НАНОКОМПОЗИЦИОННЫЕ АДДИТИВЫ ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТРИЦ

NANOCOMPOSITE ADDITIVE FOR MODIFYING THE POLYMER MATRIX

Alexander Voznyakovskii

doc. chem. sciences, head of laboratory of the research Institute of Synthetic Rubber,

Russia, St. Petersburg

Alexei Voznyakovskii

junior research scientist at the Research Institute of synthetic rubber,

Russia, St. Petersburg

Evgenii Ovchinnikov

candidate of science, Аssociate Professor, Yanka Kupala Grodno State University,

Belarus, Grodno

Evgeniya Eisymont

сandidate of science, Associate Professor of logistics and management of the

Yanka Kupala Grodno State University,

Belarus, Grodno

АННОТАЦИЯ

Целью данной работы является изучение структуры и физико-механических свойств нанокомпозиционных частиц, а также композиционных полимерных материалов, модифицированных данными частицами. Исследование структуры и физико-механических характеристик нанодисперсных частиц и нанокомпозиционных материалов проводилось по стандартным методикам. Установлено положительное влияние нанокомпозиционных частиц «алюминий-углеродные нановолокна» на физико-механические характеристики полимерных матриц. Применение данных аддитивов целесообразно для создания композиционных материалов различного функционального назначения, в т. ч. триботехнических.

ABSTRACT

The aim of this work is to study the structure and physico-mechanical properties of nanocomposite particles and composite polymeric materials modified these particles. Investigation of the structure and physico-mechanical properties of nano-dispersed particles and nanocomposite materials was carried out according to standard procedures. The positive effect of nanocomposite particles, “aluminum-carbon nanofibers” on the physical and mechanical properties of polymer matrices. The use of these additives is suitable for creation of composite materials for various purposes, including tribological.

Ключевые слова: наночастицы, полимеры, структура, физико-механические характеристики.

Keywords: nanoparticles, polymers, structure, physical and mechanical characteristics.

Повышение эксплуатационных характеристик машиностроительных изделий и конструкций достигается путем применения нанокомпозиционных материалов на основе высокомолекулярных, в составе которых превалирующее модифицирующее действие оказывают наночастицы металлов и оксидов [1, с. 273;2, c. 35]. Нанокомпозиционные материалы, модифицированные наночастицами металлов, полученными в результате термолиза металлосодержащих прекурсоров в расплаве матричного связующего, представляют особый класс композитов, отличающихся по структуре и служебным характеристикам от традиционных смесевых композиций [2, c. 110]. Проведенные системные исследования особенностей структуры и фазовых превращений в металлополимерных нанокомпозитах показало, что они существенно расширяют диапазон практического применения изделий из нанокомпозиционных материалов в различных конструкциях механизмов и машин, в т. ч. тяжелонагруженных трибосистемах [2, c. 78; 3, c. 5]. Перспективным направлением является формирование тонкого нанодисперсного углеродного слоя на металлических частицах различной технологии получения. В работе [6, с. 565] показано создание композиционных порошковых материалов алюминий–углеродные нановолокна (УНВ). В работе установлено, равномерное распределение углеродного материала на поверхности металлических частиц путем синтеза нановолокна из газовой фазы при добавлении 0.02 масс. % никелевого катализатора.

Целью данной работы является изучение структуры и физико-механических свойств нанокомпозиционных частиц, а также композиционных полимерных материалов, модифицированных данными частицами.

Получение нанокомпозиционных частиц проводился двумя технологическими методами. Методом термического разложения прекурсора получали нанодисперсные частицы меди. Формирование нанокомпозционных частиц «алюминий-углеродные нановолокна» получали химическим осаждением углерода в вакууме (CVD) на металлические частицы. Катализатором роста углеродных наноструктур являлся никель, который был нанесен на поверхность алюминиевого порошка из раствора нитрата с последующими термической обработкой и восстановлением в водороде при температуре 550°C. Концентрация никеля составляла 0.02 масс. % от массы алюминия. Полученный композиционный материал представляет собой алюминиевые микрочастицы с равномерно распределенными углеродными волокнами по поверхности [6, с. 565]. Исследование структуры и физико-механических характеристик нанодисперсных частиц и нанокомпозиционных материалов проводилось по стандартным методикам.

На рис. 1 представлена морфология нанодисперсных частиц, полученых по технологии разложения прекурсора (а) и химическим осаждением в вакууме (б).

Рисунок 1. Морфология нанокомпозиционных частиц металлов: а – медь, полученная термолизом прекурсора; б – нанокомпозиционные частицы «углерод-алюминий», полученные методом CVD

Нанодисперсные частицы меди имеют сферический габитус, вследствие высокой активности частиц они агломерируются в кластерные структуры с латеральным размером агрегатов от 400 нм до 1–1,5 мкм. Нанокомпозиционные частицы «алюминий-углеродные нановолокна» имеют также сферическую форму, представлющую твердое металлическое ядро, покрытое развитой углеродной волокнистой «шубой». Данное строение частицы позволяет увеличить удельную поверхность частиц и, как следствие, ее активность.

Современные методы физико-химического анализа показывают, что на границе раздела «наночастица металла – полимерная матрица» протекают межфазные процессы, интенсивность которых зависит от параметров эксплуатационных факторов и определяет деформационно-прочностные, триботехнические, теплофизические и др. служебные характеристики изделий [2, с. 78; 3, с. 6]. Существенными недостатками промышленно выпускаемых конструкционных термопластов являются сравнительно высокий коэффициент трения, достигающий при трении без смазки 0,6–0,8, и низкие термо-, теплостойкость. Перспективными модификаторами термопластичных полимерных материалов являются высокодисперсные металлы (коллоидные), получаемые термолизом металлосодержащих соединений типа карбонилов, формиатов, оксалатов меди, железа, свинца, цинка [2, с. 78; 4, с. 89; 5, с. 183]. Полимерные связующие, содержащие коллоидные металлы, отличаются высокой стойкостью к воздействию термоокислительных сред.

Проведенные исследования по изучению физико-механических характеристик полимерных материалов, модифицированных нанокомпозиционными частицами, показал существенное увеличение прочностных характеристик (рис. 2). Стабилизирующее действие нанокомпозиционных частиц металлов, согласно [4, с. 173], обусловлено, с одной стороны, связыванием молекул кислорода воздуха, атакующего активные центры макромолекул, и, с другой стороны, пассивацией активных центров в результате их взаимодействия с активными центрами на металлической поверхности. Увеличение прочностных характеристик модифицированных полимерных материалов приводит к изменению триботехнических характеристик (рисунок 3).

Рисунок 2. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении от времени термоокисления при T=423K на воздухе полиамида 6 (1), нанокомпозиционного материала ПА6+0,05 масс. % меди (2), нанокомпозиционного материала ПА6+0,05 масс. % «алюминий-углеродные нановолокна»

Рисунок 3. Зависимость коэффициента трения от нагрузки при трении нанокомпозиционных материалов на базе полиамида 6: 1 – полиамид, 2 – ПА6+0,05 масс. % меди, 3 – ПА6+0,05 масс. % «алюминий-углеродные нановолокна»

Улучшение триботехнических характеристик обусловлено процессом ингибированием процессов термоокисления полимерной матрицы частицами высокодисперсного металла и их композиций, улучшение теплопроводности и снижение подвижности макромолекулярных цепей вследствие адсорбции их активных центров на частицах металла.

Таким образом, установлено положительное влияние нанокомпозиционных частиц «алюминий-углеродные нановолокна» на физико-механические характеристики полимерных матриц. Применение данных аддитивов целесообразно для создания композиционных материалов различного функционального назначения, в т. ч. триботехнических.

Список литературы:

1. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. – М.: Физматлит, 2005. – 416 с.
2. Струк В.А. Трибохимическая концепция создания антифрикционных материалов на основе многотоннажно выпускаемых полимерных связующих: Дисс. … докт. техн. наук. – Минск. 1988. – 323 с.
3. Лиопо В.А. Геометрические параметры наночастиц / Наноразмерные системы-2. – Гродно: ГрГУ. 2003. – В. 3. – С. 4–11.
4. Мачюлис А.Н. Диффузионная стабилизация полимеров. / А.Н. Мачюлис, Э.Э. Торнау. – Вильнюс: Минтис, 1974. – 256 с.
5. Гладышев Г.П. Стабилизация термостойких полимеров / Г.П. Гладышев, Ю.А. Ершов О.А. Шустова – М.: Химия, 1979. – 272 с.
6. Rudskoy A.I., Tolochko O.V., Kol’tsova T.S., Nasibulin A.G. // Metal Sci. Heat Treatment. 2014. Vol. 55. P. 564–568.