ВВЕДЕНИЕ
Цель проводимых работ в области полимерных наноматериалов – создание полимерных нанокомпозитов, модифицированных за счет введения наночастиц, в том числе и функционализированных, обеспечивающих изменение структуры матрицы и приводящих к существенному улучшению эксплуатационных характеристик.
Имеющийся обширный литературный материал свидетельствует о том, что многие характеристики как эластомеров, так и жестких полимеров могут быть существенно, иногда в разы, улучшены путем их модификации малыми добавками наночастиц – фуллеренов, нанотрубок, нановолокон, неорганических наночастиц. Обусловлено это тем, что наночастицы, участвуя в формировании надмолекулярной полимерной структуры, через нее, по-видимому, положительно влияют на свойства образующегося материала. Наночастицы в качестве модификаторов полимерных материалов могут использоваться либо в исходном, нативном виде, либо после их функционализации, т.е. прививки на их поверхность различных функциональных групп.
Нативные формы наночастиц в довольно малых концентрациях способны весьма существенно влиять на свойства получаемых нанокомпозитов в отсутствие ковалентного связывания с матрицей. Установлено, что малые добавки фуллерена существенно изменяют эксплуатационные характеристики полимерных материалов, как правило, значительно повышая прочностные свойства, тепло- и термостойкость, электропроводность, антифрикционные показатели и т.д. Так, например, введение от 0,01 до 3,6 % фуллерена увеличивает прочностные и адгезионные характеристики тонких пленок фенольной смолы, бутадиенстирольного сополимера, эпоксидной смолы в 2-4 раза по сравнению с контрольными образцами, а прочность углепластика при межслоевом сдвиге – примерно в 1,5 раза.
1. Проблема анализа
Работа относится к области технологии получения функциональных полимерных растворах наномаетриала. Производство новых функциональных материалов – актуальное направление, позволяющее значительно упростить технологию производства с применением таких материалов. Используемые на данный момент методы анализирования содержания наноматериала в полимерных средах, как правило, базируются на внесении углеродного нанометериала в полимерные среды, которые вносят в больших долях, обычно это 60-80%, что приводит к разупрочнению матрицы и снижению прочностных и эксплуатационных характеристик.
Исследования полимерных композитов, включающих углеродные нанотрубки (УНТ), начались сравнительно недавно, в конце 1990-х годов после того, как эти уникальные материалы стали доступны в относительно больших количествах. И хотя работ в этом направлении намного меньше, чем по использованию фуллерена, во многих случаях получены
весьма интересные результаты. Одним из важнейших является то, что даже небольшие добавки УНТ (1-2 %, а иногда и на уровне 0,1-0,3 %) увеличивают модуль упругости и разрывную прочность полимера в разы. При этом одновременно резко увеличивается теплопроводность и электропроводность материала. Добавки УНТ позволяют расширить диапазон рабочих температур композитов на основе некоторых полимеров благодаря повышению температуры перехода в стеклообразное состояние.
Однако использование нефункционализированных углеродных наноматериалов связано со специфическими затруднениями. Дело в том, что УНМ склонны образовывать агрегаты, препятствующие их равномерному распределению в матрице и тем самым не позволяющие
достичь желаемой эффективности при модификации полимера. В частности, УНТ упаковываются в плотные жгуты, состоящие из большого числа параллельно расположенных одиночных трубок, а фуллерены обладают крайне низкой растворимостью в связующих. С целью лучшего диспергирования модифицирующей добавки в матрице, а также для формирования ковалентных связей между матрицей и наночастицей, проводится функционализация наночастиц.
2. Методы анализа
На данный момент разработана физическая модель поведения углеродных нанотрубок в эпоксидной матрице, что дало нам возможность теоретически определить процент внесения этого материала в полимер с целью придания ему электропроводности. На лабораторном оборудовании получен образец на котором было подтверждено сделанное предположение о влиянии углеродных нанотрубок на диэлектрическую проницаемость в области малых процентах внесения. Вариант замеров изменения электропроводимости рассматривается как наиболее приоритетный метод анализа распределения наноматериала в структуре вещества.
Перечень работ:
• разработка методов по внесению распределению и стабилизации наносостояния в матрице с целью эффективного модифицирования. Углеродные нанотрубки склонны к агломерированию, не только в изначальном состоянии но и при внесении в жидкие и вязкие среды. И поэтому одной из главных задач является дезинтеграция агломератов и равномерное объёмное распределение в полимерной матрице.
• Изучение факторов влияющих на физические характеристики связующего. Важно не только изучить диэлектрические свойства продукта, но и его прочностные и эксплуатационные показатели.
• работы по детальному изучению влияния поверхности углеродных и неорганических наночастиц на рост полимерных цепей и их структуру позволят создать научные основы легирования полимерной матрицы наночастицами и разработать технологии изготовления нового поколения полимерных материалов. Это приведет к повышению эксплуатационного ресурса при снижении материалоемкости, уменьшению веса и габаритов конструкций, изготавливаемых с использованием полимерных нанокомпозитов.
3. Методика проведения эксперимента анализов
В подготовке к экспериментам используется лабороторное оборудование, без которого провеведение опытов было бы невозможно.
PULVERISETTE 5
В отличие от обычных планетарных мельниц в PULVERISETTE 5 classic line можно настроить число оборотов размольных стаканов и несущего диска независимо друг от друга. Ее преимущество: одна единственная мельница для механической активации и легирования, которую можно одновременно оптимально настраивать на измельчаемый материал и размер размольных стаканов и шаров. Мельница управляется поставляемым в комплекте программным обеспечением, в котором можно быстро и просто сохранить и вызвать через дисплей мельницы до 9 программ.
При вариабельной настройке передаточного отношения между размольными стаканами и несущим диском, возможно целенаправленно влиять на движение и траекторию мелющих шаров: в зависимости от настройки можно по потребности регулировать энергию ударов и силы трения или заставить работать PULVERISETTE 5 в качестве центробежной мельницы. При этом, можно свободно выбирать все промежуточные ступени и комбинации ударного и трущего измельчения.
Бисерная мельница.
Бисерная мельница представляет собой цилиндрический сосуд с мешалкой или перемешивающим ротором, имеющим ряд вспомогательных функций и обеспечивающим различные режимы перемешивания и циркуляции бисера. Мельница заполнена бисером на 70-80 % объема. При размоле в камеру заливают суспензию размалываемого порошка, которая заполняет весь свободный объем. При вращении ротора мельницы происходит движение бисера, который перетирает частицы материала. По окончании работы суспензию материала сливают из мельницы. Промышленная бисерная мельница работает в непрерывном или циркуляционном режимах, то есть перемалывает прокачиваемую суспензию. Все современные мельницы могут работать в таком режиме и имеют ситовый патрон или щель для отделения бисера от суспензии.
Применение керамического бисера с высокой стойкостью к истиранию и высокой твердостью позволяет получать частицы средним размером менее 10 нм. Получение ультрадисперсных порошков методом измельчения характеризуется высокими энергозатратами. При измельчении кристаллов в субмикронном диапазоне прочность измельчаемых материалов достигает теоретического предела, так как разрушаются все агломераты и дефектные кристаллы. С уменьшением частиц энергопотребление растет квадратично, то есть скорость измельчения сильно падает и возрастает количество продуктов намола и доля побочных энергозатрат, например, на вязкое трение. Тем не менее, современные технологии бисерного измельчения позволяют получать наночастицы. Части такой мельницы выполнены из диоксида циркония, размер бисера — 50 мкм. Высочайшая стойкость последнего к истиранию, циркуляционная система и охлаждение ротора и корпуса позволяют получить высокие удельные энергетические параметры и образцы с невысокой загрязненностью. Отличительной чертой такой технологии является хорошая воспроизводимость результата и технологическая управляемость процесса.
Библиографический список
- Карпачева Г.П., Фуллеренсодержащие полимеры. Высокомолекулярные соединения. Сер. С. 2000. Т. 42. No 11. С. 1974-1999. Обзор.
- Wang C., Guo Z.-X., Fu S., Wu W., Zhu D. Polymers containing fullerene or carbon nanotube structures. Prog. Polym. Sci. 2004. V. 29. P. 1079–1141. Review.
- Бадамшина Э.Р., Гафурова М.П. Модификация свойств полимеров путем допирования фуллереном С60. Высокомолекулярные соединения. Сер. А. 2008. T. 50. No 8. C. 1572-1584. Обзор.
- Atovmyan E.G., Badamshina E.R., Estrin Ya.I., Gafurova M.P., Grischuk A.A., Olkhov Yu.A. Polyfunctional Cross-Linking Agents on the Fullerene C60 Base for Polyurethane Nanocomposites. European Polymer Congress 2005. Moscow. 2005. Abstracts. P.56.
- Harris P.J.F. Carbon nanotube composites. Int. Mater. Rev. 2004. V. 49. No 1. Р. 31–43
- Coleman J.N., Khan U., Blau W.J., Gun’ko Y.K. Small but strong: A review of the mechanical properties of carbon nanotube–polymer composites. Carbon. 2006. V. 44. No 9. Р. 1624–1652
- Атовмян Е.Г., Бадамшина Э.Р., Гафурова М.П., Грищук А.А., Эстрин Я.И. Синтез новых полигидроксилированных фуллеренов. Доклады Академии Наук. 2005. Т. 402. No 2. С.201- 203.