ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ КЛЕЕВЫХ КОМПОЗИЦИЙ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ

Семилуцких Екатерина Юрьевна

11 класс МБОУ «СОШ № 20 с УИОП»

Саляхова Ольга Ивановна

научный руководитель, учитель химии МБОУ «СОШ № 20 с УИОП»

Чичварин Александр Валерьевич

научный руководитель, канд. хим. наук, доцент кафедры химии Старооскольского технологического института им. А.А. Угарова (филиал) Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»

В настоящее время внимание исследователей привлекает проблема создания клеевых композиций с повышенными адгезионными свойствами. Использование углеродных наноаметериалов позволяет получить новые материалы с улучшенными показателями, что немаловажно для развития науки и техники. Актуальным является перспективное применение углеродных фуллеренов в качестве модификатора полимеров в процессе смешения с участием твердой фазы. Особенный интерес заключается в том, что своё уникальное свойство как модификатор полимеров смесь фуллеренов проявляет при микродозировках [1; 2].

Работа посвящена исследованию влияния наноструктурных образований на основе смеси фуллеренов фракции С₅₀—С₉₂ на промышленные бутилкаучуки и полиуретаны, используемые в качестве основы клеевых композиций для прокатных валков. Актуальность работы заключается в том, что данное исследование позволяет выявить наиболее подходящую клеевую композицию, которую можно рекомендовать для использования в металлургическом производстве. Полученные сведения и выводы о наноструктурах плёнок исследуемых клеев могут быть использованы производителями для разработки нового оборудования, что соответствует приоритетным направлениям, развития науки, технологий и техники в Российской Федерации — индустрия наносистем и наноматериалов. Целью работы является сравнение методами сканирующей зондовой микроскопии поверхностных структур плёнок на основе полиуретанового клея и клея на основе бутилкаучука и определение наиболее прочной клеевой композиции. Для достижения цели были определены задачи: познакомиться с освящением проблем в научной литературе, произвести исследование поверхности методом сканирующей зондовой микроскопии, исследование прочности путем разрыва и проанализировать полученные экспериментальные данные с целью выявления характерных зависимостей.

Главная часть работы — исследование поверхности пленок образованных модифициованным полиуретановым клеем и их сравнение с пленками бутилкаучука и его производными — хлорбутилкаучуком, бромбутилкаучуком. Бутилкаучук набухает в ароматических растворителях, отличается низкой газопроницаемостью, причина этого — высокая плотность упаковки макромолекул бутилкаучука, связанная с их линейным строением и небольшим размером боковых метильных групп. По диэлектрическим свойствам бутилкаучук превосходит каучуки других типов, в том числе и натуральный [3; 4].

В качестве объектов исследования были выбраны: углеродсодержащий наноматериал — смесь фуллеренов фракции С₅₀ — С₉₂, состава: С₅₀ — С₅₈ (14.69 %), С₆₀ (63,12 %), С₆₂ — С₆₈ (5.88 %), С₇₀ (13.25 %), С_{72 —} С₉₂ (3.06 %), фуллеренсодержащий технический углерод (ФТУ) с содержанием фуллеренов фракции С₅₀ — С₉₂ 1,5 % и синтетические бутилкаучуки, полученные растворной низкотемпературной полимеризацией на катализаторах Фриделя-Крафтса (в хлористом метиле под действием хлорида алюминия). Рассматривали промышленные марки каучуков: бутилкаучук БК-1675 (далее БК), бромбутилкаучук ББК-239 (далее ББК), хлорбутилкаучук ХБК-139 (далее ХБК) [5]. В качестве объекта сравнения использовали полиуретановый клей «Момент-1» производства «Хенкель», характеризующийся высокими адгезионными свойствами.

Модификация полимеров фуллереновой смесью указанного состава проводилась путем внесения необходимой концентрации толуольного раствора смеси фуллеренов, в 3 % толуольный толуольный раствор анализируемых каучуков, так, что массовое соотношение полимер-модификатор в пересчете на сухое вещество составило 100 : 0,03. Для ФТУ это соотношение составило 100 : 0,15.

Исследование поверхности адгезива проводили методом сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), для чего клеи на основе бутилкаучука, полученные растворением в толуоле твердых бутилкаучука, хлорбутилкаучука и бромбутилкаучука и полиуретана наносили на алюминиевую фольгу [6].

При шестикратном увеличении изображений полученных образцов (Рис. 1), сделанных цифровым фотоаппаратом, видно, что толщина плёнки полиуретанового клея больше, клей распределен неравномерно по сравнению с пленкой бутилкаучука и его производными.

Рисунок 1. Поверхность исследуемых пленок клеевых композиций

Поверхности пленок исследовали методом сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) на приборе «СЗМ NanoEducator». Полученные данные представлены на рисунках 2, 3

Рисунок 2. Топография поверхности полиуретановой клеевой композиции: а) СЗМ изображение пленки полиуретанового клея; б) СЗМ изображение пленки полиуретанового клея модифицированного наносединениями углерода фуллеренового ряда; в) СЗМ изображение пленки смеси полиуретанового клея и фуллеренсодержащего техуглерода (фуллереновая сажа)

Полученные изображения свидетельствуют об изменении структуры поверхности клеевой композиции, нанесенной на склеиваемые полиэтиленовые фрагменты по действием вводимого модификатора, а именно:

·     на рисунке 2-а видна высокая степень шероховатости структуры клея;

·     данные рисунка 2-б демонстрируют снижение шероховатости под действием вводимого модификатора — фуллереновой смеси состава С₅₂—С₉₀

·     рисунок 2-в информирует нас о частичном выглаживании поверхности килевой композиции, что также связанно с проводимой модификацией.

Рисунок 3. Топография поверхности клеевых композиций на основе бутилкаучуков: а) СЗМ изображение пленки полиуретанового клея; б) СЗМ изображение пленки клея на основе бромбутилкаучука-232; в) СЗМ изображение пленки клея на основе хлорбутилкаучука-139; г) СЗМ изображение пленки клея на основе бутилкаучука-187.

Для более детального описания происходящих изменений было проведено измерение прочности клеевого соединения в зависимости от используемых склеиваемых поверхностей (субстратов), в качестве которых рассматривали полиэтилен, дерево, полистирол. Из указанных материалов были изготовлены прямоугольные образцы размером 10´100 мм, на которые наносили слой анализируемой клеевой композиции так, что площадь склеивания составила 10´10 мм. Пластинки с нанесенным на них полиуретановым клеем и клеями на основе бутилкаучука были выдержаны при комнатной температуре 15 мин, после чего их совместили и оставили до высыхания при температуре 20—25°С на одни сутки.

Для испытания брали по пять образцов каждого вида для нахождения средних значений разрушающего усилия. Склеенные образцы выдерживали до испытания в течении 24 часов. Результаты испытания для различных групп адгезивов представлены в таблице 1 и 2.

Таблица 1.

Прочность анализируемых клеевых соединений

Таблица 2.

Прочность анализируемых клеевых соединений на основе бутилкаучуков

Таким образом, анализ полученных СЗМ изображений показал, что частицы наноразмерного типа влияют на поверхностную структуру изготавливаемых клеевых композиций, а испытания на прочность позволили выявить взаимосвязь характера изменения свойств клеевого соединения с вводимыми модификаторами. Полученные изображения поверхности клеевой композиции, указали на снижение степени шероховатости структуры пленки клея, что особенно прослеживается при модификации фуллереновой смесью. Кроме того, такая модификация наилучшим образом влияет на характер склеиваемых поверхностей, увеличивая прочность клеевого шва почти на 30 % относительно немодифицированного клея, что прослеживается на всех типах исследуемых образцов. Производные бутилкаучука имеют большую адгезию по сравнению с модифицированным полиуретановым клеем на 5 %

Список литературы:

1.Булыгина Е.В., Макарчук В.В, Панфилов В.В., Оя Д.Р., Шахнов В.А. Наноразмерные структуры: классификация, формирование и исследование. Учебное пособие для Вузов. — М.: САЙНС-ПРЕСС, 2006 Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. М.: Машиностроение, 2007.

2.Игуменова Т.И., Герасимов В.И., Попов Г.В., Жабин А.В. Комплексная оценка состава фуллеренсодержащего наноуглерода /[Текст] Материалы XV Международной научно-практической конференции «Резиновая промышленность. Сырье. Материалы. Технологии», Москва. 2009. С. 113—115.

3.Мищенко С.В. Углеродные наноматериалы: производство, свойства, применение. [Текст] / С.В. Мищенко, А.Г. Ткачев. М.: Машиностроение, 2008. — 320 с., ил.

4.Химическая энциклопедия: В 5 т.: т. 4: Полимерные — Трипсин/ Редкол.: Зефиров Н.С. (гл. ред.) и др. — М.: Большая Российская энцикл., 1995. — 639 с.: ил. ISBN 5-85270-092-4 (т. 4).

5.Энциклопедия полимеров: В 3 т.: т. 1: Ред. коллегия: В.А. Каргин. — М.: Советская энциклопедия, 1972 г., 1224 с.