Исследование энергетических характеристик полипропиленового волокнита, модифицированного элементоксидными наноструктурами



В данной статье рассматриваются энергетические характеристики поверхности полипропиленового волкнита, модифицированного элементоксидными структурами.

Ключевые слова: полипропиленовые волокна, химическое модифицирование, молекулярное наслаивание, элементоксидные структуры, энергетические свойства.

На сегодняшний день к числу наиболее интересных и перспективных материалов в области практического применения относят полимерные материалы. Их применение связано как с доступностью сырья для производства, так и с возможностью комбинирования полимеров с веществами другой природы и структуры, позволяющей получать композиционные материалы с комплексом заранее заданных необходимых функциональных свойств [1].

Использование различных методов химического модифицирования, заключающихся в направленном изменении структуры и свойств материалов, путем введения в макромолекулы фрагментов иной химической природы, способствует значительному расширению областей их применения. Одним из наиболее эффективных способов модифицирования является применение химической нанотехнологии, основанной на принципах метода молекулярного наслаивания (МН) [2].

Основная идея метода МН состоит в проведении химических реакций на поверхности твердого тела между его функциональными группами и подводимыми извне реагентами в условиях максимального удаления от равновесия [2].

Целью работы является исследование влияния модифицирования ППВ элементоксидными структурами на смачиваемость и энергетические характеристики полученных композиционных материалов.

В качестве объекта исследования использовали полипропиленовый волокнистый материал (ППВ, № РЗН 2020/10280), изготовленный по технологии meltblown. В качестве низкомолекулярных реагентов для модифицирования поверхности полимерного волокнита использовали оксохлорид фосфора (V), диоксид-дихлорид хрома (VI), тетрахлорид титана (IV) и оксохлорид ванадия (V).

Синтез элементоксидных структур проводили на установке молекулярного наслаивания проточного типа (рисунок 1) путем обработки ППВ указанными реагентами в потоке осушенного газа-носителя (воздух) в течение 10, 20, 30 минут при 80 °C.

Рис. 1. Принципиальная схема установки молекулярного наслаивания: 1 — микрокомпрессор, 2, 3 — система осушки; 4 — ротаметр; 5 — ёмкость с жидким реагентом; 6 — реактор с нихромовой обмоткой; 7 — лабораторный автотрансформатор; 8– термопара; 9 — ПИД-регулятор; 10, 11 — барботеры с дистиллированной водой; 12–19 — краны

Перед проведением синтеза проверяли герметичность всех элементов предварительно собранной установки, в реактор загружали образцы ППВ, закрепляли термопару в кармане реактора, устанавливали необходимую температуру на ПИД-регуляторе.

Продувку реактора 6 с образцами ППВ проводили в потоке осушенного газа-носителя (воздуха) в течение 40 минут для удаления физически сорбированной воды и загрязнений. Температуру синтеза подбирали таким образом, чтобы полимер не претерпевал никаких фазовых превращений. Блок осушки 2, 3, включающий в себя последовательно подключенные адсорберы с цеолитом, силикагелем и P ₂ O ₅ , позволил добиться степени осушки воздуха, нагнетаемого микрокомпрессором 1, до точки росы -55 °C.

Далее осуществлялась обработка полипропиленового волокнита парами галогенидов, подаваемых в реактор потоком осушенного воздуха (процесс хемосорбции). После окончания стадии хемосорбции удаляли избыток реагента и побочный продукт реакции (хлороводород) из реактора в барботер с водой 10 с помощью продувки реактора осушенным воздухом. Парофазный гидролиз осуществляли аналогичным образом. После завершения гидролиза из реактора также удаляли избыток паров воды и побочный продукт реакции (хлороводород) . Об окончании процесса судили по прекращению выделения хлороводорода.

Таким образом, были синтезированы монокомпонентные фосфор-, хром-, ванадий- и титаноксидные структуры на полипропиленовом волокните.

Энергетические характеристики поверхности исходного ППВ и модифицированных образцов определяли путем измерения краевых углов смачивания двумя тестовыми жидкостями (водой и глицерином) с помощью прибора DSA14 (фирмы KRUSS, Германия).

Установлено, что модифицирование поверхности ППВ элементоксидными структурами приводит к незначительному изменению смачиваемости полученных композиционных образцов по сравнению с исходным полимером (таблица 1).

Так, в результате обработки ППВ парами POCl ₃ , TiCl ₄ и VOCl ₃ краевой угол смачивания водой уменьшается на 1,2°-5,1°. Образование хромоксидных структур на ППВ приводит к более интенсивному уменьшению краевого угла смачивания водой на 7,7°, и, соответственно, к большей гидрофилизации волокон полипропилена.

Таблица 1

Значения краевых углов смачивания для исследуемых образцов

№	Образец	Время хемосорбции, мин	Краевой угол смачивания, θ, °
			Вода	Глицерин
1	ПП-исх	-	123,6±1,2	126,7±0,5
2	ПП-P-10	10	122,8±1,5	125,9±1,0
	ПП-P-20	20	122,4±1,6	125,4±0,5
	ПП-P-30	30	123,5±2,0	125,3±0,5
3	ПП-Ti-10	10	120,7±2,0	123,4±0,9
	ПП- Ti-20	20	119,8±1,6	123,1±0,2
	ПП-Ti-30	30	119,2±0,9	122,7±1,1
4	ПП-V-10	10	119,1±1,3	122,6±0,7
	ПП- V-20	20	119,1±1,6	122,1±0,9
	ПП-V-30	30	118,5±1,4	121,9±1,4
5	ПП-Cr-10	10	115,9±1,7	119,3±1,1

На основании полученных экспериментальных данных рассчитали свободную энергию поверхности и ее полярную и дисперсионную составляющие по методу Фоукса [3]. Для модифицированных образцов ППВ характерно незначительное увеличение поверхностной энергии по сравнению с исходным полимером (рисунок 2).

Обработка ППВ фосфор-, титан- и ванадийоксидными структурами приводит к увеличению на 0,30–1,68 мДж/м ² свободной энергии образцов по сравнению с исходным полимером. Однако, фосфорсодержащие образцы ППВ отличаются уменьшением свободной энергии поверхности и, в частности, ее полярной составляющей, с увеличением времени обработки ППВ парами оксохлорида фосфора (V).

Рис. 2. Свободная энергия поверхности исходного ППВ и модифицированных образцов

Самой высокоэнергетической является поверхность полимера с хромоксидными структурами, так как свободная энергия поверхности составляет 7,42 мДж/м ² .

Литература:

1. Кочеткова, А. С. Исследование нанокомпозитов на основе поливинилхлорида методами атомно-силовой микроскопии / А. С. Кочеткова, Н. Ю. Ефимов, Е. А. Соснов // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. — 2013. — № 1 (165). — С.114–119.
2. Малыгин, А. А. Технология молекулярного наслаивания и некоторые области ее применения / А. А. Малыгин // Журнал прикладной химии. — 1996. — Т. 69. — № 10. — С. 1585–1593.
3. Fowkes, F. M. Attractive forces at interfaces / F. M. Fowkes // Industrial and Engineering Chemistry. — 1964. — Vol. 56, No 12. — P. 40–52.