научная статья по теме ВЛИЯНИЕ УРОВНЯ МЕЖФАЗНОЙ АДГЕЗИИ НА СТРУКТУРУ НАНОНАПОЛНИТЕЛЯ В НАНОКОМПОЗИТАХ ПОЛИМЕР/ОРГАНОГЛИНА Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ УРОВНЯ МЕЖФАЗНОЙ АДГЕЗИИ НА СТРУКТУРУ НАНОНАПОЛНИТЕЛЯ В НАНОКОМПОЗИТАХ ПОЛИМЕР/ОРГАНОГЛИНА»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2011, № 7, с. 96-99

УДК 541.64:536.6

ВЛИЯНИЕ УРОВНЯ МЕЖФАЗНОЙ АДГЕЗИИ НА СТРУКТУРУ НАНОНАПОЛНИТЕЛЯ В НАНОКОМПОЗИТАХ

ПОЛИМЕР/ОРГАНОГЛИНА

© 2011 г. Б. Ж. Джангуразов, Г. В. Козлов, А. К. Микитаев

ООО "ТДПолиХимГрупп", Москва, Россия Кабардино-Балкарский государственный университет, Нальчик, Россия Поступила в редакцию 23.08.2010 г.

Показана определяющая роль межфазной адгезии в системе "поверхность пластин органоглины-поли-мерная матрица" для степени диспергирования пластин силиката. Рассмотрены количественные методы оценки основных структурных характеристик органоглины. Предложенная трактовка пачки (такто-ида) органоглины хорошо согласуется с разработанной ранее моделью "эффективной частицы".

ВВЕДЕНИЕ

В отличие от многих минеральных наполнителей, используемых при производстве пластмасс (тальк, слюда и т.п.), органоглины, в частности монтмориллонит, способны расслаиваться и диспергироваться в отдельные пластины толщиной примерно 1 нм. Пачки пластин монтмориллонита, не разделяющиеся после введения в полимер, часто называют тактоидами. Термин "интеркаляция" описывает случай, когда небольшие количества полимера проникают в галереи между пластинами силиката, что вызывает разделение этих пластин на ~2-3 нм. Эсфолиация или расслоение происходит при расстоянии между пластинами (в рентгено-структурном анализе это расстояние принято называть межслоевым интервалом ^001) порядка 8-10 нм. Хорошо расслоенный и диспергированный нано-композит включает отдельные пластины органо-глины, однородно распределенные в полимерной матрице [1].

Из сказанного выше следует, что двумя наиболее важными характеристиками нанонаполнителя в нанокомпозитах полимер/органоглина являются число пластин силиката в пачке (тактоиде) N и межслоевой интервал ^001. Оба указанных параметра характеризуют степень диспергирования (или, наоборот, агрегации) органоглины в полимерной матрице. Диспергирование слоевых нанонаполнителей часто (если не всегда) имеет критическое значение в процессе упрочнения нанокомпозитов полимер/орга-ноглина [1-3]. Очевидно, что уровень межфазной адгезии будет влиять на степень диспергирования органоглины. Не случайно органоглина вводится в полимерную матрицу только с модификатором, позволяющим повысить уровень межфазной адгезии в системе "полимерная матрица-нанонапол-нитель" [4]. Цель настоящей работы - дать теоретическую количественную трактовку влияния уровня межфазной адгезии на параметры, характеризую-

щие степень диспергирования органоглины: число пластин силиката в пачке (тактоиде) и межслоевой интервал.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве матричного полимера использованы полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) марки B-Y456 со средневесовой молекулярной массой Mw = 3 х 105, производство Узбекистана (аналог отечественного ПЭВП-276-73) и полипропилен (ПП) марки Каплен 01 030 с Mw = 2.3 х 105, производство Российской Федерации. В качестве нанонаполни-теля применяли природную глину, модифицированную согласно патенту RU2007128379. Ее содержание во всех исследуемых нанокомпозитах составляло 5 мас. %.

Нанокомпозиты ПЭВП/органоглина и ПП/ор-ганоглина получены смешиванием компонентов в расплаве на двухшнековом экструдере Thermo Haake, модель Reomex PTW 25/42, производство ФРГ. Смешивание выполнено при температуре 453—468 К и скорости вращения шнека 45 об./мин в течение 3 мин. Образцы для испытаний получены методом литья под давлением на машине Test Sample Injection Molding Apparate RR/TS MP фирмы Ray-Ran (Тайвань) при температуре материального цилиндра 473 К, температуре формы 333 К и давлении запирания 8 МПа.

Механические испытания на одноосное растяжение выполнены на образцах в форме двухсторонней лопатки с размерами согласно ГОСТ 112 62-80. Испытания проводили на универсальной испытательной машине Gotech Testing Machine CT-TCS 2000, производство ФРГ, при температуре 293 К и скорости деформации 2 х 10-3 с-1.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Уровень межфазной адгезии в системе "полимерная матрица—органоглина" можно охарактеризовать параметром Ь, который определяется с помощью следующих уравнений [3]:

Ен , . ^ О.. .. ,ч1.7

1 + 11 (1.955 фнЬ)

для интеркалированной органоглины и

Е^ = 1 +11 (2.910 Ф нЬ)

Ем

1.7

(1)

(2)

для эсфолиированной, где Ен и Ем — модули упругости нанокомпозита и матричного полимера соответственно (напомним, что отношение Ен/Ем называют степенью усиления нанокомпозита), фн — объемное содержание нанонаполнителя.

Отметим важный методологический аспект использования параметра Ь в качестве характеристики уровня межфазной адгезии. Указанный параметр может быть оценен независимым методом с помощью уравнения [5]:

П

а н

см 1 / см

а„ - Ь (ан -ан),

(3)

Рн =

6x103 Sу А

(4)

(4) дает значение рн = 1790 кг/м3. Далее можно рассчитать величину фн по известному уравнению [8]:

Фн =—, Рн

(5)

где Жн — массовое содержание органоглины. Поскольку для всех исследуемых нанокомпозитов Жн = = 5 мас. %, то величина фн для них постоянна и равна 0.0279.

Далее было оценено число силикатных пластин в пачке (тактоиде) в соответствии с предложенной в [1] методикой, которая заключается в определении толщины межфазного слоя /мф согласно двум подходам. Первый из них предполагает использование фрактального уравнения [1]:

1 мф!

= 'ст (I)

2(й-йп)й

(6)

где ан, и ан — коэффициенты линейного теплового расширения нанокомпозита, полученные экспериментально и рассчитанные согласно правилу смесей и уравнению Тернера соответственно.

Параметр Ь позволяет провести точную качественную градацию уровня межфазной адгезии. Так, Ь < 0 означает отсутствие межфазной адгезии, Ь = 1 — совершенную (по Кернеру) адгезию, а условие Ь > 1 определяет эффект наноадгезии [6]. Эффект наноадгезии заключается в резком повышении уровня межфазной адгезии для нанокомпози-тов по сравнению с традиционными композитами, наполненными частицами (дисперсный наполнитель, короткие волокна) микронных размеров. Так, для последних в случае достаточно большого числа полимерных матриц и наполнителей был получен интервал Ь = —0.19—1.39 [5], тогда как в случае наноадгезии величина Ь может достигать ~15 [6]. Использование параметра Ь позволяет гораздо более точное качественное и количественное описание модуля упругости нанокомпозитов [7].

Величина фн была оценена следующим образом. Сначала была рассчитана плотность рн пластины органоглины согласно уравнению [8]:

где /мф — толщина межфазного слоя, рассчитанная согласно уравнению (6), 1ст — длина статистического сегмента цепи полимерной матрицы, Бч — размер частицы нанонаполнителя, d — размерность евклидова пространства, в котором рассматривается фрактал (очевидно, в нашем случае d = 3), dn — размерность поверхности частицы нанонаполнителя, а — нижний линейный масштаб фрактального поведения полимерной матрицы, принимаемый равным /сг [1]. Величина /сгопределена по уравнению [10]:

1 ст = С<х>10> (7)

где Сх — характеристическое отношение, которое является показателем статистической гибкости полимерной цепи [11], 10 — длина скелетной связи основной цепи, равная для ПЭВП и ПП 1.54 А [12].

Поскольку введение нанонаполнителя (как и наполнителя микронных размеров [13]) изменяет гибкость цепи матричного полимера в силу взаимодействия между нанонаполнителем и полимерной матрицей [14], то для расчета Сх использована формула [15]:

С =

/

4

-1)( - йг) 3'

(8)

где df — фрактальная размерность структуры нанокомпозита, определяемая следующим образом [16]:

= (* -1)(1 + у).

(9)

где Sу — удельная поверхность органоглины, Бч — размер ее частицы.

Величина Sу для органоглины равна ~74 х х 103 м2/кг [9], а в качестве Бч принят среднеарифметический размер пластины силиката в предположении, что она имеет длину 100 нм, ширину 35 нм и толщину 1 нм [1]. В этом случае расчет по уравнению

Здесь V — коэффициент Пуассона, оцениваемый по результатам механических испытаний с помощью соотношения [17]:

(10)

От _ (1 - 2у) Ен _ 6(1 +

где стТ — предел текучести нанокомпозита. Величина размерности поверхности органоглины dn принята равной 2.83 согласно данным [9].

м

98

N 30

20

10

Д- 1

- \ о- 2

■ "Г

ДЖАНГУРАЗОВ и др.

d001' нм

4

0

2

4 b

Рис. 1. Зависимость числа пластин силиката в пачке (тактоиде) N от параметра Ь для нанокомпозитов ПЭВП/органоглина (1) и ПП/органоглина (2). Горизонтальная штриховая линия указывает условие разделения пластин ^ = 1).

of

On п

- 1

- 2

1 □ - 3 1

0

2

4b

Рис. 2. Зависимость межслоевого интервала от параметра Ь для нанокомпозитов ПЭВП/органоглина (1), ПП/органоглина (2) и ПЭВП/монтмориллонит [18] (3).

2

Второй метод расчета /мф (/мф2) использует следующее уравнение [1]:

l

мф2

_ Фм/п 2Фн

(11)

где фмф - относительная доля межфазных областей, Спл - толщина пластины силиката, равная 0.65 нм [2]. Величину фмф можно определить согласно перколяционному соотношению [1]:

Е = 1 + 11 (фн +Фмф)17- (12)

Е м

И, наконец, величина N определяется так [1]:

N =

мф1 мф2

(13)

На рис. 1 приведена зависимость числа пластин силиката в пачке (тактоиде) N от параметра b, рассчитанного согласно уравнению (1). Как и следовало ожидать, наблюдается снижение N (повышение степени диспергирования органоглины) по мере роста уровня межфазной адгезии, характеризуемого параметром b. При b = 0 в полимерной матрице остаются большие пачки, состоящие примерно из 24 пластин силиката. Для разделения такой пачки на отдельные пластины (N = 1) требуется достаточно высокий уровень межфазной адгезии (b = 4.15). Учитывая приведенную выше качественную градацию указанного уровня, укажем, что разделение пачки на отдельные пластины невозможно без реализации эффекта наноадгезии. Аналитически соотношение между N и b можно выразить следующим эмпирическим уравнением:

N = 24 - 5.7b. (14)

Далее рассмотрим влияние уровня межфазной адгезии на величину межслоевого интервала С001, которую можно рассчитать по формуле [1]:

, _ Фмф^п

и о

'001

Фи

■ + ипл ^мф2 + ипл'

(15)

На рис. 2 приведена зависимость С001(Ь), из которой следует линейное увели

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком