Пластики, эластомеры и нанокомпозиты. Нанокомпозиты. Часть 6

Соотношение двух сил зависит от межфазной адгезии, поперечных сил и размера частиц. Тенденция к агрегации наполнителей сильно возрастает с уменьшением размера частиц. Поскольку в нанокомпозитах частицы очень малы, агрегация практически неизбежна, и сформированная структура определяет свойства. Размер и взаимодействие частиц также определяют прочность структур, которая может быть большой, как в некоторых SiO2-композитах, или относительно слабой, например, для CaCO3, где внутри структуры начинается разрушение, приводящее к преждевременному разрушению композита. Усилия сдвига могут быть изменены в ограниченном диапазоне. Таким образом, основным фактором контроля агрегации является характеристика поверхности наполнителя. Для контроля используются различные методы обработки и модификации, такие как поверхностная прививка SiO2, но агрегации редко можно избежать: можно надеяться только на ее уменьшение в максимальной степени. Похоже, что одновременное образование частиц и полимерной матрицы имеет гораздо большие возможности.

Интерес к органическим неорганическим гибридам восходит к 1980-м годам, и в этой области доступно несколько обзоров, обобщающих технические возможности, структуру, свойства и потенциальное применение этих материалов. Обычно силикатная химия используется для получения частиц разных размеров или смешанных (органических и неорганических) сетей. Размер частиц может быть изменен от 10 до 500 нм путем изменения условий полимеризации, гидролиза и конденсации SiO2-предшественников. Гомогенность композита намного лучше в этих материалах, хотя в зависимости от химического состава агрегаты могут образовываться даже в этом случае. Ожидается, что нанокомпозиты имеют очень разнообразные структуры, которые должны демонстрировать исключительные свойства. Удельная поверхность полностью отслоившихся силикатов, например, составляет около 750 м2 / г: таким образом, характеристики поверхности наполнителя, взаимодействий и межфазного образования должны значительно влиять на свойства композита. Поверхностные характеристики определяются редко, и о них публикуется лишь ограниченная информация, но они особенно важны в полимерных / слоистых силикатных нанокомпозитах, так как органофилизация глины является предпосылкой успешного приготовления таких композитов в большинстве случаев. Соответственно, мы фокусируем внимание в основном на слоистых силикатах в этом разделе и уделяем меньше внимания другим двум нанонаполнителям, нанотрубкам и сферическим наночастицам.

Верно то, что обработка силикатов делает их гидрофобными и снижает их полярность. Однако утверждение, что уменьшенная полярность приводит к лучшей совместимости и смачиванию, не соответствует действительности. Органофилизация уменьшает свободную энергию поверхности силикатов, что приводит к снижению силы взаимодействия между наполнителем и полимером. Взаимодействие силиката и полимера, как чистых, так и органофильных силикатов, представляет собой процесс адсорбции. Сила адсорбции может быть охарактеризована обратимой работой адгезии, которая значительно уменьшается при обработке органическим веществом. Сильная полярность чистого силиката помогает адсорбции и увеличивает силу взаимодействия, в то время как органофилизация оказывает противоположный эффект. Также считается, что смачивание силиката полимерами улучшает органофилизацию. Смачиваемость обычно характеризуется термодинамической величиной, где используются такие параметры, как поверхностное натяжение наполнителя и полимерной матрицы, а также межфазное натяжение. Соответственно, смачиваемость уменьшается при органофилизации из-за резкого снижения поверхностного натяжения наполнителя. Смачиваемость улучшается с увеличением термодинамической величины, и в случае отрицательных значений развивается определенный контактный угол (частичное смачивание).

Возникает вопрос, каковы факторы, улучшающие интеркалирование и отслаивание, если не меняются полярность и смачивание. Органофилизация приводит к увеличению расстояния между «галерейными» структурами и уменьшению взаимодействия между отдельными силикатными слоями, что облегчает отслаивание при определенных условиях. Однако эти изменения не приводят даже к частичному отслаиванию, как показывает пример композитов PP / OMMT. Взаимодействие должно быть уменьшено дополнительными мерами, такими как добавление растворителей или связующего агента (MAPP) для достижения интеркалирования и / или отслаивания. Помимо ориентации молекул поверхностно-активного вещества, количество, используемое для органофилизации, также важно при определении характеристик поверхности и поведения. Небольшое количество не покрывает всю поверхность и приводит к большому поверхностному натяжению, в то время как избыточные количества могут растворяться или диспергироваться в полимере, что приводит к ухудшению свойств.