Пластики, эластомеры и нанокомпозиты. Нанокомпозиты. Часть 1

Как упоминалось выше, одни и те же факторы определяют свойства всех гетерогенных полимеров, включая нанокомпозиты: характеристики компонентов, состав, структура и межфазные взаимодействия. Все четыре одинаково важны и должны быть скорректированы для достижения оптимальных свойств. Однако нанокомпозиты несколько отличаются от традиционных микрокомпозитов с наполнителями в виде частиц – их структура часто более сложна, а взаимодействия не так четко определены. Характеристики структуры сильно влияют на действие наполнителя на свойства композита; Усиление увеличивается с уменьшением жесткости матрицы как в микро-, так и в нанокомпозитах. В эластомерах истинное усиление требует жесткости и увеличения прочности. Этот эффект хорошо демонстрируется в результатах экспериментов, где жесткость двух нанокомпозитов эпоксидной смолы нанесена на график в зависимости от содержания наполнителя. Модуль эластомера значительно увеличивается, в то время как в стеклообразном полимере происходит только умеренное армирование. Для более простого сравнения часто учитывают относительную масштабированную композитную жесткость, связанную с модулем матрицы.

Структура кристаллических полимеров может быть значительно изменена путем введения наполнителей. Размер кристаллитов и сферолитов, а также кристалличность изменяются в результате зарождения. Было показано, что слоистые силикаты, и особенно монтмориллонит (ММТ), могут приводить к зарождению частиц полипропилена (РР). Одно исследование показало, что органофилизация снижает эффективность зародышеобразования MMT, обусловленную наличием нерасслоенных структур или частиц. Нуклеация увеличивает температуру кристаллизации, что обычно приводит к увеличению толщины и кристалличности и уменьшению размера сферолитов в результате повышенной жесткости и пониженной ударопрочности конечного продукта. Нуклеация может также изменить преобладающую кристаллическую модификацию полимера. В присутствии ММТ было показано, что полиамид (PA) кристаллизуется в основном в форме g независимо от органофилизации. Различные кристаллические модификации обычно обладают неодинаковыми свойствами. Многочисленные характеристики наполнителя влияют на свойства композитов. Химический состав и особенно чистота наполнителя оказывают как прямое, так и косвенное влияние на возможности его применения и производительность. Следы загрязнения тяжелыми металлами снижают стабильность. Недостаточная чистота приводит к обесцвечиванию. Сопутствующие минералы в слоистых силикатах не расслаиваются, и, если их размер частиц велик, они ухудшают композитные свойства уже при очень небольшом содержании наполнителя.

Удельная поверхность наполнителей оказывает непосредственное влияние на композитные свойства. Адсорбция как низкомолекулярных добавок, так и полимера пропорциональна размеру границы раздела матрица / наполнитель. Адсорбция добавок может изменить стабильность, в то время как взаимодействие матрица / наполнитель существенно влияет на механические свойства, прежде всего предел текучести, предел прочности и сопротивление разрушению. Удельная поверхность полностью отслаивающихся силикатов чрезвычайно велика, около 750 м2 / г для ММТ, а площадь углеродных нанотрубок (УНТ) или сферических частиц, таких как сажа и SiO2, может находиться в одном диапазоне. Сильное взаимодействие полимера с этой поверхностью привело бы к очень жестким и ломким композитам. Однако жесткость и сопротивление разрушению обычно остаются в приемлемых пределах, что вызывает некоторые сомнения относительно однородного распределения частиц, полного расслоения и сильного взаимодействия. Анизотропные частицы усиливают полимеры, и эффект увеличивается с увеличением соотношения сторон. Пластинчатые наполнители усиливают полимеры больше, чем сферические наполнители, и влияние волокнистых армирований еще сильнее. Анизотропные наполнители ориентируются во время обработки, еще более усиливая их эффект, который в значительной степени зависит также от распределения ориентации.

Полностью отслоившиеся силикаты должны иметь коэффициент сжатия 100-1000, что приведет к чрезвычайно сильному армированию. Поскольку такой эффект наблюдается редко, вероятно, не выполняется одно из условий, а именно отслаивание, ориентация или адгезия. Достижение большой степени ориентации является одной из основных проблем в композитах, армированных нанотрубками или нановолокнами. Поверхностная свободная энергия (поверхностное натяжение) наполнителей определяет как матрицу / наполнитель, так и взаимодействие между частицами. Одно взаимодействие оказывает выраженное влияние на механические свойства, а второе определяет агрегацию. Оба взаимодействия могут быть изменены обработкой поверхности. Роль поверхностной свободной энергии особенно противоречива в слоистых силикатных нанокомпозитах. Практически, всегда органофильные силикаты используются в композитах, и число возможных взаимодействий (матрица / силикат, матрица / поверхностно-активное вещество, силикат / ПАВ, силикатная агрегация, сквозное взаимодействие и т. д.) намного больше, чем в традиционных микрокомпозитах. Взаимодействие является важным вопросом в других видах нанокомпозитов, что также подтверждается многочисленными попытками модификации УНТ.