Технология магнитных носителей информации

МИНИСТЕРСТВО  КУЛЬТУРЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ

 

 

 

Кафедра технологии полимеров и композитов

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

ТЕХНОЛОГИЯ  МАГНИТНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ИНФОРМАЦИИ

 

Вариант 8

 

 

 

 

Выполнила студентка

943 группы

Лю Е.К.

Шифр 5058

 

Санкт-Петербург

2014

Пластификаторы связующих  полимеров

К физико-механическим свойствам полимерной пленки, образующей рабочий слой магнитных лент, предъявляются особые требования. Эти требования обусловлены тем, что такие пленки не существуют как самостоятельные образования, а связаны адгезионными силами с основой. Они должны обладать высокой твердостью, повышенной износостойкостью наряду с хорошей эластичностью и адгезией к основе. Для придания рабочим слоям магнитных лент эластичности в их состав вводят пластификаторы. Большинство работ, связанных с пластификацией, посвящено исследованию однокомпонентных систем полимеров. Работ же, посвященных влиянию пластификации на свойства наполненных полимеров, к которым можно отнести суспензии магнитных порошков, известно мало. Поэтому кратко рассмотрим роль пластификаторов в формировании физико-механических свойств рабочего слоя из суспензии, подобной наполненной полимерной системе

В процессе приготовления суспензии  магнитного порошка в растворе связующего полимера большое значение имеет  адсорбционное и адгезионное взаимодействие макромолекул с поверхностью частиц магнитного порошка. Естественно предположить, что такое взаимодействие окажет влияние на процесс пластификации наполненного полимера, так как пластификатор будет облегчать сегментальную подвижность макромолекул и принимать участие в их взаимодействии с поверхностью твердой фазы.

Экспериментально установлено, что при одном и том же содержании пластификатора более резкое снижение температуры стеклования, характеризующее пластифицирующий эффект, происходит у пленок из наполненного полимера. Таким образом, можно предположить, что пластификатор сильнее влияет на связи между макромолекулами полимера и наполнителем, т. е. на связи, определяющие повышение температур стеклования наполненных полимеров. Увеличение содержания пластификатора выше определенного предела приводит к тому, что температура стеклования пленок из наполненных полимеров становится выше, чем у пленок из ненаполненных.

Взаимодействие пластификатора с  наполненным полимером объясняют, используя представления о межпочечной пластификации , следующим образом .

Макромолекулы полимера собираются на поверхности твердой фазы, вследствие чего уменьшается их конформационный набор вблизи границы раздела и соответственно повышается температура стеклования полимера. После нанесения суспензии на основу образующиеся в процессе формования пленки пачки цепей связываются с поверхностью наполнителя, однако присутствующий в суспензии пластификатор также будет взаимодействовать с поверхностью адсорбента, конкурируя с макромолекулами полимера. Поэтому подвижность пачек, взаимодействующих с поверхностью наполнителя, будет больше при наличии пластификатора. В наполненном полимере поверхность контакта макромолекул полимера с наполнителем весьма развита, т. е. структура такой системы рыхлая, и создаются условия для проникновения пластификатора не внутрь пачек, а только к границе раздела фаз. Это приводит к явлению, напоминающему межпачечную пластификацию, причем ослабление связей макромолекул с поверхностью наполнителя будет преобладать над ослаблением межпачечного взаимодействия. Эффект структурирования в присутствии наполнителя определяется взаимодействием пачек макромолекул с твердыми частицами, которое, очевидно, сильнее, чем взаимодействие макромолекул внутри пачек (иначе первый тип связей распадался бы при температурах ниже Т_с).

Поэтому именно ослабление связей между  пачками и адсорбентом вызывает более резкое снижение температуры стеклования наполненного пластифицированного полимера.

Известна работа по исследованию пластификации  некоторых эфиров целлюлозы низкомолекулярными веществами, не совмещающимися с ними. На рис. показаны эффекты внутрипачечной и межпачечной пластификации: кривые 1 характеризуют внутрипачечную пластификацию, при которой понижение Г_с пропорционально молярной доле пластификатора; кривые 2 и 2' — межпачечную пластификацию, при которой незначительные количества пластификатора резко снижают Т_с полимера, а при дальнейшем увеличении количества пластифи- 

 

Зависимость Т_с триацетата целлюлозы от содержания пластификатора:

1 — 1-нитро-2-метил-2-пропанол; 2 и 2' ~ бутилстеарат.

Зависимость Т_с нитрата целлюлозы от содержания пластификатора:

1 — дибутилфталат; 2 — 2^Г — касторовое масло.

 

катора Т_с остается без изменения. Это позволяет предположить, что гибкость проявляется не только в самих макромолекулах, но также и в пачках цепей.

Такое же явление характерно для  пластификации наполненных полимеров. При малом содержании пластификатора наблюдается значительное уменьшение Т_с, более ярко выраженное в случае наполненного полимера. Из кривых можно также заключить, что с увеличением пластификатора в наполненном полимере постепенно снижается его действие на границе раздела фаз полимер — наполнитель и большое значение приобретает нарушение связи между макромолекулами полимера, т. е. пластификация в обычном понимании этого слова.

Таким образом, можно полагать, что  процесс пластификации наполненных полимеров определяется двумя эффектами: нарушением связей между полимером и адсорбентом и нарушением связей между пачками макромолекул.

Практический опыт подтверждает приведенные  выше соображения. Так, для пластификации пленкообразующих полимеров в состав суспензии магнитного порошка наряду с веществами, хорошо совмещающимися с полимером, т. е. молекулярными пластификаторами, часто вводят касторовое масло или олеиновую кислоту — вещества, ограниченно совмещающиеся с полимером и, следовательно, вызывающие эффект межпачечной пластификации. Наиболее распространенными пластификаторами, входящими в состав суспензии, являются диметил- и дибутил- фталаты, олеиновая кислота, бутилстеарат (для синтетических полимеров) и касторовое масло (для нитрата целлюлозы). 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 75. Зависимость температур стеклования наполненного (2) и ненаполненного (1) полистирола от содержания пластификатора.

Выше приведены в самом общем  виде краткие соображения о механизме пластификации наполненных полимеров. Однако в случае введения пластификатора в состав суспензии магнитного порошка механизм пластификации, по-видимому, усложняется.

Прежде всего, пластификатор влияет на диполь-дипольное взаимодействие между макромолекулами полимера и температурно-частотную зависимость  тангенса угла диэлектрических потерь . Диэлектрические свойства полимеров изучали также и в работе. Не вдаваясь в подробности этих работ, можно отметить, что диэлектрические свойства пластифицированных полимеров ухудшаются, т. е. увеличивается их электрическая проводимость.

В состав суспензий обычно вводят электропроводящие компоненты. Однако доля участия пластификатора в изменении диэлектрических свойств полимера по сравнению с электропроводящим компонентом совершенно не ясна. Не изучено также и взаимодействие между пластификатором и электропроводящим компонентом. Нельзя, наконец, не учитывать и специфического взаимодействия между частицами магнитного порошка, которое также, вероятно, нарушается вследствие адсорбции на них пластификатора. Поэтому, несмотря на большие успехи, достигнутые в исследовании механизма пластификации полимеров, пока наиболее надежным путем выбора пластификатора для связующего полимера остается экспериментальное опробование в лабораторных условиях. Естественно, что предварительный выбор пластификатора следует делать исходя из природы применяемого полимера и руководствуясь теми теоретическими соображениями, которые уже разработаны для системы пластификатор— полимер и пластификатор — наполненный полимер.

Влияние на седиментацию потенциала двойного слоя выражается в том, что когда на поверхности частиц дисперсной фазы адсорбируются ионы, притягивающие к себе ионы противоположного заряда, образуется двойной электрический слой. Слой ионов, непосредственно связанный с частицей, мало подвижен. Ионы же, составляющие второй слой, более подвижны, причем их подвижность возрастает с удалением от поверхности раздела. Поэтому различают потенциал, возникающий между поверхностью раздела и дисперсионной средой (потенциал двойного слоя) и потенциал разности между потенциалами слоев малоподвижных и подвижных ионов (дзета-потенциал).

Знак заряда поверхности зависит  от природы адсорбированных ионов. Когда расстояние между частицами, окруженными противоположно заряженными ионами, велико, каждая из них относительно нейтральна. При уменьшении расстояния между частицами начинают взаимодействовать внешние ионные оболочки, вследствие чего ионы перераспределяются и в промежутках между частицами концентрируются ионы одного заряда. При этом между частицами возникают силы отталкивания, превышающие ван-дер-ваальсовы силы притяжения, и уменьшается вероятность флокуляции.

ПАВ избирательно адсорбируются на двойном электрическом слое. Это обусловлено тем, что они обычно ионизированы или стремятся к ионизации. Поэтому ПАВ, увеличивающее потенциал поверхности, повышает электростатические силы отталкивания между частицами, предотвращая их флокуляцию. На частицах, не имеющих двойного электрического слоя, он может образоваться при адсорбции на их поверхности ПАВ.

Хорошо известно, что если частицы  дисперсной фазы лио- фобны по отношению к дисперсионной среде, то даже при совершенном способе диспергирования система будет неравновесной и основным фактором стабилизации такой системы является уменьшение ее энергии Гиббса. Устойчивость дисперсных систем в большой степени зависит от их концентраций, т. е. числа частиц дисперсной фазы в единице объема системы. Возможны системы, сохраняющие устойчивость длительное время, т. е. характеризующиеся практически полной агрегативной устойчивостью. Наряду с ними существуют системы, обладающие относительно слабой агрегативной устойчивостью во времени.

Практический интерес обычно представляют достаточно концентрированные, а иногда и предельно концентрированные дисперсионные системы, причем основным требованием к ним является высокая устойчивость. Подобные системы могут быть устойчивы во времени только при наличии механических (вязкостных или упруговязкостных) барьеров, препятствующих сближению частиц или разрыву прослоек дисперсионной среды. Для обеспечения практически полной агрегативной устойчивости дисперсионной системы ни понижение поверхностной энергии Гиббса на границе двух фаз (если оно не приводит к достаточно малому ее значению), ни электрический заряд, возникающий в гомогенных системах, не достаточны, поэтому надежная стабилизация может быть осуществлена введением структурообразующих защитных веществ. Для этого обычно применяют вещества, образующие в объеме дисперсионной среды или на поверхности дисперсной фазы (за счет адсорбции) прочные пространственные структуры.

Диспергирование магнитного порошка  в растворе связующего полимера —  длительная операция. Поэтому введение в диспергируемую систему ПАВ, уменьшающих продолжительность диспергирования дает значительный экономический эффект.

Кроме сокращения времени диспергирования ПАВ улучшают качество получаемой суспензии. Известно, что наличие воды в частицах дисперсной фазы является одной из причин снижения агрегативной устойчивости системы. На поверхности частиц магнитного порошка всегда находится вода в виде сплошных оболочек, которые в результате коалесценции сливаются, способствуя образованию флокуляционных структур. Наличие же в системе ПАВ придает частицам магнитного порошка гид- рофобность, что облегчает его диспергирование в гидрофобном растворе связующего полимера.

При помощи ПАВ можно в широких  пределах изменять реологические свойства суспензий магнитных порошков.

Большинство ПАВ при введении в  дисперсии с большим предельным напряжением сдвига сильно уменьшают его, а в дисперсиях, обладающих большой текучестью, вызывают увеличение предельного напряжения сдвиг. Это позволяет при соответствующем подборе ПАВ превращать высококонцентрированные дисперсии, обладающие плохой текучестью, в низковязкие жидкости с хорошей текучестью, а также придавать жидкой дисперсии тиксотропные или гелеобразные свойства. Введение некоторых ПАВ в суспензии магнитных порошков улучшает электрическую проводимость получаемых из них рабочих слоев магнитных лент.

Количественная оценка целесообразности использования того или иного  ПАВ затруднительна. Поэтому для  этой цели используют эмпирические методы с последующей экспериментальной проверкой. Одним из таких методов является оценка поверхностной активности вещества по гидрофобно-гидрофильному балансу (ГГБ).

Сродство растворителя к ПАВ зависит от размеров и полярности гидрофобных и гидрофильных групп в его молекуле. Ис* ходя из сравнения эмульгирующих свойств ПАВ, Гриффин составил числовую систему, известную как гидрофобно-гидрофильный баланс. Метод Гриффина, рассчитанный главным образом на выбор эмульгаторов, может быть с успехом применен также для выбора и оценки ПАВ другого назначения. Значение ГГБ дает возможность предугадать действие данного ПАВ. Например, ПАВ, значение ГГБ которого 2, должно быть пеногасителем, а вещество, ГГБ которого около 4,— эмульгатором для эмульсий типа вода — масло. Вещества со значением ГГБ примерно 16 применяют в качестве солюбилизаторов, дис- пергаторов и т. д. Если система включает два или более ПАВ, то значение ее ГГБ является аддитивным и свойства такой системы определяются пропорционально значениям ГГБ отдельных составляющих.