О применении метода сверхглубокого проникновения для получения полимерных нанокомпозитов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

О. Л. Фиговский, Е. М. Готлиб, С. В. Наумов

О ПРИМЕНЕНИИ МЕТОДА СВЕРХГЛУБОКОГО ПРОНИКНОВЕНИЯ

ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ.

Ключевые слова: полимерные нанокомпозиты, модификация, сверхглубокое проникновение,

композиционные материалы.

Известные методы получения нанокомпозитов не позволяет обеспечить в полной мере, особенно в случае неполярных полимеров и эластомеров высокий уровень совмещения компонентов, а, следовательно, требуемую поверхность раздела фаз. В тоже время, именно, степень диспергирования наноразмерного наполнителя и эффективность межмолекулярного взаимодействия на меж-фазной границе определяют основные свойства нанокомпозитов. Особый интерес представляет не применяемый отечественными исследователями метод сверхглубокого проникновения, который хорошо зарекомендовал себя для металлических нанокомпозитов, как обеспечивающий оптимальную наноструктуру, устойчивую при последующих обработках материала, и прочное соединений между элементами.

Key words: nanocomposites, SDP, updating, composition materials.

The known methods of nanocomposites production cannot provide required degree of components compatibility and consequently the demanded surface of phase separation. At the same time the degree of dispersion of nanofiller and effectiveness of interphase interaction determines the properties of nanocompositions. The special interest presents the SDP method which is not used by home scientists. This method provides the good results for metallic matrixes, namely, the optimal nanostructure which is stable during thermal aging the same as high strength coupling of elements

Нанокомпозиты на основе полимеров и слоистых силикатов [1] сочетают свойства составляющих их компонентов: гибкость, упругость, перерабатываемость полимеров и характерные для керамики твердость, устойчивость к износу, высокий показатель преломления.

Известны различные методы получения полимерных нанокомпозитов:

- синтез нанокомпозитов in-situ при полимеризации матрицы на катализаторах, нанесенных на углеродный наноматериал (в этом случае углеродные наноструктуры играют роль и носителя катализатора полимеризации, и нанонаполнителя) [2];

- синтез нанокомпозитов при интенсивном перемешивании модифицированных либо немодифицированных наноуглеродных частиц в расплаве или растворе полимера [3, 4];

- крейзинг [5];

- гель-золь технология [6];

Необходимым условием получения наилучших свойств углеродных наноматериалов в полимерном композите является достижение максимальной степени диспергирования наполнителя и его оптимальная ориентация в матрице полимера.

В этом аспекте особый интерес представляют экспериментально открытый в 1974 году молодым белорусским ученым Сергеем Ушеренко эффект сверхглубокого проникновения (СГП) тонкодисперсных твердых микрочастиц диаметром 1 - 1000 мкм в твердые металлические преграды (мишени) с аномальным выделением энергии, в 102 - 104 раз превосходящей кинетическую энергии частиц в момент ее удара о преграду со скоростью порядка 1 км/с [7]. Таким образом, явление СГП может являться эффективным физическим инструментом для получения полимерных нанокомпозитов с новыми улучшенными свойствами.

Ранее этот метод успешно использовался [8] для получения нанокомпозитов на основе, в основном, металлической матрицы. С помощью импульсных ускорителей получали [9] потоки пылевых частиц со скоростью 1000 м/с. Использование режимов СГП позволяет в течении 10"3-10"7 с вводить в объем твердого тела легирующие добавки на глубину в десятки и сотни миллиметров [7]. В результате этого в объеме металла создаются волокнистые элементы, имеющие наноструктуру. Возникает анизотропия физических и химических свойств композиционного материала за счет создания динамически устойчивых локальных зон высокого давления, уровень которого достаточен для реализации динамического физического перехода [8].

При использовании метода СГП концентрация вводимых нанодобавок не превышает, как правило, 0,01-0,1 % масс. при этом достигается повышение механических свойств инструментальной стали на десятки и сотни процентов в результате специфической перестройки структуры материала [10, 11], причем новые структурные элементы, возникающие в результате СГП являются устойчивыми при термическом воздействии. Таким образом, в режиме СГП в твердой металлической матрице обеспечивается эффективная модификация материала наноэлементами, устойчивая при последующих обработках [8].

Это позволяет обеспечить направленное регулирование эксплуатационных свойств композиционных материалов.

Описываемый метод создания нанокомпозитов, по нашему мнению, представляет интерес для полимерных материалов. Он должен оказаться более эффективным по сравнению со смешением в расплаве слоистых силикатов с полиолефинами и каучуками, поскольку способен обеспечить большую степень диспергирования нанонаполнителя в полимерной матрице. Это, естественно, должно увеличить межфазовую границу и эффективность межфазного взаимодействия полимера и слоистого силиката или другого нанораз-мерного наполнителя.

(Работа выполняется в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 г. г. по ГК № 02.740.11.5212)

Литература

1. Мордкович, В. Нанокомпозиты на основе полиолефинов и углеродных наночастиц и нановолокон / В. Мордкович [и др.] // Наноиндустрия. - 2009. - № 1. - С. 20-23.

2. Kargin, V.A. Polymerization and grafting processes on fresh surfaces / V.A. Kargin, N.A. Plate // Journal of Polymer Science. - 1961. - Vol.52 - P. 155 - 158.

3. Ma, J. A new approach to polymer montmorillonite nanocomposites / J. Ma, H. Xu, J. H. Ren, Z. Z. Yu, and Y. W. Mai // Polymer. - 2003. - Vol.44. - № 16. -P. 4619 - 4624.

4. Lim, S.T. Polymer organoclay nanocomposites with biodegradable aliphatic polyester and its blends: Preparation and characterization / S.T. Lim, C.H. Lee, H.B. Kim, H.J. Choi, M.S. Jhon // E-Polymers. -2004. - № 026. - Р. 44-48.

5. Bakeev, N.F. Solvent Crazing of Polymers / N.F. Bakeev, A.L. Volynskii. - Amsterdam: Elsevier, 1995. - 120 р.

6. Brinker, C.J. Solgel science: the physics and chemistry of solgel process / C. J. Brinker, G.W. Scherer.

- Boston: Aca-demic Press, 1990. - 150 р.

7. Ушеренко, С.М. Сверхглубокое проникание частиц в преграды и создание композиционных материалов / С.М. Ушеренко. - Минск: НИИ импульсных процессов, 1998. - 210 с.

8. Фиговский, О.Л. Композиционные наноматериалы, подготовленные методом СГП. Физика явления СГП / О.Л. Фиговский, С.М. Ушеренко // Нанотехника. - 2009 - Т. 19. - №3 - С. 27-37.

9. Пат. 2221904 Российской Федерации МПК7 C1 G 21 B 001/00 G 21 B 001/02 Сверхглубокое проникновение частиц в преграды и создание композиционных материалов / Ушеренко С.М. заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ТПУ. - № 2000126315/06 завл. 24.10.1980 ; опубл. 03.08.1982.

10. Ушеренко, С.М. Представление об эффекте сверхглубокого проникновения / С.М. Ушеренко // Сб. научн. Трудов ,МГУ. - 2007. - №11. - С. 13-23.

11. Петрова, Е.В. Физико-химические свойства наночастиц гидроксидов и оксидов алюминия, полученных электрохимическим способом / Е.В. Петрова, А.Ф. Дресвянников, М.А. Цыганова, А.М. Губайдуллина, В.В. Власов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2008. - №5. - С. 302-310.

© О. Л. Фиговский - д-р техн. наук, проф., дир. по науке Международного Нанотехнологического Исследовательского центра «Polymate» (Израиль, г. Хайфа) olf@borfig.com; Е. М. Готлиб - д-р техн. наук, проф. каф. технологии синтетического каучука КГТУ, egotlib@yandex.ru; С. В. Наумов

- канд. техн. наук, доц. той же кафедры, naumov-sv@mail.ru.

9G2