Ударопрочный полистирол: состав, способы получения, структура

Содержание
Введение
1 Получение ударопрочного полистирола
1.1 Общая характеристика полимера
1.2 Описание процесса получения
1.2.1 Сополимеризация стирола с каучуком
1.2.2 Совместная коагуляция латексов каучука и полистирола
1.2.3 Механохимический метод
2 Молекулярная и надмолекулярная структура
2.1 Молекулярная структура ударопрочного полистирола
2.2 Фазовая структура
3 Температурные переходы в ударопрочном полистироле
3.1 Термомеханические кривые
3.2 Изменение деформационных характеристик
Заключение
Список литературы

Напротив, в случае очень маленьких частичек трещины могут проходить слишком легко через частицы каучука. В частности, было отмечено, что величинаударной прочности смеси стирола с каучуком с увеличением интенсивности переработки проходит через максимум (рис. 18). Вместе с этим возрастает размер частиц каучука. Из этих данных было сделано заключение, что имеется оптимальная величина размера частичек каучука[1, c.377].Рис.18. Влияние интенсивности обработки смеси на вязкость бруска с надрезом3 Температурные переходы в ударопрочном полистиролеТак как в процессах переработки полимеров в изделия происходит, прежде всего, их деформация, то выбор для каждого конкретного метода оптимальной температуры переработки должен учитыватьспецифику и особенности деформационного поведения используемого полимера. Поэтому третий раздел курсовой работы посвящен температурным и релаксационным переходам, происходящим в ударопрочном полистироле. 3.1 Термомеханические кривыеПриступая к описанию указанных физических явлений, стоит особенно отметить, что так как большинство сортов ударопрочного полистирола состоят на 90% или более из полистирола, то его можно рассматривать как модифицированный полистирол общего назначения [1,c.378]. Указанныеранее физические особенности ПС устанавливаются посредством анализа термомеханической кривой (рис. 19).Рис. 19. Термомеханические кривые полистирола [12,c.169]: 1 –изотактический кристаллический ПС, 2 – атактический ПС, 3 – изотактический аморфный ПСВ данном случае нас интересует поведение атактического полистирола, составляющего матрицу УПС. Как видно изрис.19, если ПС нагреть до температуры выше температуры его стеклования (100оС), то он перейдетиз стеклообразного состояния в следующее релаксационное состояние – высокоэластическое, появится подвижность отдельных сегментов макромолекулярной цепи полимера. Материал станет более мягким и эластичным.При дальнейшем нагревании полимера выше некоторой температуры (для атактического полистирола ~140оС), называемой температурой текучести, надмолекулярные образования становятся столь нестабильными, что появляется возможность в относительном смещении цепей макромолекул друг относительно друга при приложении к нему внешней нагрузки.Таким образом, атактический ПС находится в высокоэластичном состоянии в интервале температур 100 - 140оС [12,c.169]Ударопрочный полистирол – однородная двухкомпонентная система и для нее характерно существенное уменьшение подвижности макромолекул ПС в граничном слое, обусловленное присутствием микродисперсийкаучука а также взаимодействием макромолекул ПС с его поверхностью. Это, в свою очередь, приводит к изменению структуры и релаксационных свойств граничного слоя. Ограничение молекулярной подвижности обусловливает возрастание средних времен релаксации: они тем больше, чем выше степень наполнения и дисперсность наполнителя и меньше гибкость макромолекул (в случае линейных полимеров), больше плотность трехмерной сетки. Выше температуры стеклования УПС возникают дополнительные релаксационные процессы, вызванные отрывом макромолекул от частиц наполнителя и их перегруппировкой.Уменьшение числа возможных конформаций макромолекулы в граничном слое приводит к изменению плотности упаковки аморфных полимеров и к изменению условий кристаллизации. Как видно изрис.20, с увеличением процента эластомеров плотность и жесткость матрицы возрастают, температурный коэффициент расширения, коэффициент диффузии и проницаемости обычно уменьшаются. Добавление эластомера (каучука) повышает температуру текучести УПС (в среднем – на 10-25оС для разных марок УПС), увеличивающуюся с ростом процентного содержания наполнителя [13,c.328].Рис.20. Термомеханические кривые полистирола: 1 – ненаполненный полимер, 2 – 5% эластомера, 3 – 20% эластомера [13,c.328]Также предполается, что увеличение механических потерь в системе при деформации в присутствии каучука приводит к возникновению местных очагов теплообразования и вызвать повышение температуры и, следовательно, облегчить вынужденно-эластическую деформацию полистирола. Каучуквызывает релаксационные β-переходы в полистироле, которые также способствуют диссипации энергии и росту микротрещин, заполненных ориентированным полистиролом. Это подтверждается практически одинаковым значением энергии активации смещения максимума потерь в каучуке, β-перехода и процесса образования микротрещин.Кроме того, высокая ударная вязкость может быть достигнута только при подвулканнзации каучука и наличии химической связи каучука с матрицей полистирола. Отмечено, что термические коэффициенты расширения ПС и каучука различаются почти в 4 раза (6.10-5 и 25.10-5). Наличие химических поперечных связен в каучуке и на межфазной границе обусловливает существование пространственно-напряженного состояния в каучуке и прилегающем слое ПС. Такое состояние вызывает отслоение каучука от полистирола при ударе и возникновение радиальных микротрещнн вокруг частиц. Если каучук не вулканизован и со средой не связан, то различие в термических коэффициентах расширения приводит к возникновению пустот либо в фазе каучука, либо на межфазной границе, и эффект усиления полистирола отсутствует [2, c.280].3.2 Изменение деформационных характеристикПрипроведении деформационных испытанийУПС в интервале температур от —100 до 70°Сбыло обнаружено три типа процессов разрушения:тип I — типичное хрупкое разрушение (от —100 до —68°С), не сопровождающееся пластической деформацией и помутнением; тип II — зарождение микротрещин сопровождается небольшой пластической деформацией и слабым помутнением; хрупкое разрушение на стадии роста микротрещин (от —68 до 10оС); тип III —разрушение преимущественно пластическое (от 10 до 0°С) сопровождается существенной пластической деформацией значительным помутнением[11, c.91].Было сделано предположение, что характер разрушения образца определяется способностью каучука крелаксациинакапливаемых спряжений присоответствующих температуре и продолжительности эксперимента. Так, при разрушении по типу I процессы релаксации в каучуке не могут протекать вообще, при разрушении по типу II каучук способен к релаксации на стадиизарождения микротрещин, но при последующем быстром росте трещин релаксационные процессы не успевают развиться. При разрушении по типу III каучук способен к релаксации на протяжении всего процесса разрушения. Очевидно, что эффективность каучука в упрочнении хрупкой матрицы должна зависеть от его температуры стеклования Тс.Чем ниже Тс, тем более высокие скорости нагружения, не вызывающие механического стеклования каучука могут быть достигнуты[11, c.92].Описанные выше закономерности были найдены для процессов разрушения ударопрочного полистирола при различных температурах и содержании каучука, которое является важнейшей характеристикой материала, определяющей как абсолютное значение прочности, так и наблюдаемый тип разрушения. Так, чем выше содержание каучука, тем при более низких температурах протекает разрушение по типу II. К примеру, при 20°С разрушение этого типа наблюдается только, если содержание каучука превышает 10% [11, c.92].Следует отметить еще одну особенность УПС, связанную с температурными переходами. Так, часто оказывается, что блеск поверхности деталей, изготовленных из УПС, хуже, чем блеск поверхностей деталей, изготовленных из полистирола общего назначения. Это связано с более разупорядоченной ориентацией макромолекул ПС, сополимера и частиц каучука в дисперсной фазе УПС по сравнению с обычным ПС.Чтобы свести данный эффект к минимуму, применяют несколько более высокую температуру прессования, чем в случае немодифицированного ПС, например, от 83 до 94 оС. На рис.21 показано, как влияет повышение температуры переработки на отражающую способность поверхности. Так, при более высокой температуре прессования отмечается заметное улучшение коэффициента отражения поверхности [1,c.382].Рис.21. Влияние температуры прессования на отражающую способность УПС [1,c.382]ЗаключениеВ первом разделе КР рассмотрены общие физические свойства ударопрочного полистирола и следующие способы его получения: сополимеризация каучука со стиролом, совместная коагуляция латексов каучука и полистирола и механохимический метод. Последние два метода в разной степени основаны на получении смесей каучука и полистирола. Особый интерес представляет самый распространенный в промышленности – первый метод, позволяющий получить сополимер каучука со стиролом. Состав полученного продукта: около 90% полистирола, полученного по реакции гомополимеризации, 5-6% сополимера каучука со стиролом и около 3-4% непрореагировавшего каучука.Во втором разделе работы рассмотрена молекулярная и надмолекулярная структура УПС. Так, ударопрочный полистирол представляет собой смесь следующих макромолекул: преимущественно атактического полистирола выступающего в роли полимеробразующей матрицы, сополимера стирола с каучуком и макромолекул каучука. Полистирол общего назначения, как и ударопрочный полистирол, имеет аморфную складчатую структуру. Материал состоит из маленьких частичек или капелек каучука, диспергированных в полистироле и окруженных тонким слоем сополимера выступающего в роли своего рода связющего между макромолекулами каучука и полистирола.В третьем разделе работы рассмотрены температурные переходы, характерные для полистирола. Температура текучести УПС выше, чем у обычного ПС, что объясняется присутствием микродисперсийкаучука а также взаимодействием макромолекул ПС с его поверхностью. Ограничение молекулярной подвижности обусловливает возрастание средних времен релаксации: они тем больше, чем выше степень наполнения и дисперсность наполнителя и меньше гибкость макромолекул (в случае линейных полимеров), больше плотность трехмерной сетки. Выше температуры стеклования УПС возникают дополнительные релаксационные процессы, вызванные отрывом макромолекул от частиц наполнителя и их перегруппировкой. Уменьшение числа возможных конформаций макромолекулы в граничном слое приводит изменяет плотность упаковки полимера и изменяет условия кристаллизации. Каучуквызывает релаксационные β-переходы в полистироле (термические коэффициенты расширения ПС и каучука различаются почти в 4 раза (6.10-5 и 25.10-5)), способствующие диссипации энергии и росту микротрещин, заполненных ориентированным полистиролом. Тип I — типичное хрупкое разрушение (от —100 до —68°С), не сопровождающееся пластической деформацией,тип II — зарождение микротрещин (от —68 до 10 оС),тип III —разрушение преимущественно пластическое (от 10 до 0°С).Список литературыХувник Р.Химия и технология полимеров.Т.II.Промышленные получение и свойства полимеров. Т.2. М.: Химия, 1965. – 512с.Полистирол. Физико-химические оснопы получения и переработки.Малкин А.Я, Вольфсон С.А., Кулезнев В.П., Файдель Г.Н. - М.: «Химия», 1975. - 288 с.Катаев В.М., Попов В.А., Сажин Б.И. (ред.) Справочник по пластическим массам. Т.1. Изд. 2-е, пер. и доп. – М.: Химия, 1975. - 448 с.«Полистирол ударопрочный» [Электронный ресурс]:http://www.chemport.ru/data/chemipedia/article_3014.htmlЛосев И.П., Тростянская Е.Б. Химия синтетических полимеров. 3-е изд. – М.: Химия, 1971. - 617 с.«Гомогенные пластические массы: Ударопрочный полистирол» [Электронный ресурс]: http://xtbmc0608.narod.ru/tpm/tpm2/181110.htmlКоршак В.В. Технология пластических масс. Учебник для ВУЗов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Химия , 1981. - 560с.Барг Э.И. Технология синтетических пластических масс. Ленинград, Госхимиздат, 1954. - 656 с.Егорова Е.И. (ред.) Синтез и свойства полимеров и сополимеров стирола. Сборник научных трудов. Ленинград, ОНПО Пластполимер, 1985. -196 с.Шур А.М. Высокомолекулярные соединения: Учебн. 3 изд., перераб. и дополн. М.: Высш. шк. 1981, 656 с.Мэнсон Дж., Сперлинг Л. Полимерные смеси и композиты. Пер. с англ. под ред. Ю. К. Годовского. Москва, Химия, 1979. - 440 с.Тагер А.А. Физико-химия полимеров. 4-е изд., перераб. и доп. Учеб.пособие для хим. фак. ун-тов / А. А. Тагер; под ред. А. А. Аскадского. - М. : Научный мир, 2007. - 573с.Энциклопедия Полимеров в трех томах. Ред. коллегия: В. А. Кабанов (глав.ред. ) и др. Т.2. Л. – Полинозные волокна. М.: Сов. Энц., 1977. - 1032 с.Бакнелл, К.Б.Ударопрочные пластики. – Л.: Химия, 1981. – 328 с.