CC BY
37
УДК 541.64+678.744+691.175.2
Е. В. Самарин, Т. Р. Дебердеев
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ЭФФЕКТИВНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАНОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ
В ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ В АСПЕКТЕ ВНЕДРЕНИЯ
НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ПО ПЕРЕРАБОТКЕ ПЛАСТМАСС
Ключевые слова: агломерат, агрегирование, матричный полимер, наночастицы, наполнитель, переработка пластмасс, полимерные дисперснонаполненные нанокомпозиты, производство, расплав полимера, экономическая эффективность.
Рассмотрены проблемы получения полимерных дисперснонаполненных нанокомпозитов в условиях современного производства переработки пластмасс. В аспекте структурного строения проанализирована эффективность введения нанодисперсных наполнителей в полимерную матрицу. Обоснована необходимость в разработке методов эффективного распределения нанодисперсных наполнителей в полимерной матрице в условиях предприятий полимерной индустрии. Предложены возможные методы решения проблемы неравномерного распределения нанодисперсных наполнителей в полимерных нанокомпозитах.
Keywords: agglomerate, aggregation, economic efficiency, filler, matrix polymer, nanoparticles, plant, polymer dispersed filled
nanocomposites, polymer melt, polymer processing.
Problems ofpolymer dispersed filled nanocomposites obtaining in modern polymer processing manufacture conditions were considered. In structural aspect the effectiveness of nanosizedfillers' injection in polymer matrix was analyzed. The necessity in developing methods for efficient distribution of nanosized fillers in polymer matrix in terms ofpolymer industry manufactures was proved. Possible methods of solving the problem of nonuniform nanosized fillers' distribution in polymer nanocomposites were proposed.
С каждым годом как отечественные, так и зарубежные исследователи все больше проявляют интерес к полимерным нанокомпозиционным материалам, а количество научных публикаций по данной тематике значительно превышает публикации по другим направлениям развития науки о полимерах. Такое повышенное внимание обусловлено, в первую очередь, перспективами использования полимерных нанокомпозитов в различных областях промышленности, медицины, экологии и т.д.
Существует несколько методов получения полимерных нанокомпозитов [1, 2, 3]: полимеризация in situ; использование термореактивных матриц аналогично смешению в растворе;
электроформование; химический способ (в жидких и твердых средах); расслаивание многокомпонентных систем с выделением наночастиц; электронно-лучевое (магнетронное) распыление; фотополимеризация; механическое смешение наночастиц с мономером, олигомером, раствором или расплавом полимера. Наиболее целесообразным способом получения дисперснонаполненных нанокомпозитов на предприятиях является метод механического смешения расплава полимера с наночастицами. Такой метод позволяет использовать имеющееся оборудование для переработки пластмасс, что значительно сокращает финансовые, энергетические и временные расходы на оптимизацию и перенастройку производства для получения полимерных нанокомпозитов.
Однако даже при наличии перспективы значительного повышения экономической
эффективности нанодисперсные наполнители в полимерной индустрии нашей страны практически не используются. В первую очередь, это связано с проблемой неравномерного распределения нанодисперсных частиц в расплаве полимера при получении композита. На существующем в настоящее
время оборудовании невозможно равномерно распределить нанодисперсные частицы в полимерной матрице, вследствие чего происходит агрегирование наночастиц размером 1-100 нм в агломераты размером 1-5 мкм (см.
рис. 1). Нанодисперсный наполнитель при агрегировании в расплаве полимера начинает проявлять свойства микронаполнителя, но при этом структура его частиц остается неоднородной. В итоге полученный таким способом полимерный нанокомпозит имеет более высокую себестоимость, но уступает по своим характеристикам (в частности деформационно-прочностным) матричному полимеру. Это происходит вследствие того, что, согласно теории механизма разрушения композиционных дисперсных систем [4], трещины, возникающие из-за внутренних напряжений при нагружении полимера, попадая на частицу наполнителя, не огибают (что повышает прочность материала), а разламывают ее (см. рис. 2).
Кроме того, значительное улучшение деформационных, прочностных, оптических, магнитных и электрических свойств полимерных материалов при введении в них нанодисперсных наполнителей происходит за счет появления эффекта наноадгезии, т.е. значительного повышения прочности адгезионного соединения (в 4-5 раз) между фазами полимера [6, 7]. Эффект наноадгезии появляется в результате большего (по сравнению с микро- и макроразмерными наполнителями) отношения площади поверхности к объему нанодисперсных частиц [8]. В итоге, с точки зрения данного отношения, нанодисперсный наполнитель при агрегировании практически проявляет свойства
микроразмерного, и изменение характеристик полученного полимерного композиционного
материала происходит не как у нано-, а как у микрокомпозита.
О
Смешение в раеплавс
Наночаспща с d " ] -100 нм
Агломерат из наночастиц с; d - 1 -5 мкм
Рис. 1 - Получение нанодисперсных полимерных композитов методом смешения в расплаве [5]
а б
Рис. 2 - Механизмы разрушения дисперснонаполненного композиционного
материала с однородными (а) и неоднородными (б) частицами [4]
Поэтому до сих пор одной из важнейших задач в области изучения свойств и получения полимерных нанокомпозитов остается разработка эффективных методов распределения
нанодисперсных частиц в расплаве полимера с учетом возможностей предприятий по переработке пластмасс.
Предполагается, что эта задача может быть решена несколькими способами:
1) усовершенствованием конструкции оборудования;
2) разработкой специальных добавок, подавляющих эффект агрегирования нанодисперсных частиц в расплаве;
3) подбором связующих, которые обволакивают наночастицы и исключают их взаимодействие друг с другом;
4) разработкой методов эффективного удаления вышеуказанных добавок и связующих из полимерного композиционного материала в процессе его получения.
Таким образом, разработка эффективных методов распределения нанодисперсных частиц в расплаве полимера позволит перенести весь накопленный научный опыт в области полимерных наноматериалов в условия реального производства, что приведет к значительному улучшению экономических, энергетических и экологических показателей предприятий в отрасли переработки пластмасс.
Литература
1. Шевченко, В.Г. Основы физики полимерных композиционных материалов: учебное пособие для студентов по специальности «Композиционные наноматериалы» / В.Г. Шевченко. - М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 2010. - 99 с.
2. Тунян, А.А. Метод создания нанокомпозитов с неорганическим компонентом / А.А. Тунян, А.В. Волков, М.А. Москвина, А.Л. Волынский // Физико-химия полимеров: синтез, свойства и применение. -2010. - № 16. - С. 115-119.
3. Гусев, А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. / А.И. Гусев. - М.: Физматлит, 2007. - 414 с.
4. Симонов-Емельянов, И.Д. Основы создания композиционных материалов / И.Д. Симонов-Емельянов, В.Н. Кулезнев. - М.: МИХМ, 1986. - 86 с.
5. Симонов-Емельянов, И.Д. Полимерные нанокомпозиты: «За» и «Против» / И. Д. Симонов-Емельянов // Доклады VII Российского конгресса переработчиков пластмасс. - M.: 2014. - 27 с.
6. Яхьяева, Х.Ш. Структурные основы межфазной адгезии (наноадгезии) в полимерных композитах / Х.Ш. Яхьяева, Г.Е. Заиков, Т.Р. Дебердеев, Н.В. Улитин, О. В. Стоянов, Г. В. Козлов, Г. М. Магомедов, И. И. Насыров // Вестник Казанского государственного технологического университета. - 2012. - № 5. - С. 68-70.
7. Заиков, Г.Е. Эффективная степень наполнения дисперсно-наполненных полимерных нанокомпозитов / Г.Е. Заиков, О.В. Стоянов, Т.Р. Дебердеев, Г.В. Козлов, А.Х. Маламатов, З.Х. Афашагова // Вестник Казанского государственного технологического университета. - 2012. - № 5. - С. 71-73.
8. Май, Ю-Винг. Полимерные нанокомпозиты / под ред. Ю-Винг Май, Ю Жонг-Жен. - М.: Техносфера, 2011. -688 с.
© Е. В. Самарин - к.х.н., председатель госуд. аттестационной комиссии каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ по специальности 261200 - Технология и дизайн упаковочного производства, SamarinEV@yandex.ru, Т. Р. Дебердеев - д.т.н., проф., зав. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, Deberdeev@mail.ru.
© E. V. Samarin - Cand.Chem.Sci., State Attestation Commission chair, Processing Technology of Polymers and Composite Materials Department, Kazan National Research Technological University, SamarinEV@yandex.ru, T. R. Deberdeev - Dr.Tech.Sci., professor, Head of Department, Processing Technology of Polymers and Composite Materials Department, Kazan National Research Technological University, Deberdeev@mail.ru.
