CC BY
25
Химические науки / Chemical Science Оригинальная статья / Original Article УДК 669. 017 / UDC 669. 017
Прикладные аспекты фрактальной модели аутогезии полимеров
© 2016 Яхьяева Х. Ш. 1 Козлов Г. В. 2, Магомедов Г. М. 3, Исаев З. А. 1
Гамзаева З. Б. 1 Умалатов А. А. 1
1 Дагестанский государственный аграрный университет им. М. М. Джамбулатова,
Махачкала, Россия; e-mail: [email protected] 2 Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х. М. Бербекова,
Нальчик, Россия; e-mail: [email protected] 3 Дагестанский государственный педагогический университет, Махачкала, Россия; e-mail: [email protected]
РЕЗЮМЕ. Предложены фрактальные модели аутогезии для описания класса полимерных композиций, позволяющих получать новые материалы, не прибегая к синтезу новых полимеров. Совместимость полимеров может быть достигнута изменением структуры их макромолекулярных клубков.
Ключевые слова: аутогезия, макромолекулярный клубок, полимерные смеси.
Формат цитирования: Яхьяева Х. Ш., Козлов Г. В., Магомедов Г. М., Исаев З. А., Гамзаева З. Б., Умалатов А. А. Прикладные аспекты фрактальной модели аутогезии полимеров // Известия Дагестанского государственного педагогического университета. Естественные и точные науки. Т. 10. № 3. 2016. С. 33-38.
Applied Aspects of the Fractal Model of the Polymers Autohesion
© 2016 Khasaybat Sh. Yakhyaeva 1, Georgy V. Kozlov 2, Gasan M. Magomedov 3, Zaynudin A. Isaev 1, Zoya B. Gamzaeva 1, Abdylkadar A. Umalatov 1
1 M. M. Dzhambulatov Dagestan State Agrarian University, Makhachkala, Russia; e-mail: [email protected] 2 Kh. M. Berbekov Kabardino-Balkarian State University, Nalchik, Russia; e-mail: [email protected] 3 Dagestan State Pedagogical University, Makhachkala, Russia; e-mail: [email protected]
ABSTRACT. The authors of the article offer the fractal models of autohesion to describe a class of polymer compositions that allow to obtain new materials, without resorting to the synthesis of new polymers. The compatibility of the polymers can be achieved by changing the structure of their macromolecular coil. Keywords: autohesion, macromolecular ball, polymeric mixes.
For citation: Yakhyaeva Kh. Sh., Kozlov G. V., Magomedov G. M., Isaev Z. A., Gamzaeva Z. B., Umalatov A. A. Applied Aspects of the Fractal Model of the Polymers Autohesion. Dagestan State Pedagogical University. Journal. Natural and Exact Sciences. Vol. 10. No. 3. 2016. Pp. 33-38. (In Russian)
Введение
Полиэтилентерефталат (ПЭТ) и поли-бутилентерефталат (ПБТ) используются много лет в качестве конструкционных
материалов, обладающих многими полезными свойствами. Смеси ПЭТ/ПБТ вызывают особый интерес в силу своих хороших химических, механических и
••• Известия ДГПУ. Т. 10. № 3. 2016
••• ОЭРи JOURNAL. Уо!. 10. N0. 3. 2016
термических свойств, что дает широкую перспективу их практического применения [7; 8; 10; 12].
Материалы и методы исследования В работе [13] были исследованы указанные смеси, полученные двумя способами: непосредственно инжекционным литьем и сначала экструзией, а затем инжекционным литьем. Было показано, что эти способы дают смеси ПЭТ/ПБТ с сильно различающимися физико-химическими свойствами. Поэтому выполнено исследование причин этого сильного различия свойств для двух способов получения смесей ПЭТ/ПБТ [13].
Результаты и их обсуждение Испытания показали, что ударная вязкость смесей ПЭТ/ПБТ, полученных двумя указанными выше способами, сильно различается - полученные только ин-жекционным литьем образцы имеют значения Ар в среднем в 3,5 раза ниже, чем аналогичные образцы, полученные экструзией и затем инжекционным литьем.
Следует предположить, что указанные различия обусловлены изменением уровня взаимодействия полимерных компонентов смеси, поскольку ПЭТ и ПБТ имеют разные температуры плавления Гпл (527,3 и 498,2 К, соответственно) [13], но увеличение содержания ПБТ в смеси резко снижает ее , которая приближается к соответствующей величине для ПБТ. Оценить указанный уровень можно с помощью параметра взаимодействия Флори-Хаггинса в [1], который оценивается применением уравнения [4]:
^ = 1, 5 0 + 0,45/4в,
(1)
где - фрактальная размерность мак-ромолекулярного клубка полимера.
Для определения размерности Ну сначала оценим фрактальную размерность структуры смеси с помощью уравнения [2]:
Ян
0,07 + 0,61п
за
з-а
(2)
где - микротвердость по Бринеллю, <7Т- предел текучести. Затем можно определить величину согласно уравнению, полученному для линейных полимеров [11].
На рисунке 1 приведены зависимости параметра взаимодействия Флори-Хаггинса от состава рассматриваемых смесей для двух способов их получения.
Рис. 1. Зависимости параметра взаимодействия Флори-Хаггинса ^ в от содержания ПБТ С п Б т в смесях ПЭТ/ПБТ для исходных полимеров (1)
и образцов смесей, полученных экструзией и инжекционным литьем (2) и только инжекционным литьем (3) [4]
Как можно видеть, экструзия и последующее инжекционное литье дают ожидаемую монотонную зависимость ( ), которая включает и данные для исходных полимеров, тогда как только инжекцион-ное литье резко снижает уровень взаимодействия компонентов в смесях ПЭТ/ПБТ. Следует ожидать, что именно этот фактор определяет различие их механических свойств, особенно ударной вязкости, при использовании указанных методов их переработки.
Для подтверждения этого предположения на рисунке 2 приведена зависимость ударной вязкости от параметра взаимодействия Флори-Хаггинса для рассматриваемых смесей. Указанная зависимость линейна и демонстрирует рост по мере увеличения . Характерно, что для смесей, полученных исключительно инжекционным литьем, наблюдаются только отрицательные значения , а для полученных экструзией и последующим инжекцион-ным литьем - только положительные значения /4в в интервале 0,133^0,296. Как известно [1], величина /4 в для хороших растворителей варьируется в пределах 0,2^0,3, что согласуется с указанным выше интервалом для смесей с двухстадийным получением, который показан на рисунке 2 заштрихованной областью.
Ар, кДж/м2
Синь масс. %
Рис. 2. Зависимость ударной вязкости Ар от параметра взаимодействия Флори-Хаггинса Хав для смесей ПЭТ/ПБТ, полученных экструзией и инжекционным литьем (1) и только инжекционным литьем (2). Заштрихованная область указывает интервал хав для совместимых полимеров [4]
Ар, кДж/м2
Рис. 3. Зависимость ударной вязкости Ар от числа пересечений (контактов) макромолекулярных клубков для смесей ПЭТ/ПБТ
С „ D
Рис. 4. Соотношение между параметром взаимодействия Флори-Хаггинса хав и числом пересечений (контактов) макромолекулярных клубков для смесей ПЭТ/ПБТ
••• Известия ДГПУ. Т. 10. № 3. 2016
••• DSPU JOURNAL. Vol. 10. No. 3. 2016
Это соответствие предполагает, что предварительная экструзия обеспечивает смесям ПЭТ/ПБТ удовлетворительную совместимость. Применение только ин-жекционного литья смещает величину для этих смесей в область отрицательных значений, где при совмести-
мость невозможна [1].
Обозначения те же, что и на рис. 2 [5].
В рамках фрактального анализа число пересечений (контактов) макромолекуляр-ных клубков определяется согласно соотношению:
Полагая в первом приближении
= 1 0 н м [13], можно оценить величину
VVK в относительных единицах. На рисун-
1/2
ке 3показана зависимость
Ap(VK' ) (такая форма зависимости выбрана с целью ее линеаризации) для рассматриваемых смесей. Как и следовало ожидать, увеличение числа контактов макромолекулярных клубков смесей полимеров приводит к росту их ударной вязкости. Величина определяет полностью вытянутую полимерную макромолекулу, и это объясняет причину снижения величины для полученных инжекционным литьем смесей, поскольку этот метод предполагает существенную ориентацию полимерных цепей [3]. Предварительная экструзия, образуя контакты (пересечения) макромоле-кулярных клубков, препятствует избыточной ориентации в процессе последующего инжекционного литья и сохраняет высокий уровень совместимости этих полимеров. Это предположение подтверждается данными рисунка 4, где приведена зависимость ( ) для смесей ПЭТ/ПБТ, которая демонстрирует увеличение парамет-
ра взаимодействия Флори-Хаггинса по мере роста вплоть до интервала
, характеризующего совместимость компонентов полимерных смесей.
Рассмотрим причину увеличения параметра при экструзии смесей. Как известно, и теория рептации [9], и фрактальный анализ [6] предсказывают повышение прочности на сдвиг аутогезионного соединения по мере увеличения продолжительности ее формирования, как функции . При типичной продолжительности экструзии 5 мин (300 с) это приводит к росту Л?к примерно в 4,2 раза, что практически точно соответствует увеличению этого параметра для рассматриваемых смесей согласно соотношению (3) (рис. 3, 4).
Заключение
Таким образом, выше предложено теоретическое обоснование экспериментально наблюдаемого большого различия механических свойств смесей ПЭТ/ПБТ при разных способах их получения.
Применение только инжекционного литья существенно снижает уровень взаимодействия между компонентами смеси вследствие влияния.
Обозначения те же, что и на рис. 2 [5] ориентационных эффектов. Предварительная обработка смесей в экструдере обеспечивает достаточно большое число пересечений (контактов) макромолекулярных клубков полимерных компонентов и приводит к нивелированию эффектов ориентации. Наиболее важными выводами являются: увеличение совместимости полимеров может быть достигнуто изменением структуры их макромолекулярных клубков; фрактальная модель аутогезии может быть применена в прикладных целях.
Литература
1. Будтов В. П. Физическая химия растворов полимеров. СПб.: Химия, 1992. 384 с.
2. Джангуразов Б. Ж., Козлов Г. В., Микитаев А. К. Структура и свойства нанокомпозитов полимер/органика. М.: Изд-во РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2013. 316 с.
3. Калинчев Э. Л., Саковцева М. Б. Свойства и переработка термопластов. Л.: Химия, 1983. 288 с.
4. Козлов Г. В., Микитаев А. К. Фрактальная физика синтеза полимеров. М.: Изд-во РХТУ им. Д. И. Менделева, 2014. 341 с.
5. Микитаев М. А., Яхьяева Х. Ш., Козлов Г. В. Влияние типа переработки смесей полиэтиленте-рефталат/полибутилентерефталат на их ударную
вязкость // Известия Кабардино-Балкарского государственного университета. 2014. Т. 4. № 6. С. 57-61.
6. Яхьяева Х. Ш., Козлов Г. В., Магомедов Г. М., Заиков Г. Е. Временная зависимость прочности аутогезионного соединения: диффузионная модель // Клеи. Герметики. Технологии. 2015. № 10. С. 34-37.
7. Avramova N. Amorphous poly (ethylene ter-ephthalate)/poly (butylene terephthalate) blends: mlsclblllty and properties. Polymer. 1995. Vol. 36. No. 4. P. 801-808.
8. Aravinthan G., Kale D. D. Blends of poly (ethylene terephthalate) and poly (butylene ter-
ephthalate). J. Appl. Polymer Sci., 2005. Vol. 98. No. 1. P. 75-82.
9. Doi M., Edwards S. F. The Theory of Polymer Dynamics. Oxford, Clarendon Press, 1986. 392 p.
10. Guezzica-Echevazzia G., Equiazabal J. I. Structure and mechanical properties of impact modified poly (butylene terephthalate)/poly (ethylene terephthalate) blends. Polymer Engng. Sci. 2009. Vol. 49. No. 11. P. 1013-1021.
11. Kozlov G. V., Temiraev K. B., Shustov G. B., Mashukov N. I. Modeling of solid state polymer
1. Budtov V. P. Fizicheskaya khimiya rastvorov polimerov [Physical chemistry of polymer solutions]. Saint Petersburg, Chemistry, 1992. 384 p. (In Russian)
2. Dzhangurazov B. Zh., Kozlov G. V., Mikitaev A. K. Struktura i svoystva nanokompozitov po-limer/organika [Structure and properties of nano-composites polymer/organic chemistry]. Moscow, D. I. Mendeleev RChTU Publ., 2013. 316 p. (In Russian)
3. Kalinchev E. L., Sakovtseva M. B. Svoystva i pererabotka termoplastov [Properties and processing of thermolayers]. Leningrad, Khimiya Publ., 1983. 288 p. (In Russian)
4. Kozlov G. V., Mikitaev A. K. Fractal physics of synthesis of polymers. Moscow, D. I. Mendeleev RChTU Publ., 2014. 341 p. (In Russian)
5. Mikitaev M. A., Yakhyaeva Kh. Sh., Kozlov G. V. Influence like processing of mixes polyethyl-eneterephthalate/polyebuthyleneterephthalate on their impact toughness. Izvestiya Kabardino-Balkarskogo gosudarstvennogo universiteta [Proceedings of Kabardino-Balkarian State University], 2014. Vol. 4. No. 6. Pp. 57-61. (In Russian)
6. Yakhyaeva Kh. Sh., Kozlov G. V., Magomedov G. M., Zaikov G. E. Temporary dependence of auto-hesive connection durability: diffusive model. Klei. Germetiki. Tekhnologii [Glues. Sealants. Technologies], 2015. No. 10. Pp. 34-37. (In Russian)
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации
Яхьяева Хасайбат Шарабутдиновна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики, Дагестанский государственный аграрный университет им. М. М. Джам-булатова (ДГАУ им. М. М. Джамбулатова), Махачкала, Россия; e-mail: khasaybat@ bk.ru
Козлов Георгий Владимирович, старший научный сотрудник Управления научных исседований и иновационной деятельности, Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х. М. Бербекова, Нальчик, Россия; e-mail: [email protected]
Магомедов Гасан Мусаевич, доктор физико-математических наук, профессор, заве-
properties at the stage of synthesis: fractal analysis. J. Appl. Polymer Sci. 2002. Vol. 85. No. 6. P. 1137-1140.
12. Lee S. S., Kim J., Park M., Lim S., Choe C. R. Transesterification reaction of the BaSO4-filled PBT/poly (ethylene terephthalate) blend. J. Polymer Sci.: Part B: Polymer Phys. 2001. Vol. 39. No. 12. P. 2589-2597.
13. Szostak M. Mechanical and thermal properties of PET/PBT blends. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2004. Vol. 416. No. 2. P. 209-215.
7. Avramova N. Amorphous poly (ethylene ter-ephthalate)/poly (butylene terephthalate) blends: miscibility and properties. Polymer. 1995. Vol. 36. No. 4. P. 801-808.
8. Aravinthan G., Kale D. D. Blends of poly (ethylene terephthalate) and poly (butylene terephthalate). J. Appl. Polymer Sci., 2005. Vol. 98. No. 1. P. 75-82.
9. Doi M., Edwards S. F. The Theory of Polymer
Dynamics. Oxford, Clarendon Press, 1986. 392 p.
10. Guezzica-Echevazzia G., Equiazabal J. I. Structure and mechanical properties of impact modified poly (butylene terephthalate)/poly (ethylene terephthalate) blends. Polymer Engng. Sci. 2009. Vol. 49. No. 11. P. 1013-1021.
11. Kozlov G. V., Temiraev K. B., Shustov G. B., Mashukov N. I. Modeling of solid state polymer properties at the stage of synthesis: fractal analysis. J. Appl. Polymer Sci. 2002. Vol. 85. No. 6. P. 1137-1140.
12. Lee S. S., Kim J., Park M., Lim S., Choe C. R. Transesterification reaction of the BaSO4-filled PBT/poly (ethylene terephthalate) blend. J. Polymer Sci.: Part B: Polymer Phys. 2001. V.ol 39. No.12. P. 2589-2597.
13. Szostak M. Mechanical and thermal properties of PET/PBT blends. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2004. Vol. 416. No. 2. P. 209-215.
INFORMATION ABOUT AUTHORS Affiliations
Khasaybat Sh. Yakhyaeva, Ph. D. (Physics and Mathematics), assistant professor, the chair of Physics, M. M. Dzhambulatov Dagestan State Agrarian University (M. M. Dzhambulatov DSAU), Makhachkala, Russia; e-mail: [email protected]
Georgy V. Kozlov, senior researcher, Department of Scientific Research and Innovation Activities, Kh. M. Berbekov Kabardino-Balkarian State University, Nalchik, Russia; email: [email protected]
Gasan M. Magomedov, Doctor of Physics and Mathematics, professor, the head of the chair of General, Experimental Physics and Its
References
••• Известия ДГПУ. Т. 10. № 3. 2016
••• DSPU JOURNAL. Vol. 10. No. 3. 2016
дующий кафедрой общей, экспериментальной физики и методики ее преподавания, факультет физики, математики и информатики, ДГПУ, Махачкала, Россия; e-mail: gasan [email protected]
Гамзаева Зоя Билаловна, старший преподаватель кафедры высшей математики, ДГАУ им. М. М. Джамбулатова, Махачкала, Россия; e-mail: [email protected]
Исаев Зайнудин Абиевич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики, ДГАУ им. М. М. Джамбулатова, Махачкала, Россия; e-mail: [email protected]
Умалатов Абулкадар Абулкасумович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры высшей математики, ДГАУ им. М. М. Джамбулатова, Махачкала, Россия; e-mail: [email protected]
Teaching Methods, the faculty of Physics, Mathematics and Computer Science (FPMCS), DSPU, Makhachkala, Russia; e-mail: gasan_ [email protected]
Zoya B. Gamzaeva, senior lecturer, the chair of Advanced Mathematics, M. M. Dzhambulatov DSAU), Makhachkala, Russia; e-mail: [email protected]
Zaynudin A. Isaev, Ph. D. (Physics and Mathematics), assistant professor, the chair of Physics, M. M. Dzhambulatov DSAU, Makhachkala, Russia; e-mail: [email protected]
Abdylkadar A. Umalatov, Ph. D. (Physics and Mathematics), assistant professor, the chair of Advanced Mathematics, M. M. Dzhambulatov DSAU, Makhachkala, Russia; e-mail: [email protected]
Принята в печать 20.04.2016 г.
Received 20.04.2016.
