Введение к работе
Актуальность. В последнее время в технологии полимерных композиционных материалов все большее значение приобретает задача создания высокоусиливающих углеродных материалов в качестве наполнителей каучуков, что позволит существенно увеличить прочность резин с ними. Традиционные дисперсные углероды придают не более 25% теоретически возможной прочности резинам, поэтому потенциал усиления каучуков углеродными дисперсными наполнителями ещё не исчерпан и в настоящее время придается большое значение молекулярным процессам в межфазных слоях, изучению закономерностей образования углерод-каучукового геля (УКГ) как основы резины, которая отвечает за её прочность. Массовая доля УКГ в резине составляет до 60% и выше, поэтому его строение интересно с точки зрения усиления эластомеров, поскольку эффект усиления и УКГ взаимосвязаны. Несмотря на то, что свойства УКГ в равной степени зависят от каучука и дисперсного наполнителя, однако, до настоящего момента не выявлено, каковой должна быть поверхность и морфология технического углерода для получения УКГ, придающего высокое усиление каучукам.
В научных публикациях имеются отрывочные сведения о свойствах УКГ, в том числе, протяженности слоев связанного полимера на разных дисперсных наполнителях. Однако, из-за отсутствия единых методик исследования они не могут быть сравнены и поэтому не дают общей картины о влиянии морфологии первичных агрегатов, функционального состава поверхностного слоя агрегированных частиц дисперсного углерода и размера пор не его поверхности на строение межфазного слоя. Такие сведения представляют интерес как с точки зрения объяснения улучшения физико-механических свойств резин с высокоактивными наполнителями на молекулярном уровне, так и обоснования технических требований к наполнителю, предназначенному для улучшения упруго-прочностных и динамических свойств резин. Поэтому исследование взаимодействия эластомеров с углеродными наполнителями различной дисперсности и структуры, строения и свойств УКГ и выявление закономерностей влияния свойств наполнителя на УКГ является актуальной задачей в более широком плане.
Диссертация выполнялась в соответствии с Государственным контрактом № 02.523.12.3016 от 15 ноября 2007 г. «Разработка технологии получения и организация опытно-промышленного производства наноструктурированных углеродных наполнителей эластомеров для изготовления шин с цельнометаллическим кордом (ЦМК)», в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы » и Программе СО РАН 5.2.1. «Создание нового поколения материалов различного функционального назначения для использования в технике, в медицине, в химической технологии. Химия наночастиц и нанообъектов» по приоритетному направлению СО РАН 5.2. «Современные проблемы химии материалов, включая наноматериалы» в рамках проекта Института проблем переработки углеводородов Сибирского отделения РАН 5.2.1.17 « Развитие научных основ конструирования и методов синтеза структурно-организованных углеродных наносистем, в том числе модифицированных гетероатомами, как базы для разработки технологий получения функциональных углеродных материалов с заданными свойствами» (Per. № 01.2.007
05710) в соответствии со Среднесрочным планом фундаментальных исследований по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ на период 2007-2009 годы.
Цель работы — Выявление изменений свойств углерод-каучукового геля в
композитах на основе эластомеров, наполненных дисперсным углеродом разной
текстуры, гидрофильности поверхности и морфологического строения,
обеспечивающего улучшение физико-механических свойств резин с высокоактивными наполнителями, задачи:
-
Исследовать влияние размера и формы первичных агрегатов дисперсного углерода глобулярного строения, на содержание и фазовый состав связанного им каучука в УКГ резиновых смесей.
-
Изучить влияние кислородсодержащих функциональных групп на поверхности технического углерода на энергию активации адсорбции и толщину слоев каучука после адсорбции из растворов и в резиновых смесях
-
Изучить влияние текстуры поверхности технического углерода на адсорбцию эластомеров
-
На основании результатов работы обосновать технические требования к перспективному техническому углероду для резин
Научная новизна. Впервые получены экспериментальные зависимости, характеризующие влияние размеров первичных агрегатов углеродного наполнителя эластомеров на содержание связанного каучука в УКГ и усиливающие свойства углеродного наполнителя. Установлено, что уменьшение размеров агрегатов технического углерода и их разветвлённости обеспечивают улучшенные физико-механические свойства резинам за счёт снижения в связанном каучуке в резиновой смеси доли его стекловидной фазы.
Впервые выявлено, что наличие микропор на поверхности дисперсного углерода шириной более 1,36 нм приводит к увеличению его адсорбирующей способности по отношению к высокомолекулярным фракциям эластомеров.
Впервые установлено, что протоногенные кислородсодержащие группы на поверхности углеродного наполнителя препятствуют адсорбции высокомолекулярных фракций эластомеров.
Практическая значимость работы. На основании полученных результатов сформулированы технические требования к перспективным наполнителям высокоизносостойких резин на основе натурального каучука.
Предложен экспресс-метод оценки усиливающих свойств технического углерода в эластомерах, основанный на сравнении удельных адсорбции каучука из разбавленного раствора испытуемым и эталонным наполнителями с учётом морфологии их агрегатов, защищенный патентом РФ.
Апробация работы. Основные результаты диссертации представлялись, докладывались и обсуждались на 3 и 4 Всероссийских научных молодежных конференциях «Под знаком 2» - (Омск, 2005, 2007), Межвузовской научно-
практической конференции аспирантов и студентов с международным участием «Теоретические знания в практические дела» - (Омск: РосЗИТЛП, 2005, 2006, 2007), Международной научно - технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» - (Омск, 2007, 2009); ХШ-XVTI Международной научно - практической конференции «Резиновая промышленность. Сырьё. Материалы. Технологии» (Москва, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011), научном семинаре в Институте проблем переработки углеводородов СО РАН (Омск, 2010, 2011), Всеросс. Научн.-техн. конф. «Новые материалы и технологии» - НМТ-2008 (2008), Международных Симпозиумах «Проблемы шин и резинокордных композитов» (2009, 2010 ), 1-й Всероссийск. научн. конф. «Методы исследования состава и структуры функциональных материалов» МИССФМ-2009 (2009), XIY Всероссийском Симпозиуме «Актуальные проблемы теории адсорбции, пористости и адсорбционной селективности» (2010).
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, двух глав, выводов и списка литературы. Текст диссертации изложен на 143 страницах машинописного текста, содержит 17 таблиц, 33 рисунка, 218 ссылок на работы отечественных и зарубежных авторов. Во введении обоснована актуальность работы, ее новизна и практическая значимость. В первой главе обобщены литературные данные, посвященные адсорбции каучука дисперсными материалами, образованию и свойствам связанного наполнителем каучука в резиновых смесях. Обсуждены методы анализа его состава и дана их оценка. Во второй главе представлены объекты и методы исследования. Объектами исследования служили резиновые смеси на основе каучуков (изопренового и метилстирольного), и их вулканизаты полученные в лабораторных условиях, наполненные дисперсным углеродом с разными геометрическими свойствами и функциональным составом кислородсодержащих групп на поверхности. Представлены и обсуждены результаты экспериментальных исследований УКГ в резинах и свойств связанного дисперсным углеродом каучука в модельных системах.
Публикации. Основное содержание работы представлено в 2 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патенте, 22 тезисах докладов.
