Модификация натрийборсиликатных микрошариков тонкими полиуретановыми пленками

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

МОДИФИКАЦИЯ НАТРИЙБОРСИЛИКАТНЫХ МИКРОШАРИКОВ ТОНКИМИ ПОЛИУРЕТАНОВЫМИ ПЛЕНКАМИ Н. В. Сиротинкин, А. В. Токарев, В. В. Бестужева, М.В. Успенская
Основное назначение тонких прозрачных пленок — изменение химических, электрических или оптических свойств поверхности материалов, из которых сделано изделие. Наиболее изученными пленкообразующими полимерами являются полистирол, полиметилакрилат, фторорганические и кремнийорга-нические составляющие. В результате химической реакции на поверхности стекла образуется тонкое полиуретановое покрытие, что подтверждается визуальным и оптическим контролем. Нами предпринята попытка оценить характеристики этой пленки.
Введение
В последние десятилетия все большее распространение в различных областях науки и техники приобретают сверхтонкие (от сотых долей до нескольких десятков микрометров) поверхностные пленки. Аппретирующие покрытия образуются за счет физических, химических или физико-химических процессов, которые протекают на поверхности твердого тела, придавая ему свойства, отличные от свойств того же вещества в массе. Они способны защитить подложку от разрушающего действия агрессивных атмосферных факторов, воды, паров органических жидкостей, кислот, щелочей, а также служить гидрофобизирующей изоляцией или покрытием, закрепляющим упроченное состояние поверхности.
Особым спросом пользуется модифицированное пленками стекло, использующееся для самых разных целей — от создания тончайших оптических устройств до тонирования оконных стекол.
Представляют интерес работы по аппретации стекла полимерами, применение которых позволяет регулировать уровень защиты от внешних воздействий, светопогло-щение в нужной области спектра, адгезионную способность выбором типа полимера, его микроструктуры, разветвленности, полярности, а также варьированием толщины наносимой пленки (изменением концентрации полимера в растворителе, скоростью испарения последнего, временем и температурой обработки).
Задача предлагаемого исследования состояла в модификации пленкой нанострук-турных размеров натрийборсиликатных микрошариков (СМШ) для улучшения их совместимости со связующей основой полимерстройматериалов.
Экспериментальная часть
В качестве пленкообразующего субстрата выбран полиуретан (ПУ), имеющий хорошую адгезию к стеклу при высокой устойчивости к механическим, температурным и физико-химическим нагрузкам.
В качестве объектов исследования выбраны СМШ, аппретированные путем осаждения пленки из растворов полиуретана. Для создания пленочного покрытия использовались стеклянные микрошарики фракционной серии 100−200 мкм и рабочие растворы полиуретанового термоэластопласта с концентрацией 2%.
Количественное определение толщины пленки выполнено также расчетным путем на основании гравиметрических опытов. Чтобы избавить исходный материал от следов возможных примесей, образцы СМШ подвергались термической обработке при 300 °C, а затем промывке чистым растворителем и чистым осадителем, используемыми в процессе аппретации. Во взвешенные с точностью до пятого знака фильтры Шотта помещались навески СМШ, которые после определения массы заливались рабочими растворами при модуле 1: 1 и выдерживались в них при температуре 20оС в течение 15 ч. Излишний раствор отжимался при остаточном давлении 10 мм рт. ст., а оставшийся на
фильтре слой СМШ обрабатывался осадителем при модуле 1,00: 0,75, после чего сушился до постоянной массы при температуре 100оС («24 ч).
С помощью дифференциально-сканирующего калориметра DSC 7 фирмы Perkin-Elmer исследованы теплофизические характеристики пленок. Кривые ДСК фиксируют тепловой поток, поглощаемый или выделяемый полимером на поверхности СМТТТ Скорость подъема температуры соответствовала 20оС/мин.
Обсуждение результатов
Предварительными опытами показано, что обработка СМШ различной дисперсности (& lt-29, 46−100, & lt-100, 100−200 мкм) раствором линейного полиуретана в апротон-ной жидкости с концентрацией 1−4%, а затем специально подобранным осадителем позволяет сформировать на сферической поверхности каждого из стеклянных элементов тонкую полимерную пленку. Подтверждением этому служит изменение цветового оттенка СМШ в том случае, когда в качестве покрытия берется окрашенный ПУ.
Для более достоверного доказательства наличия пленки на поверхности СМШ использовали металлографический исследовательский микроскоп МИМ-10, предназначенный для визуального наблюдения и фотографирования микроструктуры непрозрачных объектов. С этой целью формовали цилиндр из эпоксидной смолы, содержащей покрытые пленкой микрошарики размером 100 мкм. Отшлифованная и отполированная поверхность среза, где виден отдельный СМШ, представлена на рис. 1.
Полученные результаты свидетельствуют о значительно меньшем размере пленки по сравнению с диаметром стеклянных микрошариков, и дает ориентировочную оценку толщины — не более 2−10& quot-4 см.
10
L — 1−1
Рис. 1. Аншлиф поверхности с микрошариками в полиуретановой оболочке
при увеличении 2000х
Предварительное термическое разложение используемого полимера выявило на характеристической кривой минимум, соответствующий экзотермическому эффекту при 460оС, и позволило определить температурный диапазон проведения экспериментов (область 250−600° С).
У, мВт
Рис. 2. Кривая разложения аппретирующего полиуретана
На рис. 2 и 3 приведены кривые, которые получены при исследовании в аналогичном режиме микрошариков в полиуретановой оболочке, полученной из рабочих растворов разной концентрации. Сравнение тепловых потоков разложения пленок разной толщины, сформированных путем использованием 2%-ных и 4%-ных полиуретановых растворов, свидетельствует о существенном различии тепловых эффектов.
Рис. 3. Кривая теплового потока разложения пленки, осажденной на СМШ из 2%-го полиуретанового раствора
Сопоставление площадей экзоэффектов разложения индивидуального ПУ и оболочек из него на поверхности СМШ позволяет оценить толщину покрытия из 2%-го
7 7
раствора в 1,27−10& quot- см, а из 4%-го — в 3,65−10& quot- см соответственно. Количество полимера на микрошариках, осажденного из 4%-го раствора, определялось через тепловые эффекты разложения известного количества индивидуального ПУ (0пу) и полимерсо-держащего покрытия СМШ (Осмш):
Шпу = Осмш ¦ Мпу / Опу ,
Шпу = (-10,3) • 3,55−10& quot-3/ (-8627,6) = 4,24 • 10−6 г, где Мпу — навеска индивидуального ПУ полимера.
Толщина пленки одного микрошарика определялась при условии сплошности и одинаковой толщины покрытия через найденные объем и площадь поверхности каждого СМШ. Привес материала за счет образовавшейся пленки составлял 0,051%.
мВт
30,50
22,40
т°, с
250,00
310,00
370,00
430,00
490,00
Рис. 4. Кривая теплового потока разложения пленки, осажденной на СМШ из 4%-го полиуретанового раствора
С использованием полученного результата рассчитывалась толщина образующейся на СМШ пленки. При этом вводилось допущение, что все шарики в навеске СМШ имеют идеально сферическую форму и абсолютно одинаковый размер. Тогда для СМШ фракции 100−200 мкм диаметр (ёш) одного шарика можно считать равным 150 мкм или 0,015 см.
При условии, что количество ПУ равномерно распределено по поверхности всех обработанных СМШ, толщину (?пу) образуемой им пленки можно рассчитать по формуле
Ьпу Упу • ^пу,
где? щ — объем полиуретановой пленки, покрывающей все СМШ в 1 см³ материала- Ху — площадь, на которой распределена пленка.
При допущении, что все СМШ покрыты бездефектной пленкой одинаковой толщины, значение 5'-пу практически идентично величине поверхности аппретированных шариков. Отсюда
Ьпу = Упу • бсмш = 2,60 • 10−6 см.
Оценка размеров пленок предложенными методами носит лишь приблизительный характер, так как исходит из допущения о сплошности и равномерности покрытия всех анализируемых СМШ.
Заключение
Методом переосаждения из разбавленных растворов получены тонкие пленочные покрытия полиуретановой природы на поверхности микродисперсных стеклянных шариков.
Методом дифференциально-сканирующей калориметрии установлена взаимосвязь толщины образующейся пленки от концентрации используемого полиуретанового раствора. Толщину поверхностной пленки исследовали микроскопически, калориметрически и гравиметрически.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой