СОРБЦИОННЫЕ И ПЕРВАПОРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА КРЕЙЗОВАННОГО ПОЛИАМИДА - 6 Матушкина Н.Н.,Струсовская Н.Л.

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова


Номер: 4-1
Год: 2016
Страницы: 60-63
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

полиамиды, сорбция, крейзование, первапорация, polyamides, sorption, crazing, pervaporation

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Изучены кинетика и равновесие сорбции пленками из поли-ε-капроамид. Прослежено влияние процесса крейзования на набухание полиамидов и сорбционную емкость полимера, а также транспортные характеристики изотермического процесса первапорации в системе крейзованный ПА-6-вода-изопропанол. Показано, что в некоторых случаях можно на порядок увеличить сорбцию слабо сорбируемого вещества за счет использования дополнительных адсорбционных центров, возникших при набухании полимера.

Текст научной статьи

Введение. Алифатические полиамиды - полимеры, в составе макромолекул которых содержится амидная связь и метиленовые группы. Полиамид, полученный на основе ε-капролактама, называют полиамидом-6 (в зарубежной литературе найлон-6). Алифатические полиамиды обладают хорошими механическими свойствами, что обусловлено высокой степенью кристалличности и наличием межмолекулярных водородных связей. Так как механизм испарения жидкостей через полимерную непористую мембрану включает в себя стадии сорбции, диффузии и десорбции, то следует обращать внимание на все эти стадии. По сорбционным свойствам полиамиды можно отнести к умеренно набухающим полимерным сорбентам. Специфика набухающих полимерных сорбентов состоит в том, что для них характерна лабильная структура и макроскопические сорбционные деформации. Диффузионный массоперенос осложнен взаимодействием пенетранта с набухающей мембраной, что приводит к появлению индуцированного свободного объема и к интенсификации релаксационных процессов или, иными словами, к модификации надмолекулярной структуры полимера. В работе был использован полиамид-6 (ПА-6), вытянутый в диоксане, которым он смачивается, но в котором не набухает. В процессе вытяжки в такой среде образуются зоны пластической деформации материала, состоящие из высокоупорядоченной фибриллярно-пористой структуры полимера, получившей название крейзов. Крейзы располагаются перпендикулярно направлению вытяжки. Сам крейзинг обусловлен дестабилизирующим действием механического напряжения и потери устойчивости структуры полимера [1, 57]. Изменение транспортных свойств крейзованного материала априори предсказать невозможно. «Раскрытие» структуры полимера и увеличение свободного объема при набухании приводит к росту производительности, но будет отрицательно влиять на селективность. Возрастание кинетической подвижности фрагментов полимерной цепи и интенсивности релаксационных процессов могут привести к коллапсу крейзов. Целью данной работы являлось изучение сорбции пленками ПА-6 воды и жидкостей, относящихся к различным классам органических соединений и выяснение влияния крейзования на первапорационные и сорбционные свойства полимеров. Объекты исследования и эксперимент Объектом исследования были промышленные пленки ПА-6 марки ПК-4 толщиной 100 мкм, ММ = 2,3 104 Да, степенью кристалличности 35%, плотностью 1,14 г/см3, температуру плавления 212 оС. Пленки подвергали вытяжке в диоксане, являющемся типичной адсорбционно-активной средой при крейзовании. Степень вытяжки (l) составляла 50, 90, 130 и 180 %. В качестве сорбатов использовали воду, изопропанол и диоксан. Сорбцию жидкостей полиамидами проводили по методике, описанной в [2, 95]. Степень набухания вычисляли по стандартному уравнению. При достижении максимальной степени набухания, которая не изменяется в течение длительного времени, применяли термин «равновесная степень набухания» (α∞). Первапорационные свойства изучали в системе ПА-6-вода-изопропанол. Эксперименты по первапорации проводили при 20оС в режиме испарения в вакуум. Прошедшие через мембрану пары конденсировались в ловушке охлаждаемой жидким азотом. Для расчета плотности потока (J) определяли массу сконденсированного вещества, различие в составе пермеата (Своды в пермеате) и исходного раствора (Своды в р-ре) характеризовало селективность разделения. Результаты и их обсуждение В таблице 1 приведены результаты сорбционных экспериментов на исходном и крейзованном ПА-6. Диоксан по отношению к ПА-6 является типичной адсорбционно-активной средой, поэтому вытяжка в нем ПА-6 сопровождается образованием крейзов. Как видно из таблицы 1, при крезовании ПА-6 наблюдается некоторое увеличение сорбции воды и изопропанола, причем оно больше при l = 50%. Следовательно, проницаемость полимера также должна возрасти, что мы и наблюдаем в действительности: она возрастает ~ в два раза (для воды 0,016 и 0,040 кг/м2час, а для изопропанола 0,010 и 0,020 кг/м2час), причем величины потока индивидуальных веществ для l = 50 и 90 % незначительно отличаются между собой. Таблица 1 Равновесная степень набухания крейзованного ПА-6 l, % 0 50 90 Сорбат α∞, % Вода 8,8±0,2 10,5±0,5 9,5±0,5 Изопропанол 8,8±0,1 10,9±0,8 9,7±1,2 Диоксан 1,4±0,2 - - Полученные данные хорошо согласуются с результатами по адсорбционным свойствам крейзованных полимеров, приведенным в [1, 91], и объясняются развитием межфазной поверхности при крейзинге, сопровождающееся образованием пор, которые схлопываются при высоких степенях растяжения, что мы и наблюдали при первапорации смеси вода-изопропанол через ПА-6. Рис. 1. Концентрационные зависимости плотности потока J в системе крейзованный ПА-6-вода-изопропанол в процессе первапорации при 20оС, S = 2 см2; l=: 1 - 0; 2 - 50; 3 - 90; 4 - 130; 5 - 180%. На рис. 1 для системы вода-изопропанол представлены концентрационные зависимости плотности потока крейзованного ПА-6 с различной степенью вытяжки в процессе первапорации. Полученные данныепоказывают, что крейзование приводит к увеличению проницаемости мембран. Следует отметить, что наиболее заметно проницаемость возросла при l=50 и 90%. Для l=130 и 180% проницаемость снижается. Это можно объяснить исходя из предложенного выше механизма возникновения крейзов [3, 451]. На первых этапах растяжения полимера в жидких средах на его поверхности происходит зарождение определенного количество крейзов, имеющих фибриллярно - пористую структуру. При дальнейшем растяжении зародившиеся крейзы растут в направлении перпендикулярном оси растяжения полимера до тех пор, пока не пересекут поперечное сечение образца. После этого происходит уширение крейзов, при котором крейзы увеличивают свои размеры в направлении оси растяжения. При этом происходит основное превращение полимера в ориентированное (фибриллизованное) пористое состояние. Но когда значительная часть полимера переходит в ориентированное фибриллизованное состояние, начитается коллапс пористой структуры, сопровождающийся уменьшением поперечного сечения деформируемого образца, что приводит к уменьшению его пористости, среднего размера пор и удельной поверхности. При этом крейзинг не оказывает существенного влияние на селективность изученных выше мембран (табл. 2). Таблица 2 Селективность разделения в системе крейзованный ПА-6-вода-изопропанол в зависимости от степени вытяжки полимера l, % 0 50 90 130 180 Своды в р-ре, об. % Своды в пермеате, об. % 100 100 100 100 100 100 70 94 92 90 95 95 50 85 90 80 85 95 30 75 80 70 70 70 15 55 60 60 60 60 0 0 0 0 0 0 По всей видимости, этот результат означает, что при используемых степенях вытяжки и толщине пленки не образуется сквозной пористости, т.е. к диффузионному механизму массопереноса не добавляется капиллярное течение. Таким образом, из полученных результатов следует, что крейзование ПА-6 повышает эффективность первапорационного разделения водно-органических систем без изменения селективности разделения. Авторы выражают благодарность сотрудникам кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова А.Л. Волынскому и А.А. Долговой за предоставленные полимерные материалы.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.