Совершенствование химической технологии получения полимерно-волокнистых дублированных материалов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

КОКОРИНА Татьяна Михайловна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНО-ВОЛОКНИСТЫХ ДУБЛИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ

02.00.06. Химия высокомолекулярных соединений

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Докт. хим. наук, проф. В.Е. Дербишер

Волгоград, 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение_._;_;_ 5

I. Исследование информационных потоков в области химии и

химической технологии слоистых полимерных материалов_ 9.

1.1. Систематизация и классификация_._ 9

1.2. Основные тенденции развития исследований в период

1960-90 гг. . , ■_ 14

1.3. Особенности в мировой практике и России (1991-98 гг.)_ 16

1.4. Выводы о перспективности полимерных слоистых материалов

на трикотажной основе____■ • ;. 23

Заключение_ 24

II. Композиции для изготовления полимерных дублированных

материалов_;__- ... -_ 25

ПЛ. Состав и физико-механические свойства композиций

на основе полимеров уретановой группы_■ •• _ 26

II.2. Поливинилхлоридные (ПВХ) композиции для изготовления

дублированных материалов__ 30

П.З. Клеевые (адгезионные) композиции ______■ 34

Заключение___ 32

III. Получение и исследование трикотажных полотен из натуральных химических нитей в качестве волокнистой основы

полимерных дублированных материалов_ 33

III. 1. Трикотажные полотна с модифицированными диметил-

аминометилэтилметакрилатом поликапроамидными нитями_ 35

III.2. Исследование химических и физико-механических

свойств на основе комплексной оценки качества ____44

111.2.1. Разработка методики __ 44

111.2.2. Исследование физико-механических свойств и оценка

качества_______47

III.3. Графическое моделирование контактной зоны и влияние

строения трикотажа на площадь контакта__5 8

Заключение ^____;___62

IV. Технологи четкие особенности применения межфазной поликонденсации при, модификации трикотажной основы_;__63

IV. 1. Достижения при модификации трикотажных полотен , ___63

IV.2. Применение полиуретанов и полимерных производных

гидразина___67

IV.2.1. Модификация полиуретаноацилсемикарбазидами__73

IV.2.2. Модификация полиамидоуретанами __77

IV.2.3. Модификация гидразидами полимерных карбоновых

кислот _ _., • . . __79

80 81

V. Получение и исследование дублированных полимерных

материалов на трикотажной основе__82

V.l. Исследование полимеров уретановой группы__84

V.2. Исследование физико-механических свойств__89

V.3. Методики комплексной оценки качества ПДМ____93

V. 3.1. Ранговый метод__94

V.3.2. Комплексный показатель качества на основе ранжированной

функции желательности_____95

IV.3. Выбор модифицированных образцов для дублирования

на основе комплексной оценки качества_

Заключение

V;3.3. Комплексный показатель качества по методике Мехельса__98

Заключение_.__99

VI. Основные пути совершенствования химической технологии получения полимерных слоистых материалов на трикотажной

основе____ ........ __100

VI. 1. Анализ, новых возможностей_^__100

VI.2. Морфологический анализ полимер-волокнистых слоистых

материалов _ -__106

Заключение____110

VII. Методики проведения экспериментов__:___113

VII. 1. Выработка трикотажных полотен__113

VII.2. Синтез полимеров__114

VII.3. Физико-механические свойства____117

VII.3.1. Механические свойства____117

VII.4. Статистические расчеты и сервисные работы_.; ■ . ■ __119

Выводы__ ■ _^__120

Библиографический список___123

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время интенсивного развития мировой науки, техники и динамичного в условиях свободного рынка спроса на новые полимерные композиты, прочное место занимают композиционные и армированные материалы на волокнистой основе [1-3]. Среди этих материалов особая ниша отведена полимерным системам типа искусственной и синтетической кожи, используемым в машинно-, судостроении, других видах транспорта, в текстильной и легкой промышленности, в быту и т.д. Применение искусственных кож (представляющих собой дублированный материал) наряду с натуральными имеет большое значение для экономии естественных ресурсов для получения альтернативных материалов, удовлетворяющих требованиям новых, порождаемых временем интересов. '

Характерной особенностью полимерно-волокнистых слоистых материалов является их сложная гетерогенность из-за многослойности, многокомпонентности, ассортиментного богатства как структуры, так и волокнистой основы, адгезива, отделочных слоев, полимерных покрытий. В такой системе каждый слой, каждый элемент микро- и макроструктуры, отдельное волокно, участвуют в обеспечении прочности, гигиенических, теплофизических, эргонометрических свойств, долговечности и самое главное - определяют спрос потребителя, использующего при принятии решения наряду с эвристическими, количественные оценки.

Сегодня в качестве основы для производства таких дублированных материалов как, например, искусственные кожи используются практически все виды волокнистых материалов и это также создает свои трудности при принятии решения о финансировании и поддержке научного направления и производства. А далее возникает цепная реакция. Сама текстильная основа состоит из волокон разной химической и физической природы, начиная с отходов текстильного и химического производства и кончая супердорогими высокомодульными с особой структурой волокнами, комплексными нитями, пряжей, используемыми, например, в защитной одежде космонавтов, а в качестве покрытий и адгезива применяются

композиции на основе высокомолекулярных или олигомерных соединений, точно труднооп-ределяем.ого ассортимента [1-4].

Можно указать также на то, что, в частности, в производстве полимерных дублированных композитов, которые в основном являются объектом наших исследований, технологические возможности также очень богаты. Например, нанесение покрытий на основу производят из растворов, расплавов, пластизолей, дисперсий полимеров, появились и другие варианты. При этом, основу и полимерную матрицу можно варьировать в зависимости от назначения волокнистого композита и предъявляемых к нему быстроменяющихся требований. Закономерности, описывающие химическую технологию выработки и свойства этой группы полимерных композиционных материалов (ПКМ) также очень объемны и вряд ли могут быть предметом одной диссертационной работы (можно отметить уже защищенные диссертации [3, 5, 6], другие будут упомянуты в дальнейшем), особенно если попытаться каким-либо способом соединить эту обширную информацию вместе для того, чтобы извлечь конструктивную пользу, для выработки конкурентоспособного решения.

Поэтому в данной работе анализ состояния проблемы дан в формированном виде на основе использования статистических методов, наукометрии и информатики. Объект экспериментального исследования ограничен выборочным рядом ПКМ на трикотажной основе, которые в современных экономических условиях и частично ранее (так как работа выполнялась несколько лет) могли быть выработаны в лабораториях Волгоградского государственного технического университета на кафедре технологии высокомолекулярных и волокнистых материалов и при контактах с коллегами из других организаций. Более подробно актуальность научно-технологических работ в данной области прорисована в следующем разделе.

Актуальность работы подтверждается также тем, что она попадает в перечень приоритетных направлений фундаментальных исследований РАН по теме 3.14. Новые металлические, полимерные, композиционные материалы, конструкционная керамика, силикатные

материалы, в том числе с использованием оксидов, нитридов, карбидов (Постановление Президента РАН от 13.01.98 г.).

Отметим следующие особенности работы. В библиографический список в основном включены работы современного характера за последние пять лет, хотя многие более ранние всей актуальности не потеряли. Это связано с необходимостью сократить объем диссертации и с тем, что литературные источники не попавшие в библиографический список учтены в статистическом анализе (раздел I).

Это же касается и экспериментальных результатов, из которых выбраны наиболее характерные, иллюстрирующие методику исследования. Другие данные, учитывая широкое использование при получении и анализе результатов вычислительной техники, задействованы в базах данных, математических, эмпирических статистических, морфологических моделях, графических иллюстрациях и наших публикациях.

Автор постарался, учитывая сложности данного экономического периода в России не могущие сохраняться бесконечно, обосновать научную перспективу развития исследований в области химии и технологии производства ПКМ на трикотажной основе, разработать и обобщить в пределах своих возможностей теоретико-прикладные основы для дальнейшего совершенствования этих материалов и их химической технологии.

В каждом разделе широкое исследование серии объектов, после критического анализа и отбора на основе оценки количественных критериев качества приводит к 2-3-ем техническим решениям которые признаются оптимальными.

Научная новизна:

■ разработана комплексная методика совершенствования химической технологии получения полимерно-волокнистых дублированных материалов на основе трикотажных полотен;

■ способы химической модификации волокон путем проведения на их поверхности поликонденсации адаптированы к технологии получения полимерно-волокнистых

дублированных материалов;

■ разработаны и проверены расчетно-аналитические приемы классификации и сортировки полимерно-волокнистых дублированных материалов и их элементов на основе применения обобщенного количественного показателя качества;

■ разработаны, получены и систематически исследованы трикотажные полотна различной структуры и волокнистого состава в качестве основы при изготовлении полимерных волокнистых композиционных материалов типа искусственных кож;

■ впервые в данной предметной области для обоснования научной и информационной новизны построения исследования и формирования выводов использованы методы наукометрии: статистический анализ тематических информационных потоков, морфологический анализ, квалиметрия.

Практическая ценность работы.

Разработанные теоретические и химико-технологические приемы позволяют научно обоснованно проводить оптимизацию свойств полимерных материалов типа искусственных кож, включая генерацию патентно- и конкурентоспособных технических решений и их экспертизу. Значительно расширены возможности применения трикотажных полотен из химических комплексных нитей в технологии изготовления ПКМ. Проводилась работа по выпуску опытно-промышленных образцов искусственных кож на трикотажной основе в ПО (ныне акционерном обществе) «Химволокно» (г. Волжский, Волгоградской обл.) и ПО (ныне акционерное общество) «Каустик». Научно-теоретические результаты используются в учебном процессе ВолгГТУ в курсах «Химическая технология текстильных материалов», «Методы и средства исследования технологических процессов», «Методы технического творчества», «Технология трикотажа».

Автор выражает признательность научному руководителю и коллегам без помощи которых, особенно в последний наиболее трудный период, диссертация вряд ли была бы завершена.

I. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ ОБЛАСТИ ХИМИИ И ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГ™ СЛОИСТЫХ ПОЛИМЕРНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

1.1. Систематизация и классификация

В процессе постановки задачи, сформулированной в заголовке, для оценки ее перспективности и целесообразности разработки данного направления применены методы наукометрии [7] и информатики и сделана попытка отслеживания динамики развития научных и научно-производственных работ на основе сортировки публикаций за период с 1960 по 1998 гг. по реферативным журналам РЖ Химия и РЖ Легкая промышленность, а также на основе других региональных источников научно-технической информации, при этом, главной задачей было выявление наиболее актуальных и перспективных направлений научно-технических исследований и определение возможных новых конкурентоспособных областей проведения поисковых работ, а также создания и применения полимерных композиционных материалов, в основном типа искусственных кож.

Для этого отрабатывались следующие вопросы:

1) Классификация и морфологический анализ полимерных композиционных материалов со структурой близкой к натуральной коже;

2) Анализ развития химии и технологии искусственных кож и сопряжение его с современными научными, технологическими и потребительскими условиями; выявлены перспективные направления исследовании и проведено ограничение проблематики;

3) Анализ доступных информационных источников и сведение их к потокам, их качественный и количественный анализ на основе классификации и статистической обработки;

4) Определение условий, порождения новых проблем и новых областей исследования, новых химических технологий выбранного класса ПКМ;

5) Количественная и качественная оценка актуальности проблематики данной диссертационной работы.

Изучение основных опубликованных материалов [1, 6, 8, 9] позволило предложить обобщающую систематизацию полимерных композиционных материалов (ПКМ) типа искусственных кож, в основе которой использованы структурные и химические характеристики многослойных полимерных систем с учетом физико-химической природы конструктивных элементов, компонентов, специфики строения основы представленной на рис. 1-1. Необходимо отметить, что наибольшее распространение из ПКМ указанного класса получили дублированные материалы типа искусственной кожи на текстильной основе. Проведение полной классификации искусственных кож задача достаточно сложная по следующим причинам.

1) Искусственные кожи можно классифицировать: а) по химической природе эле-

*

ментов, входящих в ее состав; б) по физической структуре кожи и ее элементов; в) по практическому назначению; г) по физико-механическим и химическим свойствам; д) по количеству структурных (конструктивных) элементов; е) по способам получения (технологии); ж) по способам соединения элементов. Это частично отражено на рис. 1-2,1-3).

2) Постоянному обновлению и расширению вышеизложенных возможностей и использованию только приблизительного ассортиментного списка из-за неполной информации и ее быстрого пополнения.

Учитывая это, а также направленность работы и отвлекаясь от детализации, мы предлагаем использовать характеристики представленные на рис. 1-2 и 1-3. При этом, ПКМ выделенные на рис. 1-3 являются частью материалов включенных в классификацию рис. 1-2. Основная часть уточненных и детализированных характеристик в дальнейшем использована для исследования информации.

я

-о о

А

Ы »

И

о й 8 »5

а £

Й

а

о Й

3 §

О

ё

п> я о ш

тз щ § »

(Г о а о о >1 о

я

3

Я

0 м

а>

а р ►з

ч:

1

л

н ш

а ^

■а н

О

5 »

сг 3

® 2

№ я

й 1

Ч

3

-а

п>

о

О

о И о ьз и Е

а>

и а

£

о Я

о о

з

П5 И К сг

X

Я о

о «

11 сг 3

8 й 5 о лз а ас о

8с

О §

Я Й

0>

Я о а

о »

я

о

я

в » П § §

С О Ч! ~ ^ 1 * а

о

о 8

2 й 8( о 8<

ГЬ л ив инилхло рид РВХ)

Полиуретаны РУ)

Полиамиды РА)

Полиакрилаты РАК)

Нитроцеллюлоза (НЦ)

Поливинилацетат РВА)

Полиэфиры РЭ)

Сме цанньЕ

Полиэтилен

Полиэпоксиды Прочие

а о

8 Й

Я V о

1 !§ 1

Синтетические каучуки (СК)

Синтетические латекс ы (СЛ)

<&нол -,мочевиноальдеги даьЕ

О

я

ь» р

р н

<Т>

р

о о 2 Й сг я

(Г

ш

М я о я

р р

я о » о

о о о

я от я

о о я о

м _ о и

г> 0* 03 <-1 о со

1—1 о (Г а и н о X} о сг от << р •I

8 (Г

л 1 Й 0 1

Н

Э Р

Я Р

чз

О Я Р

1-3

я

р

я

сг

н

8

я

о

н

р

и

у*

и

го

-3

я

р

я

р

й

о

а

0)

в

р

я

я

р

й

я

р

-3

о Сй

о я

я о

о -э

со 8

(13 й

сг

я

о

8с

О ь я о о Ь)

о

К Ст4

х

о о Ь о Зс Ж сг а>

го

Ис .мех каракуль

Клеенки

Кэвры

я

о

К)

О о я о и я Е

<5 Ю

я ь Я а

Е Я X о о сг»

Кй

о н я

о Я О

Сг1 Я Ы О

о Я

И р

Я Я съ К

о й

со

о и £2

2 я о я

й о я я я о н о

'Ч

о

о

О £ Я о

и Я

я я о

6г< д

м Е

X

§

пз я

§ о

И

я о Й "С Л П>

я

За щггная оде яда

Оде яда для мото_спорта_

Гидрокостюмы

Перчатки

Иск жома

Нэвьв потребности -

Рукава (гормозньЕ , напорньЕ , всасьваюшре и др.)

РТИ

Лодки датрацы

НапольньЕ покрытия

Обтирочный мат лы -

Фяльтры

Шшыи др.

Новье области

Материалы для космического и авиационного ма цмнострое-ния

Штериалыдля медицины

о

^

о - я

"О ф

№ чз

■-3 га

1 8

О Л

<■< Я

СТ1 Е

о н ф

"О

Н

о §

о V о

в

§

Л

н

Л 43

о

Л

о

Л

Я

о

я га

Ф о

тз ►о

1 а

о л

% я Е

о н Ф

Т5

05

|-3

и

Ф

о

Й §

•о о й я сг

>—1

ф

о\ §

2 я о

я

ф

я с

ьо

I

X

•а-

«

и

я ц

ф

§

я о

3 §

§

я о

я

ф

И н я Е ф

а4 я

о •->

о

-9-

СО

я Е ф

л

3 п Й О

я о 3 Я

8.

л

а -з о а

<<

н о

Я

со

а о я я

(Г »

я о

<ч ф

ы 8 О

я к

Шс

X 65

•о

м

ч

Л "V о а и м Я

>1 43

£ г о

О я

•е-

«

Л п> о я

о <1 о от

а о

х а з з

А ф

о »

Бовье материалы и области применения

о

Рис. 1-3. Основные принципы систематизации многослойных материалов на текстильной основе ♦

1.2. Основные тенденции развития исследований в период

1960-90 гг.

Мы разделили исследуемый временной отрезок (1960-98 гг.) на две части: первый -1960-90 гг. и второй - 1991-98 гг., так как происходящие во второй период в России экономические процессы накладыва�