Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ДИСПЕРСНО-НАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ

Маламатов А.Х. Буря А.И. Козлов Г.В.

Показано, что формирование структуры дисперсно-наполненных нанокомпозитов на основе фенилона реализуется в евклидовом пространстве, из-за чего величина фрактальной размерности df структуры для них не зависит от объемного содержания наполнителя и равна соответствующей величине для матричного полимера. В этом случае величина df для полимерных материалов определяется статистической гибкостью полимерной цепи.

Показано, что формирование структуры дисперсно-наполненных нанокомпозитов на основе фенилона реализуется в евклидовом пространстве, из-за чего величина фрактальной размерности df структуры для них не зависит от объемного содержания наполнителя и равна соответствующей величине для матричного полимера. В этом случае величина df для полимерных материалов определяется статистической гибкостью полимерной цепи.

Введение дисперсного наполнителя в полимерную матрицу существенно изменяет свойства последней [1]. Этот факт общеизвестен, но возникают определенные затруднения с его количественной оценкой. Для дисперсно-наполненных композитов полигидроксиэфир-графит (ПГЭ-Гр) было обнаружено увеличение фрактальной размерности df структуры полимерной матрицы от 2,6 до 2,8 в интервале объемного содержания наполнителя φн=0-0,09. Это изменение структуры сопровождается соответствующим повышением механических характеристик композитов (модуля упругости, предела текучести, напряжения разрушения и т.д.) [2]. Указанное изменение структуры композитов ПГЭ-Гр обусловлено ее формированием во фрактальном пространстве, которое создает каркас частиц (агрегатов частиц) наполнителя [3, 4]. Как показали исследования механических свойств нанокомпозитов на основе фенилона, наполненных ультрадисперсными порошками оксинитрида кремний-иттрия и р- сиалона в интервале φн=0,001-0,055, для них также наблюдается некоторое повышение механических характеристик (в пределах 10 %), причем величины модуля упругости Е и предела текучести σT увеличиваются пропорционально [5]. Авторы [5] показали, что указанное увеличение Е и σT реализуется за счет формирования межфазных областей и собственно наполнителя, если структура полимерной матрицы формируется в евклидовом пространстве (df не зависит от φн). Поэтому целью настоящей работы является более подробное исследование формирования структуры указанных нанокомпозитов на основе фенилона.

Исследовали полимерные нанокомпозиты на основе термостойкого ароматического полиамида фенилон С-2. В качестве наполнителя использовали ультрадисперсные порошки оксинитрида кремний-иттрия и β-сиалона (твердый раствор Al2O3 и AlN в b-Si3N4). Диаметр частиц наполнителя составлял 64 и 80 нм, удельная поверхность 43 и 60 м2/г, соответственно, и плотность 1820 кг/м3.

Введение наполнителя в полимерную матрицу осуществляли во вращающемся электромагнитном поле с помощью неравноосных ферромагнитных частиц. Отношение длина/диаметр этих частиц составляло 4-5, объем загруженных в реактор аппарата частиц был в пределах 0,040,05 от объема действия электромагнитного поля, величина электромагнитной индукции вращающегося поля - в пределах 0,08-0,12 Тл. При указанных параметрах экспериментально обнаружено, что оптимальная продолжительность обработки нанокомпозитов в электромагнитном поле составляет 270-300 с. Приготовление образцов осуществляли методом компрессионного прессования при температуре 537-616 К и давлении 40-100 МПа.

Определение механических свойств в испытаниях на сжятие выполнено на испытательной машине FPZ-100/1 фирмы HECKERT (ГОСТ 4651-78) при температуре 293 К и скорости деформации 10-3с-1.

Как известно [6], величину фрактальной размерности df структуры композита можно определить следующим образом:

df = (d - 1)(1 + v),    (1)

где d - размерность евклидова пространства, в котором рассматривается фрактал (очевидно, в нашем случае d=3), v - коэффициент Пуассона, оцениваемый с помощью уравнения [7]:

2 (2)

На рис. 1 приведена зависимость рассчитанной указанным образом размерности df от объемного содержания наполнителя φн для исследуемых нанокомпозитов. Как следует из данных этого рисунка, выполняется условие df=const в пределах 3 %-го отклонения и, что наиболее важно, величины df для исходного матричного фенилона и нанокомпозитов равны.

3

Рисунок 1. Зависимость фрактальной размерности структуры df  от объемного содержания наполнителя φн  для нанокомпозитов на основе фенилона, наполненных оксинитридом кремний-иттрия (1) 
и β-сиалоном (2).

Поскольку в исходном фенилоне нет фактора (наполнителя), изменяющего размерность пространства, в котором формируется структура, и d=3, то и для нанокомпозитов должно выполняться это условие, т.е., формирование их структуры реализуется в трехмерном евклидовом пространстве. Как известно [8], в этом случае показатель Флори vF связан с размерностью евклидова пространства d следующим простым соотношением:

3             (3)

что для d=3 дает vF=0,6.

В свою очередь, между df и vF существует следующая взаимосвязь [6]:

4 

Таким образом, для d=3 и vF=0,6 величина df всегда равна 2,50. Этот расчет подтверждается компьютерным моделированием траектории случайного блуждания, т.е., траектории точки. Однако в случае структуры полимеров статистические сегменты объединены в полимерную цепь, что существенно отличает их от точечного объекта, совершающего случайное блуждание. В этом случае величина df определяется гибкостью полимерной цепи, которую можно описать характеристическим отношением С, следующим образом [6]:

5                (5)

Для фенилона величину С можно оценить из следующего эмпирического уравнения [6]:

6 

где S - площадь поперечного сечения макромолекулы, равная 17,6 f для фенилона, а величина Е дается в ГПа.

Из уравнения (6) получим С=2,85 при Е=2,857 ГПа в испытаниях на сжатие, и из уравнения (5) - df=2,46, что близко к оценке согласно уравнению (1) (см. рис. 1).

Таким образом, результаты настоящей работы предполагают формирование структуры дисперсно-наполненных нанокомпозитов на основе фенилона в евклидовом пространстве, из-за чего величина df для них не зависит от объемного содержания наполнителя (по крайней мере, в интервале 0-0,055) и равна соответствующей величине для матричного полимера. В этом случае величина df для полимерных материалов определяется статистической гибкостью полимерной цепи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполнения полимеров. М., Химия. 1991. 259 с.
  2. Новиков В.У., Козлов Г.В. // Механика композитных материалов. 1999. Т. 35. № 3. С. 269.
  3. Козлов Г.В., Яновский Ю.Г., Липатов Ю.С. // Механика композиционных материалов и конструкций. 2002. Т. 8. № 4. С. 467.
  4. Козлов Г.В., Липатов Ю.С. // Механика композитных материалов. 2004. Т. 40. № 6. С. 827.
  5. Козлов Г.В., Буря А.И., Алоев В.З., Гринева Л.Г. // В сб.: Механика и процессы управления. Т. 1. Екатеринбург. 2004. С. 97.
  6. Kozlov G.V., Zaikov G.E. Structure of the Polymer Amorphous State. Utrecht-Boston, Brill Academic Publishers. 2004. 465 p.
  7. Козлов Г.В., Сандитов Д.С. Ангармонические эффекты и физико-механические свойства полимеров. Новосибирск, Наука. 1994. 261 с.
  8. Aharony A., Harris A.B. // J. Stat. Phys. 1989. V. 54. № 3/4. P. 1091.

Библиографическая ссылка

Маламатов А.Х., Буря А.И., Козлов Г.В. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ДИСПЕРСНО-НАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ // Современные наукоемкие технологии. – 2005. – № 11. – С. 16-18;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=26400 (дата обращения: 26.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074