Литературный обзор

Материалы, содержащие полимерное связующее в качестве матрицы, склеивающей наполнители, называются полимерными композиционными материалами (ПКМ). Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получить ПКМ с требуемыми значениями прочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, сорбционными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами [4, 5].

Среди всего обширного класса ПКМ новым типом наполненных материалов являются полимерные нанокомпозиты (НК), в которых, по крайней мере, один из размеров дисперсной фазы (длина, ширина или высота) не пpевышает 100 нм [6, 7]. Благодаря высокой дисперсности наполнителя, такие системы могут обладать необычными свойствами, которые не удается получить для «традиционных» композитов. Функциональными компонентами полимерных НК могут являться металлы, полупpоводники, дpугие неоpганические и оpганические вещества.

К наиболее перспективным методам получения полимерных нанокомпозитов относятся:

• синтез нанокомпозитов in-situ при полимеризации матрицы на катализаторах, нанесенных на углеродный наноматериал (в этом случае углеродные наноструктуры играют роль и носителя катализатора полимеризации, и нанонаполнителя);

• синтез нанокомпозитов при интенсивном перемешивании модифицированных либо немодифицированных наноуглеродных частиц в расплаве или растворе полимера;

• получение нанокомпозитов в смешанных полимерных матрицах при перемешивании полярного и неполярного полимеров.

1. Выбор компонентов полимерных нанокомпозитов

1.1 Нанодисперсный полиэтилен низкой плотности в качестве связующего

В качестве одного из компонентов функциональных композитов перспективны порошки полиэтилена низкой плотности (ПЭНП), полученные методом высокотемпературного сдвигового измельчения (ВТСИ) [1, 2].

В начале 1980-х годов академик Ениколопов Н.С. с сотрудниками разработали новый важный в практическом аспекте и интересный с научной точки зрения способ тонкого измельчения полимерных материалов, при котором нагретый полимер разрушается, превращаясь в порошок, при одновременном воздействии высокого давления и сдвиговой деформации в диспергаторах роторного типа специальной конструкции, созданных на базе экструдера [1]. Давление, оказываемое на материал, позволяет запасти ему упругую энергию, которая под воздействием сдвиговой деформации реализуется в образовании новой поверхности. Измельчение материала легко протекает, когда высвобождение упругой энергии иным путем, чем через создание новой поверхности, затруднено. Данный способ измельчения полимерных продуктов в литературе получил несколько вариантов названия: «упруго-деформационное измельчение»; «высокотемпературное сдвиговое измельчение».

Не все полимерные продукты способны диспергироваться в тонкие порошки при ВТСИ. Достаточно хорошо измельчаются любые марки ПЭНП, хлорированный полиэтилен, целлюлоза, большинство видов резин (на основе диеновых, этиленпропиленовых, кремний и фторсодержащих каучуков и др.), полиуретаны и др. Процесс измельчения сопровождается образованием однородного высокодисперсного порошка с размером частиц 6-300 мкм, преимущественно сферической формы, с достаточно большой удельной поверхностью (0,5-2,5 м²/г) и узким распределением частиц по размерам, при этом оказалось возможным широко варьировать технологические режимы измельчения полимерных продуктов [2, 3].

Трудно измельчаются полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), полипропилен (ПП), полиэтилентерефталат, политетрафторэтилен, некоторые марки полиамида и др. Образующийся порошок преимущественно состоит из достаточно крупных (250-1000 мкм) частиц ассиметричной (волокнистой) формы с широким распределением частиц по размерам. Не измельчаются в индивидуальном виде полиметилметакрилат, полистирол, эластомеры, поликарбонат и др. В этом случае диспергирование полимеров сопровождается значительными технологическими затруднениями.

Благодаря явлению высокотемпературного охрупчивания, в случае ПЭНП наиболее эффективно процесс высокотемпературного сдвигового измельчения протекает при температуре, близкой к Т_пл полимера при минимальной работе механического разрушения и, соответственно, при минимальных удельных энергозатратах [3].

Важнейшей характеристикой порошков, получаемых в результате ВТСИ, является их дисперсный состав. Ранее, на основании результатов обычного микроскопического измерения, считалось, что размеры частиц полученного методом ВТСИ порошка ПЭНП находились в пределах 6-30 мкм. Электронная микроскопия дает размеры от 60 до 150 нм, причём данный порошок имеет достаточно высокую удельную поверхность (до 2,2 м²/г). Так как размер частиц порошка ПЭНП имеет масштаб порядка несколько сегментов Куна, следовательно, при ВТСИ ПЭНП происходит не только разрушение надмолекулярной структуры полимера, но и разрыв С-С связей в основной цепи.

Результаты измерения коэффициента водопоглощения и статической ёмкости нанодисперного порошка ПЭНП по парам гептана равны 12% и 0,26 см³/г, соответственно. Следовательно, поверхностные свойства порошкового ПЭНП более развиты, чем у других материалов на основе полиэтилена.

Выбор ПЭНП в качестве связующего обусловлен также тем, что он имеет невысокую температуру размягчения, позволяющую проводить формование заготовок при низких температурах. Также, полиэтилен – инертный материал, устойчивый в биологических средах.

Таким образом, порошковый ПЭНП с размерами частиц наноуровня можно рекомендовать для применения в качестве связующего при создании новых функциональных композиционных материалов (сорбентов, магнитопластов и др.).