CC BY
71УДК 678.7
Лишних М.А.
студент 2 курса магистратуры Тамбовский государственный технический университет
(г. Тамбов, Россия)
ВИДЫ И СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Аннотация: в данной статье рассматриваются виды и свойства композиционных материалов, созданных на основе полимеров, проводится сравнение с традиционными материалами и приводится обоснование повышенных характеристик нанокомпозитов.
Ключевые слова: наноматериалы, композит, полимер, полимерный композит, нанокомпозит.
Один из самых современных композиционных материалов, полученных человеком, называемый нанокомпозитом, появился сравнительно недавно. Структура композитных наноматериалов характеризуется наличием фазы, размеры которой лежат в диапазоне 10 - 100 нм.
Нанокомпозиты в зависимости от содержания наноразмерных частиц наполнителя разделяют на три группы. Первая - включает композиционные материалы, усиленные нановолокнами. Эффект упрочнения в них достигается не только за счет армирования волокнами, но и из-за влияния наноразмерных частиц наполнителя на структуру и свойства материала матрицы (структурирующий эффект). Такие материалы относятся ко второй группе нанокомпозитов, которые называются наноструктурированными. Эффект упрочнения достигается даже при очень низком содержании наночастиц (0,0015% мас.). Также, композит может приобрести совершенно новые функциональные свойства в связи с изменением структуры. Введение таких
количеств наноразмерного наполнителя достаточно для значительного изменения таких важных физических свойств, как каталитическая активность в химических реакциях, магнитных и электромагнитных свойствах, а также более плотная компактировка молекул вблизи такого модификатора улучшает прочностные характеристики в целом.
Группа дисперсно-упрочненных композитов состоит в основном из материалов на основе металлических матриц (алюминия и его сплавов, меди и его сплавов), где частицы оксида действуют как дисперсные частицы. В случае использования нанодисперсных частиц сферической формы анизотропия свойств в полученных материалах практически не возникает. Однако в материалах, структурированных путем введения хлопьевидных или волокнистых нанокристаллов, анизотропия свойств проявляется, поскольку традиционные технологические методы формования композитов и изделий из них (горячее прессование, экструзия, литье под давлением) неизбежно приводят к ориентации причем частицы наполнителя имеют удлиненную форму.
Увеличение механических свойств композитов, с использованием дисперсных наполнителей, может быть связано с двумя эффектами. Во-первых, интенсивное взаимодействие частиц наноразмерного наполнителя с материалом матрицы стимулирует образование в расплаве гораздо большего количества центров кристаллизации, что в конечном итоге приводит к образованию материала с гораздо большей степенью полимеризации (в случае полимеров, бетонов макро частицы, из которых состоит матрица, уменьшают свою дисперсность, а общая структура становится менее дефектной) или к образованию металла, имеющего гораздо более тонкую кристаллическую структуру. А это, как известно, способствует повышению прочности материала. Во-вторых, удлиненная природа наночастиц, имеющих чешуйчатую и протяжённую форму, приводит к появлению асимметричных полей напряжений при затвердевании материала при охлаждении, наличие которых приводит к образованию ориентированных кластеров.
Механизм усиливающего воздействия в таких композиционных материалах связан с увеличением сопротивления матрицы деформациям под действием различных сил. Улучшение прочностных характеристик относительно мало. Однако эти материалы имеют большую ценность из-за их способности работать при повышенных (по сравнению с чистыми металлами и полимерами) рабочих температурах, превышающих температуру плавления или фазового превращения материала матрицы.
Некоторые из этих композитов обладают нетипичными свойствами. Например, композиционный материал на основе меди и оксида бериллия сохраняет более 80% электропроводности при комнатной температуре, даже после 2000 часов при 850 °С, приобретая при этом прочность выше, чем у меди и ряда ее сплавов.
В полимерматричных композитах переход от микронаполненных наполнителей к нанонаполненным значительно изменяет ряд эксплуатационных и технологических характеристик, связанных с локальными химическими взаимодействиями, в том числе: скорость отверждения, температуру стеклования, подвижность полимерной цепи, степень полимеризации матрицы, деформируемость полимерной цепи. Даже небольшое количество добавки наноразмерных наполнителей приводят к значительному улучшению свойств нанокомпозитных материалов по сравнению с микрочастицами. Например, добавление углеродных нанотрубок приводит к значительному увеличению электрической и теплопроводности нанокомпозитов (сопротивление уменьшается на 8-10 порядков, а теплопроводность увеличивается до 4 раз).
Часто наночастицы диспергируются в материале матрицы непосредственно во время получения нанокомпозита. Содержание нанонаполнителя может быть относительно низким. Улучшение свойств материала становится возможным благодаря высокой степени влияния развитой поверхности наполнителя на упорядочение расположения элементов в системах со случайно сформированной структурой. Этот эффект наблюдается при
введении в матрицу наночастиц, имеющих чешуйчатую или трубчатую протяженную форму.
Так же, наноразмерный характер частиц наполнителя может приводить к получению композиционных материалов, имеющих необычную структуру и свойства, например, введение некоторых наноразмерных наполнителей в полимерную матрицу придает ей огнестойкость и негорючесть, а также биоразложение. В ряде случаев введение 5% по массе наноразмерных наполнителей в состав композита позволяет в 5-15 раз уменьшить газопроницаемость материала и значительно улучшить его трещиностойкость и износостойкость, как по сравнению с исходным полимером, так и по сравнению с полимерным композитом, содержащим 20-30% мас. обычного микрометрового наполнителя.
По мере уменьшения размера частиц металла и полимера свойства как исходных компонентов, так и композиционного материала изменяются. Изменение доли интерфейсов позволяет изменять свойства материала. Металлические наночастицы наполнителя приводят к реорганизации супрамолекулярной структуры полимерной матрицы.
Для очистки и дезинфекции воды были разработаны новые полимерные нанокомпозиты на основе слоистых силикатов и полиэлектролитов, обладающих сорбционными и биоцидными свойствами. Суть синтезируемого метода заключается в химической модификации природного минерала, монтмориллонита. Модификация достигается путем создания полимерного слоя на поверхности и в межслоевом пространстве минеральной матрицы при определённых условиях.
Экспериментальные исследования показали, что гранулированные сорбенты, которые представляют собой нанокомпозиты на основе глинистых минералов и биоцидных полиэлектролитов, имеют все необходимые технические и экономические характеристики для использования в процессах очистки природных и сточных вод. Они недороги из-за использования
природного минерала, имеют высокую пропускную способность и высокий срок службы, устойчивость к микробиологическому разрушению из-за содержания биоцидных полиэлектролитов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Kroto, C60: Buckminsterfullerene / H.W. Kroto, J.R. Heath, S.C. O'Brien // Nature. -1985. - N. 318. - P. 162.
Wen, J. Organic/Inorganic Hybrid Network Materials by the Sol-Gel Approach / J. Wen, G.L. Wikes // Chem. Mater. - 1996. - V.8. N.8. - P. 1667-1681. Yang, Y. Preparation and properties of hybrids of organo-soluble polyimide and montmorillonite with various chemical surface modification methods / Y. Yang, Z.K. Zhu, J. Yin, X.Y. Wang, Z.E. Qi // Polymer. - 1999. - N. 12. - P. 4407-4414.
Lishnih M.A.
2nd grade master student Tambov State Technical University (Russia, Tambov)
TYPES & PROPERTIES OF NANOCOMPOSITES BASED ON POLYMER MATERIALS
Abstract: this article discusses the types and properties of composite materials based on polymers, compares them with traditional materials, and provides a rationale for the improved characteristics of nanocomposites.
Keywords: nanomaterials, composite, polymer, polymer composite, nanocomposite.
