС із ступенем гідролізу 99,7 % розчиняється у воді тільки при нагріванні до 80 ^оС. Найкраще розчиняється в холодній воді ПВС, який містить (11÷13) % ацетатних груп. При збільшенні концентрації неомилених груп (-ОСОСН₃-) до (30÷35) % ПВС повністю втрачає здатність розчинятися у холодній і гарячий воді, а розчиняється лише у спирто-водній суміші [10]. Властивості вихідних полімерів наведені в табл. 4.1.

Таблиця 4.1

Характеристики вихідних ПП і ПВС

Як пластифікатор ПВС використовували гліцерин. Гліцерин -  трьохатомний спирт. Хімічна формула —  C₃H₅(OH)₃. Молекулярна маса  92,09 г/моль. Температура кипіння 290 °C (розкладається).  Температура  плавлення 20 °C.  Змішується з водою в будь-якій пропорції.  Густина  1,261 г/см³  при 20 °C.  Показник заломлення n^D=1,4735 при 20 °C.  Діелектрична проникність ε=42,5 при 25 °C.  Дипольний момент  молекули в газовому стані μ=2,56 Дб.  В'язкість  9450 мПз .  Це безбарвна,  в`язка,  без запаху,  солодка на смак,  важча за воду  і  неотруйна  рідина,  що має здатність поглинати вологу з повітря та утримувати її.

4.2 Методи дослідження

4.2.1  Дослідження реологічних властивостей розплавів  полімерів

Реологічні властивості вивчали за допомогою капілярної віскозиметрії. Для оцінки реологічних властивостей розплавів використовували капілярний віскозиметр постійного тиску марки МВ-2. Перевага цього віскозиметра перед іншими реологічними приладами полягає в тому, що при невеликій кількості (декілька грам) полімеру можна одержати криву течії розплаву полімеру.

Принцип дії приладу оснований на витіканні розплаву через капіляр під дією постійного перепаду тиску між його кінцями. Тиск створюється накладанням спеціальних грузів. Віскозиметр складається з робочого вузла, індикатору годинникового механізму для вимірювання швидкості опускання поршня, печі з терморегулюючим пристроєм і опорної плити зі штативом (рис. 4.1). В робочий вузол входять: циліндр (1), поршень (2), капіляр (4), який кріпиться до циліндру затискаючою гайкою (5). В циліндр під поршень закладається попередньо спресована таблетка полімеру, на яку через поршень давить груз (8). Поршень має отвори, через які в процесі експерименту може пропускатися інертний газ (азот). Груз теплоізольований текстолітовою шляпкою поршня. Швидкість опускання поршня визначається за допомогою індикатору часового типу (7) і секундоміру. В систему електронагріву входять електропіч (6), терморегулюючий потенціометр (10) і латр (11). Регулююча термопара з`єднана з потенціометром, а термопара, яка вимірює температуру – з мілівольтметром.

Рис.4.1  Схема, що ілюструє принцип роботи мікровіскозиметра МВ-2

1 – поршень; 2 – циліндр; 3 – таблетка полімеру; 4 – капіляр; 5 – зажимна гайка; 6 – електропіч; 7 – індикатор; 8 – груз; 9 – мікровольтметр; 10 – потенціометр; 11 – латр; 12 – штатив.

Прилад встановлювали по рівню, термостатували до температури 190С. Потім в циліндр під поршень загружали попередньо спресовану в спеціальній пресформі таблетку полімеру і витримували її в циліндрі 6 хв. Потім міряли швидкість опускання поршня під дією різних навантажень. Швидкість опускання поршня характеризує швидкість витікання розплаву полімеру через капіляр.

Розміри капіляру, що використовували: діаметр 0,78мм, довжина L=7,8мм.

Одержані експерементальні дані обробляли за загальноприйнятою методикою розрахунку в`язкості для нен`ютонівських систем. Напруги на стінці капіляру (τ) визначали згідно формулі:

,

де - перепад тиску між кінцями капіляру, Н/м²; - відповідно радіус і довжина капіляру, м.

,

де - маса поршня, рамки, грузів, зусилля пружини індикатору, - діаметр поршня (0,95см).

,

,   

де - постійна величина для даного капіляру. Для капіляру, що використовується в даній роботі .

Для визначення швидкості зсуву спочатку розраховували її середнє значення:

ĐQ/r³;  Q = (S  d_n²)/ 4 t

де Q – об’ємна швидкість витікання розплаву з капіляру, см³/сек; S – переміщення поршня, см – заміряється по індикатору; t – час, за який здійснюється переміщення S, сек.

,

де - постійна для даного капіляру. Для капіляру, що використовується в даній роботі, .

lgĐ = lg K₂ + lg (S/t)

За знайденими  значеннями  lgĐ і lg будували допоміжну криву течії lgĐ = f(lg) і розраховували режим течії n = (lgĐ)/(lg) в кожній точці кривої течії. Для одержання істинної кривої течії, що зв’язували напругу з градієнтом швидкості зсуву на стінці капіляру, враховується поправка Вайсенберга-Рабіновича:

D = (n + 3)Q/πr³   D = (n + 3) Đ

lgD = lg(n + 3) + lgĐ;   n = dlgĐ/dlgτ(lgĐ)/(lg)

де - тангенс кута нахилу дотичної в даній точці кривої течії – характеризує режим течії розплаву (ступінь відхилення від режиму течії ньютонівської рідини).

За знайденими значеннями lgĐ і lg будували істину криву течії lgD = f(lg). В’язкість () розраховували згідно рівнянь:

; 

Виконували 5 ÷ 10 незалежних окремих експериментів, за середнім арифметичним з них проводили всі розрахунки реологічних характеристик. Гарантійну похибку середнього арифметичного розраховували за загальноприйнятими методиками. При визначенні в`язкості розплавів полімерів гарантійна похибка середнього арифметичного складала 1 ÷ 5% в залежності від напруги зсуву. На основі одержаних експериментальних даних будували залежності lg = f(lg) для вихідних полімерів і їх сумішей.

4.2.2 Дослідження еластичних властивостей розплавів полімерів

Еластичні деформації накопичуються при течії розплавів полімерів за рахунок розпрямлення та орієнтації макромолекул в напрямку течії. Ця особливість реологічних властивостей полімерів у в`язкотекучому стані є дуже важливою. Накопичені при течії еластичні деформації релаксують при виході струменю з формуючого отвору, що проявляється в розбуханні струменю. Діаметр струменю більший, ніж формуючого отвору. Загально прийнято, що розбухання зумовлено в`язкоеластичними властивостями полімерних систем, але по виході із формуючого отвору відбувається неповна релаксація, оскільки при твердінні різко підвищується в`язкість. Тому для визначення повної величини розбухання проводили відпал екструдатів за спеціальною методикою. Відпал вихідного ПП проводили в силіконовому маслі при 175С, а ПП з добавками при 187С.  Екструдати довжиною 50 мм опускали в рідину  на 3 та 5 хвилини відповідно, потім виймали, промокали фільтрувальним папером і охолоджували. Після цього штангенциркулем заміряли діаметр екструдату після відпалу. Величину розбухання «В» оцінювали за відношенням діаметру екструдату після відпалу до діаметру капіляру: 

де - діаметр екструдату після відпалу, мм;

     - діаметр капіляру, мм.

4.2.3 Визначення прядомості розплавів

Прядомість розплавів оцінювали за величиною максимально можливої фільєрної витяжки (ФВ_max), яка розраховується як відношення різниці швидкості прийому струменя та швидкості витікання розплаву з фільєри до швидкості витікання з фільєри, вираженої у відсотках:

%

де - швидкість прийому струменя розплаву з фільєри;

    - швидкість витікання струменю розплаву із фільєри

4.3 Експериментальні дані та їх обговорення

Було показано, що при течії розплавів сумішей через формуючий отвір один із полімерів під дією реологічних сил утворює в масі іншого сотні тисяч мікроволокон орієнтованих в напрямку течії. По виході із формуючого отвору одержують композиційний екструдат армований сотнями тисяч мікроволокон одного полімеру в масі іншого. Результати фундаментальних досліджень знайшли впровадження в технології виробництва тонковолокнистих фільтрів на основі ПП мікроволокон. При цьому в якості матричного полімеру використовують спирторозчинний співполіамід, що створює пожежонебезпечну ситуацію на виробництві. Метою даної роботи є вивчення закономірностей течії та процесів структуроутворення в розплавах сумішей ПП/ПВС. Об’єктами дослідження служили суміші ПП/ПВС зі співвідношенням компонентів 30/70, 20/80. Результати реологічних досліджень представлені на рисунку (4.2) і в таблиці (4.2).

Оцінка в’язкості розплавів за допомогою капілярного віскозиметра МВ-2 показала, що як і слід було очікувати для вихідного ПП має місце слабкий ефект наповнення. При цьому еластичність розплаву ПП та режим його течії практично не змінюються. Здатність до поздовжнього деформування (прядомість) збільшується, що пояснюється зростанням міцності струменя в результаті підвищення в’язкості. Із (табл. 4.2) та (рис. 4.2) слідує, що має місце різке зниження в’язкості (2,1 – 2,5 рази) розплаву вихідної суміші. Це відома закономірність, що пояснюється реалізацією волокноутворення ПП в матричному полімері. Встановлена закономірність, як буде показано далі, пояснюється покращенням волокноутворення ПП в матриці ПВС. Розплави вихідних полімерів, бінарних та потрійних сумішей є типовими не ньютонівськими рідинами, про що свідчать значення режиму течії (n).

Звертає на себе увагу низькі величини еластичності сумішей ПП/ПВС. Це може бути пов’язане з тривалим перебуванням розплавів ПП/ПВС в камері віскозиметру при одержані екструдатів, що веде до утворення густої сітки водневих зв’язків.

Список використаних літературних джерел

1.               Резанова Н.М.,  Мельник І.А., Ніколаєва Г.П.,   Цебренко І.О., Вільцанюк О.А., Хуторянський М.О., Осолодченко Т.П. Високоефективні тонковолокнисті фільтрувальні матеріали з бактерицидними властивостями // Вісник КНУТД. – 2010. − №4. – С. 214 - 220.
2.               Цебренко М.В. Ультратонкие синтетические волокна. – М.: Химия. – 1991. 214 с.
3.               Хан Ч.Д. Реология в процессах переработки. Пер. с англ./под ред. Виноградова Г.В., Фридмана М.Л. – М.: Химия. – 1979. – 366 с.
4.               Цебренко М.В., Сайфуллин М.Г., Резанова Н.М., Брызгина Л.А. Явление «специфического волокнообразования» в смесях полиоксиметилен – поливиниловый спирт // Технология легкой промышленности. – 1985. − №4.− С. 39-42.
5.               Цебренко М.В., Брызгина Л.А.,  Налбандян Ю.Е.,  Гапоненко  И.М.,  Иванюков Н.Г.,  Пономарев В.Л., .Резанова Н.М. Явление «специфического волокнообразования» в смесях полимеров с водорастворимым матричным компонентом // Химические  волокна. – 1988. −  №2. – С. 5-7.
6.               Розенберг М.Э. Полимеры на основе винилацетата. – М.: Химия.  1983. – 176 с.
7.               Резанова Н.М.,  Цебренко М.В., Мельник І.А., Коршун А.В. Реологічні властивості розплаву пластифікованого полівінілового спирту // Вісник КНУТД. – 2012. − №6. – С.103 – 107.
8.               Дружинина Т.В.,  Харченко И.М. Общее закономерности химических и структурних превращений ПВС волокна в условиях высокотемпературной  обработки  // Химические волокна . − 2010.−  № 5. – С. 23 − 26.