Введение к работе
Актуальность работы
В последние годы растет интерес к разработке полимерно-композиционных материалов (ПКМ), с содержанием частиц нанометрового размера. Получение таких композитов возможно несколькими способами:
синтезом частиц наполнителя, еще на стадии формирования самого композита напрямую в отверждающейся олигомерной матрице (золь-гель процесс),
введением уже готового наполнителя нанометрового размера в полимерную матрицу,
введением ограниченно растворимых полимерных добавок с получением частиц нанометрового размера за счет микрофазового разделения при охлаждении растворов термопластов или взаимного отверждения смесей олигомеров.
Основным достоинством первого метода является изначально равномерное распределение частиц в объеме матрицы, происходящее из самого способа получения модификатора, становящегося наполнителем, а недостатком сложность подбора оптимальных технологических параметров и начальной концентрации алкоксидов. Во втором случае основными достоинствами метода, являются известные состав и свойства модификатора, а недостатком - трудность равномерного диспергирования модификатора, особенно при его малых концентрациях. Третий метод обладает теми же достоинствами и недостатками что и первый, но в отличие от органо-неорганических смесей, характеризуется более крупными размерами частиц выпавшей фазы, за счет большого размера полимерных молекул.
Анализ публикаций показал, что в настоящее время внимание исследователей привлекает диапазон концентраций от 1 до 10 - 20% модификаторов нанометрового размера. Работы в этой области активно проводятся, и их предварительные результаты свидетельствуют об актуальности систематических исследований в этом направлении. Большинство экспериментальных работ при модификации малыми и сверхмалыми добавками проводятся с углеродными нанотрубками (УНТ), а получение и исследование нанометровых частиц золь-
гель методом осуществляются в низкомолекулярных жидкостях. Систематические исследования по получению и исследованию свойств композитов со сверхмалыми концентрациями модификаторов, образующих частицы наполнителя золь-гель методом в вязкой, отверждающейся матрице, не проводились.
Цель диссертационной работы состоит в установлении влияния малых концентраций модификаторов, введенных по золь-гель технологии, на структуру и свойства композитов на основе термореактивных связующих.
Основные задачи.
-
Получение композитов, содержащих модификаторы в диапазоне концентраций менее 1%, и исследование их физико-механических свойств.
-
Разработка математической модели процессов образования и роста частиц при получении композитов золь-гель методом.
-
Исследование влияния типа модификатора и его концентрации, температуры термообработки, типа матрицы на структуру и свойства композитов.
Научная новизна
Проведено экспериментальное исследование влияния начальной концентрации, типов алкоксидов и связующих при различных режимах отверждения на физико-механические свойства композитов на основе термореактивных от-верждающихся связующих и установлено, что введение алкоксисиланов в малых концентрациях (менее 1%) приводит к увеличению физико-механических показателей композитов.
Разработана математическая модель образования и роста частиц, формирующихся золь-гель методом при фазовом распаде в метастабильной области, учитывающая начальную концентрацию и тип алкоксида, тип матрицы и кинетику её отверждения.
Проведено численное моделирование процессов получения композитов золь-гель методом, показавшее концентрационные пределы добавок алкоксидов (менее 1%) при которых формируются частицы нанометрового размера. Это
согласуется с экспериментальными данными полученными методом электронной микроскопии.
Практическая значимость
Показано наличие экстремального изменения прочностных характеристик композитов, при изменении концентрации модификаторов введенных в малых и сверхмалых количествах (0,1 - 1%). Получены образцы, обладающие улучшенными эксплуатационными характеристиками, такими как модуль упругости, прочность при различных видах нагружения, ударная вязкость, температура стеклования.
Разработана математическая модель, позволяющая оценивать влияние типов модификатора и матрицы, начальной концентрации модификатора, параметров отверждения, т.е. технологических параметров при получении образцов, на структуру композитов и их физико-механические свойства.
Результаты работы могут быть использованы для выдачи рекомендаций по созданию технологии получения и переработки нанокомпозиционных материалов различного типа, полученных по золь-гель методу, на основе различных оли-гомеров (полимеров) и ограниченно растворимых активных модификаторов.
Достоверность результатов подтверждена большим объемом полученных экспериментальных данных, их статистической однородностью, устойчивой корреляцией результатов расчета и эксперимента при варьировании технологических параметров, согласованных с данными, полученными другими исследователями.
Автор выносит на защиту
Результаты экспериментальных исследований по влиянию малых концентраций модификаторов, вводимых по золь-гель технологии, на физико-механические свойства композитов.
Математическую модель, описывающую кинетику возникновения и роста частиц в зависимости от начальной концентрации, типов матрицы и модификатора.
Результаты расчетов кинетики процессов формирования и отверждения частиц, итоговых законов распределения частиц по размерам в полученных композитах.
Экспериментальные данные по влиянию температуры термообработки на физико-механические свойства композитов.
Данные, полученные при исследовании свойств композитов, наполненных углеродными нанотрубками, введенными в том же диапазоне концентраций.
Апробация работы Основные результаты работы были изложены на международных и национальных конференциях: III Международная конференция по коллоидной химии и физико-химической механике (Москва, 2008); I Всероссийская конференция «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях» (Москва, 2008); X Международная конференция по химии и физикохимии оли-гомеров, «Олигомеры X» (Волгоград 2009).
Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 5 печатных работах, из них 2 статьи в рецензируемых журналах [1-2] и 3 тезиса докладов [3-5].
Личный вклад автора
Похожие диссертации на Исследование влияния золь-гель процесса гидролитической поликонденсации алкоксисиланов на структуру и свойства композитов на основе отверждающихся термореактивных связующих
