CC BY
11Черкашина Н.И., канд. техн. наук, доц.
Павленко А.И., магистрант Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ГИДРИДА ТИТАНА ОРГАНОСИЛОКСАНОВЫМИ СТРУКТУРАМИ*
Повышение совместимости матрицы и наполнителя - это основной фактор, влияющий на свойства полимерного композиционного материала. Применение поверхностной обработки органо-силоксановыми структурами, в частности кремнийорганическими жидкостями, существенно повышает совместимость. Обработанный наполнитель, имеющий, как и полимер, гидрофобную поверхность, намного легче распределяется в матрице полимера, и конечный расплав имеет меньшую вязкость, что снижает нагрузку на оборудование, предотвращает механодеструкцию.
В данной работе исследовалась возможность модифицирования гидрида титана, с целью его совмещения с неполярной полимерной матрицей для создания новых полимерных композитов, обладающих улучшенными нейтронно-защитными свойствами. Для получения порошка гидрида титана, обладающего гидрофобными свойствами, в помол гидрида титана была внесена гидрофобизирую-щая кремнийорганическая жидкость 136-41.
Установлено, что у не модифицированного порошка гидрида титана гидрофильная поверхность, так как краевой угол смачиваемости а = 66°. Выявлено, что модифицированный порошок гидрида титана, в отличие от не модифицированного порошка гидрида титана, обладает гидрофобными свойствами, т.к. краевой угол смачиваемости а = 109°. Это говорит о том, что модифицирование жидкостью гидрофобизирующей 136-41 позволит создать равномерное распределение наполнителя гидрида титана в неполярной полимерной матрице.
Ключевые слова: неполярная матрица, гидрофобность, гидрофильность, совместимость, краевой угол смачивания.
Введение. Известно, что композиционный материал представляет собой гетерофазную структуру из двух или более компонентов с четко выраженной границей раздела [1]. Эти компоненты должны быть подобраны не только по предполагаемым свойствам создаваемого изделия (физическим, механическим), но и по совместимости, т.е. должно обеспечиваться хорошее адгезионное взаимодействие матрицы и наполнителя на границе раздела [2-4]. Главные задачи при получении изделий из полимерных композиционных материалов заключаются в правильном подборе материала матрицы и наполнителя, в определении рациональной структуры материала, с учетом особенности его поведения в условиях переработки [5]. Правильная технология совмещения компонентов обеспечивает эффективную реализацию свойств материала в изделии (конструкции).
Основная задача изучения совместимости -выявление общих закономерностей влияния параметров структуры на свойства композиции, а также изыскание путей регулирования этих параметров, в особенности характера связи на границе раздела фаз [6-7]. Другая большая проблема - установление характера влияния полимера на надмолекулярную, особенно кристаллическую, структуру наполнителя, т.е. выявление изменений структуры и свойств каждой фазы после совмещения компонентов. Исследование
термодинамики совмещения позволяет разработать научные основы для создания новых композитов с заданным комплексом механических свойств.
В данной работе рассмотрены процессы модифицирования гидрида титана, с целью его совмещения с неполярной полимерной матрицей для создания новых полимерных композитов, обладающих улучшенными нейтронно-защитными свойствами.
Методика. Гидриды многих переходных металлов в последние годы представляют теоретический и практический интерес при их использовании во многих отраслях промышленности, включая атомную энергетику. Особое внимание уделяется гидриду титана с повышенным содержанием водорода, используемого для поглощения нейтронных потоков в ядерной энергетике в качестве замедлителя в регулирующих стержнях ядерного реактора на быстрых нейтронах, в том числе в качестве наполнителя для полимерных нейтронно-защитных композиционных материалов [8-11].
Исходный гидрид титана является гидрофильным веществом. Для более равномерного распределения в полимерной матрице необходимо модифицировать наполнитель для придания ему гидрофобных свойств [12].
Для хорошей совместимости с неполярной матрицей необходима гидрофобная поверхность
наполнителя [13]. Известно, что модифицирование силоксановыми структурами позволяет добиться гидрофобности при ведении 1-2 % модификатора [14].
Для получения порошка гидрида титана, обладающего гидрофобными свойствами, в помол гидрида титана была внесена гидрофобизи-рующая кремнийорганическая жидкость 136-41.
Жидкость гидрофобизирующая 136-41 -вязкая бесцветная маслянистая жидкость, легкорастворимая в большинстве органических растворителей, но нерастворимая в воде. Ее состав
описывается формулой [С2Н^НО]п (где п = 10^15), содержание активного водорода 1,3-1,45 % [15].
Основная часть. Исходный гидрид титана был представлен в виде дроби. Для введения в полимерную матрицу гидрида титана был произведен его помол с использованием шаровой мельницы. Для определения оптимального времени помола дробь гидрида титана (ДГТ) перемалывалась различное время. Зависимость величины значения удельной поверхности от времени помола представлена на рис. 1:
Рис. 1. График зависимости величины удельной поверхности гидрида титана от времени помола
Исходя из этих данных был сделан вывод, что целесообразно проводить помол гидрида титана в течение 30 минут, так как при большем времени помола удельная поверхность увеличивается лишь на 10% с 45521 до 50398 см2/см3, средний диаметр частиц уменьшается на 8 % с
а)
5,6 до 5,2 мкм, а диапазон размеров полученных частиц не изменяется.
Результаты рентгенофазового анализа исследуемого вещества показаны на рис. 2. В качестве структурного аналога для индицирования рентгенограммы был выбран гидрид титана ТЙ2.
б)
Рис. 2. Сравнение рентгенограммы исследуемого гидрида титана (а) с гидридом титана (II) (б)
В табл. 1 приведены обобщающие рентгенометрические характеристики исследуемого гидрида титана. Первичную информацию о состоянии вещества можно получить из внешнего вида рентгеновских спектров. Хорошо окри-
Основные рентгенометрические хара:
сталлизованный и однородный по параметрам решетки материал дает узкие и высокие дифракционные пики, плохо окристаллизованный, неоднородный материал - широкие и низкие.
Таблица 1
эистики исследуемого гидрида титана
№ \ Пар Угол 20, град Площадь отражения, отн. ед Интенсивность отражения, имп./с Полуширина отражения, А Межплоскостное расстояние d, А % Макс.
1 18,3 7,184 72 0,175 4,8478 1,52
2 31,65 11,414 91 0,195 2,8269 1,92
3 35,2 497,264 4736 0,25 2,5495 100
4 40,85 228,831 1248 0,33 2,209 26,35
5 53,5 3,204 67 0,1 1,7127 1,41
Анализ рис. 2 показал, что рентгенограмма исследуемого образца ДГТ представляет собой типичную дифрактограмму поликристалла с серией пиков на плавной линии фона. Каждый пик является отражением n-го порядка от серии плоскостей (hkl) с межплоскостным расстоянием dhki.
Основной характеристикой гидрофильности (гидрофобности) поверхности любого наполнителя является краевой угол смачивания а или 0 -cos а. Он определяется как угол между касательной, проведенной к поверхности смачивающей жидкости, и смачиваемой поверхностью твердого тела, при этом а всегда отсчитывается
от касательной в сторону жидкой фазы. Касательную проводят через точку соприкосновения трех фаз: твердой фазы (исследуемого модифицированного наполнителя), жидкости (дистиллированная вода) и газа (воздух). При а > 90° поверхность материала обладает гидрофобными свойствами.
На рис. 3 представлены результаты по определению краевого угла смачиваемости не модифицированного порошка гидрида титана. Установлено, что у не модифицированного порошка гидрида титана гидрофильная поверхность, так как краевой угол смачиваемости а = 66°.
Рис. 3. Схема определения краевого угла смачиваемости не модифицированного порошка гидрида титана
На рис. 4 представлены результаты по определению краевого угла смачиваемости модифицированного жидкостью гидрофобизиру-ющей 136-41 порошка гидрида титана. Установлено, что у модифицированный порошок гидри-
да титана, в отличие от не модифицированного порошка гидрида титана, обладает гидрофобными свойствами, т.к. краевой угол смачиваемости а = 109°.
Рис. 4. Схема определения краевого угла смачиваемости модифицированного порошка гидрида титана
Это говорит о том, что модифицирование жидкостью гидрофобизирующей 136-41 позволит создать равномерное распределение наполнителя гидрида титана в полимерной неполярной матрице.
Выводы. Установлено, что у не модифицированного порошка гидрида титана гидрофильная поверхность, так как краевой угол смачиваемости а = 66°. Выявлено, что модифицированный порошок гидрида титана, в отличие от не модифицированного порошка гидрида титана, обладает гидрофобными свойствами, т.к. краевой угол смачиваемости а = 109°. Это говорит о том, что модифицирование жидкостью гидро-фобизирующей 136-41 позволит создать равномерное распределение наполнителя гидрида титана в неполярной полимерной матрице.
Модифицирование порошка гидрида титана, представленным в работе способом позволит создавать новые полимерные композиты, обладающие улучшенными нейтронно-защитными свойствами.
*Работа выполнена при поддержке проектной части Государственного задания Мино-брнауки РФ, проект №11.2034.2014/К
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Композиционные материалы: Справочник / В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др.; Под общ. Ред. В.В. Васильева, Ю.М. Таронопольского. - М.: Машиностроение, 1990. 512 с.
2. Седакова Е.Б., Козырев Ю.П. Влияние содержания дисперсного наполнителя на адгезию между наполнителем и матрицей в полимерных нанокомпозитах триботехнического назначения // Вопросы материаловедения. 2013. № 3 (75). С. 70-75.
3. Яхьяева Х.Ш., Козлов Г.В., Магомедов Г.М., Заиков Г.Е. Структурные основы межфаз-
ной адгезии (наноадгезии) в полимерных композитах // Энциклопедия инженера-химика. 2012. № 10. С. 11-13.
4. Tyutnev A.P., Nikerov A.V., Smimov D.D., Tumkovskii S.R. Universality of charge-carrier transport in molecularly doped polymers // Polymer Science Series A. 2016, Vol. 58, Issue 2, pp. 276-282.
5. Дувакина Н.И., Ткачева Н.И. Выбор наполнителей для придания специальных свойств полимерным материалам // Пластические массы. 1989. № 11. С. 46-48.
6. Кахраманлы Ю.Н. Несовместимые полимерные смеси и композиционные материалы на их основе. Баку: ЭЛМ, 2013. 152 с.
7. Mohan S. Krishna, Srivastava T. Microbial deterioration and degradation of polymeric materials // J Biochem Tech. 2010. Vol. 2, №4. рр. 210215.
8. Куприева О.В.Термодинамические расчеты термической диссоциации гидрида титана // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, 2014. № 5. С. 161-163.
9. Павленко В.И., Бондаренко Г.Г., Черка-шина Н.И. Разработка нейтронно-защитных полимерных композитов на основе тонкомолотого гидрида титана // Перспективные материалы, 2016. № 7. С. 16-21.
10. Павленко В.И., Черкашина Н.И., Носков А.В., Ястребинский Р.Н., Соколенко И.В. Расчет процессов прохождения гамма квантов в композиционном материале // Известия высших учебных заведений. Физика, 2016. Т. 59, № 8. С. 60-65.
11. Павленко В.И., Соколенко И.В., Носков А.В. Композиционный материал нового типа для комплексной радиационной защиты // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2015. Т. 58. № 6. С. 66-69
12. Манякина Д.С., Чердынцев В.В., Лунь-кова А.А. Исследование структуры и шероховатости гидрофобных композиционных покрытий на основе полисульфона // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 5. [Электронный ресурс]
13. Черкашина Н.И., Карнаухов А.А., Бурков А.В., Сухорослова В.В. Синтез высокодисперсного гидрофобного наполнителя для полимерных матриц // Вестник Белгородского госу-
дарственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 6. С. 156-159.
14. Матюхин П.В., Ястребинский Р.Н. Исследование механизмов модифицирования поверхности природных железорудных минералов алкилсиликонатами // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2005. Т. 48. № 4. С. 140.
15. ГОСТ 10834-76 Жидкость гидрофобизи-рующая 136-41. Технические условия. - Введ. 01.01.1977. М.: Госстандарт России, 1976. 16 с.
Cherkashina N.I., Pavlenko A.I.
INVESTIGATION OF THE MECHANISM OF SURFACE MODIFICATION OF TITANIUM HYDRIDE ORGANOSILOXANE STRUCTURES
Increased compatibility matrix and filler - is the main factor affecting the properties of the polymer composite material. Application of surface treatment organosiloxane structures, in particular silicone fluids, considerably increases compatibility. The treated filler having, as polymer, a hydrophobic surface are much easier to be distributed in the polymer matrix and the final melt has a lower viscosity, which reduces the load on the equipment, prevents mechanical destruction.
In this study we investigated the possibility of modifying titanium hydride, with a view to alignment with the non-polar polymer matrix to create a new polymeric composites having improved neutron-protective properties. To obtain a powder of titanium hydride having hydrophobic properties, 136-41 waterproofing silicone fluid was added to the grinding of titanium hydride.
It was found that the unmodified titanium hydride powder hydrophilic surface, as the contact angle of the wettability of a = 66°. It was revealed that the modified titanium hydride powder, in contrast to the unmodified titanium hydride powder has hydrophobic properties, as wettability contact angle a = 109°. This suggests that modification of the liquid repellent 136-41 will create an even distribution of the filler of titanium hydride in a nonpolar polymer matrix.
Key words: the non-polar matrix, hydrophobicity, hydrophilicity, compatibility, contact angle.
Черкашина Наталья Игоревна, кандидат технических наук, доцент кафедры теоретической и прикладной химии.
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46 E-mail: [email protected]
Павленко Анастасия Игоревна, магистрант кафедра безопасности жизнедеятельности Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46
