CNT-filled polypropylene/plasticized polyvinyl alcohol mixtures: rheology, morphology, and properties of composite threads

Abstract

The influence of the concentration of plasticizer (glycerine) and carbon nanotubes (CNTs) on the micro- and macrorheological properties of melts of polypropylene/plasticized polyvinyl alcohol (PP/PVA) mixtures is studied. During flow of melts of all the studied compositions, a microfibrillar structure is formed within them. As found, changing the ratio of viscoelastic properties of PP and PVA, when adding different amounts of modifying additives, allows us to adjust the mass fraction of types of structures (microfibrils, films, particles), as well as their dimensional characteristics. Reducing the average diameter of microfibrils from 2.7 to 1.2 μm and increasing their share from 84.3 to 96.8 wt.% in the initial and nanofilled mixtures, respectively, are achieved in a composition with similar values of viscosity and elasticity of the components. As shown, the melts of bi- and three-component systems are typical non-Newtonian fluids, and the viscosity of their melts is several times lower than ɳ of the initial components. The values of elasticity, judging by the equilibrium swelling of extrudates, are higher than for the starting polymers, and depend on the content of nanotubes. The ability to longitudinal deformation of the melt jet, which determines its fibre-forming properties, in composite systems is reduced, but remains sufficient for stable processing into threads on available process equipment. As established, the formed microfibrillary structure helps to improve the performance characteristics of composite monothreads due to the effect of self-reinforcement. Tensile strength and dimensional stability of threads obtained from a mixture containing 0.5 wt.% CNTs increase by 1.5 and 1.6 times, respectively.

Вивчено вплив концентрації пластифікатора (гліцерину) та вуглецевих нанотрубок (ВНТ) на мікро- та макрореологічні властивості розтопів сумішей поліпропілен/пластифікований полівініловий спирт (ПП/ПВС). За течії всіх досліджених композицій в них формується мікрофібрилярна структура. Встановлено, що зміна співвідношення в’язкопружніх властивостей ПП і ПВС через додавання у них різної кількости модифікувальних добавок уможливлює реґулювати масову долю різновидів структур (мікрофібрили, плівки, частинки), а також їхні розмірні характеристики. Зменшення середнього діяметра мікрофібрил з 2,7 до 1,2 мкм і збільшення їхньої частки з 84,3 до 96,8 мас.% у вихідній і нанонаповненій сумішах відповідно досягнуто в композиції з близькими величинами в’язкости й еластичности компонентів. Показано, що розтопи бі- та трикомпонентних систем є типовими неньютонівськими рідинами, а в’язкість їхніх розтопів у декілька разів нижча за ɳ вихідних компонентів. Величини еластичности, судячи з показників рівноважного розбухання екструдатів, є вищими, ніж для вихідних полімерів, і залежать від вмісту нанотрубок. Здатність до поздовжньої деформації розтопу струменя, яка визначає його волокноутворювальні властивості, у композиційних систем понижується, але залишається достатньою для стабільної переробки у нитки на наявному технологічному обладнанні. Встановлено, що сформована мікрофібрилярна структура сприяє поліпшенню експлуатаційних характеристик композиційних монониток за рахунок ефекту самоармування. Розривна міцність і формостійкість ниток, одержаних із суміші, що містить 0,5 мас.% ВНТ, зростають в 1,5 і 1,6 рази відповідно.