Основна частина

1.1 Вступні положення

Сучасна людина оточена великою кількість різних товарів, матеріалів й виробів, одержаних із застосуванням високомолекулярних сполук (полімерів) - це речовини, що мають високу молекулярну масу. Тож характеризуючи сучасну епоху можна сказати, що це " століття полімерів".

І це має сенс, адже ступінь використання полімерних матеріалів в соціальній сфері та економіці є важливим критерієм рівня НТП в країні. Вітчизняний й світовий досвід свідчать, що найраціональнішим вирішенням проблеми утворення полімерних матеріалів із унікально новими характеристиками є не розроблення нової сировини, а модифікація полімерів, яка вже випускається промисловістю.

Змішування полімерів й додавання спеціальних добавок – компатибілізаторів дає можливість не тільки поєднувати характеристики кількох компонентів, а й отримувати унікальні ефекти і сучасні матеріали з властивостями, що нехарактерні вихідним полімерам. Так, перероблення розплавів суміші полімерів є перспективним методом отримання волокон із діаметрами від декількох до десятих частин мікрометра. А ступінь реалізації останнього характеризується співвідношенням компонентів у суміші.

Полімерні дисперсії це складні об’єкти для досліджень. Для встановлення оптимальних параметрів переробки й визначення взаємозв’язку між складом суміші та процесом структуроутворення, що є фактором, який визначає характеристики виробів на їх основі, тож потрібне здійснення великої кількості багатофакторних експериментів. Останні пов'язані з певними витратами матеріалів й часу, тому що дослідження впливу кожного фактора відбувається окремо, при зафіксованих значеннях інших параметрів. Тому часто параметрам притаманні 4-5 різних рівнів варіювання.

Тож для повного дослідження об’єкта потрібно розглянути значну кількість комбінацій і це без врахування паралельних дослідів. Іноді число експериментів штучно скорочують за допомогою зменшення обсягу досліджуваного факторного простору чи числа значень факторів. У цих двох випадках зменшується ступінь вірності рішень, що приймаються за результатами експериментів.

Одним із шляхів, який дає можливість вести наукові дослідження швидкими темпами й дозволяє віднайти рішення, максимально приближені до оптимальних, при мінімальних витратах, є застосування математичних методів аналізу та планування експерименту.

Під експериментом розуміють сукупність операцій, що здійснюється над об'єктом дослідження з метою одержання інформації про його властивості.

Експеримент, в якому дослідник на свій розсуд може змінювати умови його проведення, називається активним експериментом. Якщо дослідник не може самостійно змінювати умови його проведення, а лише реєструє їх, то це пасивний експеримент.

Найважливішим завданням методів обробки отриманої в ході експерименту інформації є задача побудови математичної моделі досліджуваного явища, процесу, об'єкта. Її можна використовувати і при аналізі процесів і при проектуванні об'єктів. Можна отримати добре апроксимуючу математичну модель, якщо цілеспрямовано застосовується активний експеримент. Іншим завданням обробки отриманої в ході експерименту інформації є задача оптимізації, тобто знаходження такої комбінації впливають незалежних змінних, при якій обраний показник оптимальності приймає екстремальне значення.

Досвід - це окрема експериментальна частина.

План експерименту - сукупність даних визначають число, умови і порядок проведення дослідів.

Планування експерименту - вибір плану експерименту, що задовольняє заданим вимогам, сукупність дій спрямованих на розробку стратегії експериментування (від отримання апріорної інформації до отримання працездатною математичної моделі або визначення оптимальних умов). Це цілеспрямоване управління експериментом, що реалізовується в умовах неповного знання механізму досліджуваного явища.

У процесі вимірювань, наступної обробки даних, а також формалізації результатів у вигляді математичної моделі, виникають похибки і втрачається частина інформації, що міститься у вихідних даних. Застосування методів планування експерименту дозволяє визначити похибка математичної моделі і судити про її адекватності. Якщо точність моделі виявляється недостатньою, то застосування методів планування експерименту дозволяє модернізувати математичну модель з проведенням додаткових дослідів без втрати попередньої інформації і з мінімальними витратами.

Мета планування експерименту - знаходження таких умов і правил проведення дослідів при яких вдається отримати надійну і достовірну інформацію про об'єкт з найменшою витратою праці, а також представити цю інформацію в компактній і зручній формі з кількісною оцінкою точності.

1.2 Суть специфічного волокноутворення

Явище специфічного волокноутворення реалізується у відповідних умовах при течії розплавів суміші полімерів. У основі даного явища лежать мікрореологічні процеси такі, як деформація крапель компонентів дисперсних фаз, об'єднання рідких струменів у напрямку течії, їх розпадання на краплі, як термодинамічно нестійких. Керування цими процесами здійснюється за допомогою змінення ступеню сумісності компонентів суміші.

Змішування полімерів це досить відомий та широко застосовуваний метод модифікації властивостей полімерів. Сьогодні у технології полімерних матеріалів і хімії розвиток йде шляхом розроблення науково обґрунтованих принципів утворення композиційних матеріалів із керованим комплексом характеристик, а не у напрямку синтезу нових ВМС. Змішування полімерів дає змогу поєднувати властивості кількох компонентів, а також отримувати унікальні ефекти й нові матеріали із характеристиками, що непритаманні вихідним полімерам.

Характеристики полімерних матеріалів визначаються структурою, що утворюється у процесі переробки та під час змішування. Змінюючи склад суміші, умови деформування, хімічну природу полімерів можна отримувати різні види фазових структур в екструдерах сумішей полімерів: взаємопроникні сітки, волокноутворення, дисперсії крапель, мікроемульсії у краплях дисперсної фази, шарову морфологію. Дані свідчать, що ступінь сумісності компонентів виступає основним параметром, який дозволяє контролювати процес структуроутворення.

Фундаментальні співвідношення, які відображають термодинамічну рівновагу у дисперсних системах, стверджують наступне: найбільш дієвий фактор, який регулює параметри фазової структури це термодинамічна спорідненість компонентів.

Існує досить багато шляхів, щоб покращити сумісність полімерів у сумішах: реалізація специфічної взаємодії між кількома компонентами суміші; самокомпатибілізація за допомогою створення під час змішування у розплаві суміші нового співполімеру; додавання привитих та блок- співполімерів чи низькомолекулярних полімерних або олігомерних добавок, що здатні проявляти специфічні взаємодії із одним чи двома компонентами суміші; реактивне змішування, при якому відбувається змушена сумісність кількох полімерів через протікання хімічних реакцій між їхніми макромолекулами, чи реакцій, які мають місце між одним (чи кількома) компонентами суміші та добавкою.

Компатибілізатори це речовини, що покращують сумісність. Процес компатибілізації досліджують як явище модифікації між фазної поверхні й морфології сумішей полімерів. Полімерними сплавами часто називають компатибілізовані суміші полімерів.

Додавання у суміш полімерів компатибілізаторів є одним з найпоширеніших методів збільшення сумісності. Для прояви компатибілізуючої дії вони повинні мати у своїй структурі фрагменти (функціональні групи, блоки), частково сумісні чи сумісні з полімерами.

Ефективними будуть компатибілізатори, що забезпечують хоча б кілька із чисельної кількості специфічних чи хімічних взаємодій, які можливі між ними та змішуваними полімерами. Компатибілізатори знижують поверхневий натяг на між фазній межі у полімер-полімерних системах за допомогою створення специфічних взаємодіючих хімічних сполук. Але найбільш успішним є створення ковалентних зв’язків між макромолекулами змішуваних полімерів.

Початок наукових досліджень по утворенню полімерних сумішей із заданими характеристиками за допомогою додавання компатибілізаторів розпочався в 60-х роках минулого століття. Цей спосіб керування сумісністю компонентів використовується дуже широко та є найбільш досліджуваним. Як компатибілізатори використовують різні речовини: плавкі солі, олігомери, співполімери і гомополімери. Найбільше застосування знайшли графт-, блок- і статистичні співполімери, що можуть бути реакційно чи не реакційно здатні.

Одними з самих досліджуваних є суміші, що основані на поліпропілену. Це зумовлене комплексом механічних властивостей даного полімеру у мокрому та сухому стані, хемо- й біологічною стійкістю і широким його використанням, в тому числі для виготовлення волокон. Модифікація даних сумішей отримується додаванням у бінарну систему реакційних компатибілізаторів – хімічно модифікованою акриловою кислотою або малеїновим ангідридом поліпропілену, чи нереакційних блок співполімерів на основі поліпропілену, що можуть створювати специфічні взаємодії із компонентами суміші й покращувати їх термодинамічну спорідненість.

Поліпропілен має комплекс цінних властивостей, але водночас він термодинамічно несумісний із значною кількістю полімерів. Щоб покращити сумісність полімерів у суміші ПП/ПА-6 потрібно ввести реакційний прищеплений співполімер пропілену із малеїновим ангідридом (ПП-МА). Нитки, що будуть сформовані з сумішей із добавкою 0, 25-4, 0 мас.% співполімеру, матимуть матрично-фібрилярну структуру. Щоб зменшити діаметр мікроволокон, необхідно збільшити кількість ПП-МА. Орієнтація макромолекул поліпропілену у компатибілізованих сумішах також збільшуватиметься.

Дані ефекти пояснюють компатибілізуючою дією співполімеру, яка утворилася на межах поділу фаз за допомогою хімічної реакції між макромолекулами ПП-МА й ПА-6.

Аналіз сумішей ПП/СПА показує, що волокноутворення ПП у матриці СПА не є чітко вираженим через їхню термодинамічну несумісність: більше 40 мас.% ПП тратиться на створення плівок, частинок й коротких волокон. Для покращення волокноутворення потрібно ввести добавки компатибілізаторів – ПОМ, СЕВА й олеату натрію.