Morfologie a vlastnosti vybraných systémů plnivo/kopolymer poly(ethylen-co-kyselina metakrylová)

Ing. Petr ZÁDRAPA

Doctoral thesis

The Morphology and Properties of Selected Filler/Poly(ethylene-co-methacrylic acid) Copolymer Systems

Abstract:

Fillers are the most frequently used additives for polymeric materials. Their addition into the polymer matrix leads to the modification of its processing or physical properties. Nowadays, active fillers sized in nanometres are often used. Originally, active fillers were mainly carbon blacks in rubber compounds. However, since the 1990s, a steep increase in the number of publications about nanoparticle based fillers has been seen, and clay minerals tend to be among those most studied. The reason is that, if their dispersion in a polymer matrix is good enough, even a small amount of these fillers can significantly change the desired properties of the resulting materials. The work herein presented is focused on the modification of clays for their application in a polyethylene copolymer matrix. Two representatives of the layered silicate group - vermiculite and montmorillonite, were studied. The structure of both is formed of thin layers of silicates, whose interlayer spacing can be increased by suitable modification. Interlayers usually contain inorganic cations which can be changed by bigger organic ones, in order to increase the interlayer distance and thus make the fillers more organophilic. While the initially studied montmorillonite was in a sodium form (i.e. with sodium cations only), the interlayers of the initial vermiculite contained various types of inorganic cations. Because of easier organophilization, the different types of cations in the vermiculite had first to be replaced by only one type. After this step, only one inorganic cation-type was present in both the vermiculite and the montmorillonite, and the inorganic cations were subsequently substituted for organic ones. The modified filler samples thus obtained were studied by X-ray scattering and thermo-gravimetric analysis. Fillers with the highest increase in interlayer distance caused by organic cation modification were compounded with the copolymer, and their effect on the composite properties was compared with commercially available nanofillers. Surlyn, the commercial copolymer of ethylene and methacrylic acid with acid groups partially neutralized by metal ions (e.g. by sodium or zinc), was used in this work as the polymer matrix. Several types of Surlyn were tested with different concentrations of methacrylic acid and different levels of its neutralization. These nanocomposites with Surlyn were characterized by X-ray scattering, microscopy, tensile property and gas permeability measurements. The effects of methacrylic acid concentration, ion type and methacrylic acid neutralization level on the resulting properties of the tested nanocomposites were then evaluated.

Abstract:

Plniva jsou jedny z nejčastěji používaných aditiv do polymerních směsí a jejich přídavek do polymerní matrice vede ke změně zpracovatelských a fyzikálních vlastností. Nyní se nejčastěji používají takzvaná aktivní plniva, jejichž rozměry jsou často v nanometrech. Původně plnily efekt aktivního plniva hlavně saze u kaučukových směsí. Ale od 90 let minulého století se výrazně zvyšuje zájem i o jiné typy plniv s rozměry v nanometrech. Velmi často jsou to zvláště jílové minerály. Důvodem je jejich výrazný vliv na výsledné vlastnosti kompozitu i při přídavku malého množství, zvláště pokud se dosáhne vysokého stupně disperze plniva v polymerní matrici. Předložená práce je zaměřená na úpravu jílu pro jejich použití v polymerní matrici s kopolymery polyetylénu. Studovány byly plniva reprezentující skupinu vrstevnatých silikátů, vermikulit a montmorillonit. Struktura obou plniv je složena ze silikátových vrstev, jejichž mezivrství obsahuje vyměnitelné kationty kovů. Tyto můžou být vyměněny za mnohem větší organické ionty, což vede ke zvýšení mezivrstevné vzdálenosti a navíc ke zvýšení kompatibility mezi plnivem a polymerem. Studovaný typ montmorillonitu v mezivrství obsahoval jenom jeden typ iontu (Na+), v mezivrství vermikulitu bylo přítomno několik různých anorganických kationtů. Pro snadnější modifikaci organickými kationty, musely být nejdříve převedeny na jeden typ iontu. Takto upravený vermikulit a následně i montmorillonit byly interkalovány organickými kationty. Vzorky plniv byly zkoumány pomocí rentgenové difrakce a termogravimetrické analýzy. Plniva s největší dosaženou mezivrstevnou vzdáleností byly vybrány pro přípravu kompozitních materiálů. Jako polymer byl použit Surlyn, což je kopolymer etylénu a kyseliny metakrylové, jejíž kyselé skupiny jsou částečně neutralizovány kovovými ionty (sodné nebo zinečnaté). Zkoušky se prováděly na několika typech Surlynu, lišících se v množství kyseliny metakrylové ve struktuře, stupni její neutralizace a iontu k tomu použitému. Nanokompozity ze Surlynu byly testovány pomocí rentgenové difrakce, zkoumaly se mechanické vlastnosti a propustnost na plyny. Vyhodnocován byl vliv stupně neutralizace kyseliny metakrylové a použitého iontu na konečné vlastnosti nanokompozitu.

Keywords

Kopolymer poly(ethylen-co-metakrylové kyseliny), interkalaci jílu, vermikulit, montmorillonit, plynopropustnost

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 11. 2011

Accessible from:: 28. 11. 2011

Thesis defence

• Date of defence: 19. 12. 2011
• Supervisor: doc. Ing. Jiří Maláč, CSc.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Substances