Использование высокодисперсных металлорганических добавок в эластомерных композитах

АННОТАЦИЯ

Изучена влияние высокодисперсных металлических частиц в качестве модификаторов и наполнителей для эластомерных матриц, позволяющие создавать новую группу строительных материалов с оптимальным сочетанием прочности, электрической и теплопроводности и других свойств металлов с высоким уровнем химической стойкости, амортизирующая способность и функциональные свойства эластомеров.

ABSTRACT

The effect of highly dispersed metal particles as modifiers and fillers for elastomeric matrices has been studied, allowing to create a new group of building materials with an optimal combination of strength, electrical and thermal conductivity and other properties of metals with a high level of chemical resistance, shock absorption and functional properties of elastomers.

Ключевые слова: металлоорганические соединения, каучук, наполнитель, модификатор, эластомеры.

Keywords: metal-organic compounds, rubber, filler, modifier, elastomers.

Введение. Полимерные материалы, наполненные металлорганическими порошками, широко используются в различных отраслях промышленности из-за их специфических и часто уникальных свойств. Выбор металлического наполнителя определяется функциональным назначением композитного материала и экономическими или эстетическими соображениями. Причиной широкого использования металлорганических порошков в качестве наполнителей для полимеров чаще всего является потенциал, который они обеспечивают для регулирования плотности материалов, их внешнего вида и их магнитных и других физических свойств [1-4].

В полимере металлорганические порошки играют роль не только наполнителей, но и сшивающих агентов, отверждающих добавок и т.д. Чем меньше частицы металла, тем больше удельная поверхность порошка и тем больше его физическая и химическая активность. Особенно активны металлы с коллоидной степенью дисперсии. Когда макромолекулы взаимодействуют с коллоидными металлами, полученными в полимерном растворе, образуются сильно гомогенные двухфазные агрегативно стабильные полимерные материалы из металлической матрицы, которые известны как коллоидные композиционные материалы из металла и полимера. Металлорганические/полимерные коллоидные композиты могут найти жизнеспособное применение в качестве антифрикционных, полупроводниковых, антикоррозийных, ферромагнитных, каталитически активных и других материалов [5-7].

Экспериментальная часть. В качестве композитов металл/полимер использовали различные меллоорганические соединения формиаты Cu, Ni, Co, Zn, Mn, Al и Fe, в качестве эластомеров использовали каучуки хлоропренового каучука, этилен-пропиленовый каучук СКЕПТ-40 и СКН-26. Характер взаимодействия между макромолекулами и поверхностью металлических частиц определяли адгезией полимера к металлу, что зависит от ряда факторов: физических и химических свойств полимера и металла, наличия наполнителей, стабилизаторов и т.д. В полимер для достижения контакта металл/полимер, полимер и металл вступают в контактные свойства пограничных слоев обоих материалов изменяются. Металлы могут ускорять и замедлять кристаллизацию полимеров, изменять скорость термического и окислительного разрушения макромолекул и ослаблять или уплотнять их упаковку. Воздействие металла на структуру полимеров может простираться до десятков и даже сотен микрон. Расплавленные полимеры могут разрушать поверхностные слои металлов и ускорять или замедлять окисление металла. Появление металлов и их соединений в матрице полимеров вызывает переход от гетерогенных контактных процессов, инициированных металлами к гомогенным процессам.

Полученные результаты и их обсуждение. Из экспериментальных данных видно, что введение высокодисперсных каучуко-лиофилизированных порошков железо оказывают отверждающее и усиливающее действие на композиты хлоропрена и бутадиен-нитрильного каучука. Улучшение механических свойств отвержденных каучуков в присутствии высокодисперсных металлов явно связано с появлением прочных резино-металлических связей, образованных в момент открытия двойных связей.

Полученные данные показывает, что оптимальное количество ультрадисперсных частиц металла, включенных в наполненные резиновые смеси на основе хлоропрена (табл. 1) и бутадиеннитрила (табл. 2), составляет 5  мас.ч.

Приведенные данные позволяет сказать, что добавление до 5% ультрадисперсных частиц никеля и меди к этилен-пропиленовому каучуку не оказывает существенного влияния на изменение деформационных и прочностных свойств ненаполненных вулканизатов.

С введением наполнителя могут быть созданы дополнительные узлы пространственной сети, но его плотность также может упасть. Дополнительные связывающие узлы, возникающие при набухании, обычно разрушаются, что приводит к значительному увеличению кажущейся степени набухания полимера.

Когда высокодисперсное железо вводится в неполярные каучуки (натуральный каучук, полиизобутилен), наблюдается значительное падение степени их набухания, в то время как образцы, содержащие 80% металла, почти не набухают. Такая же картина наблюдается для этих полимеров с электролитическим введением в них никеля и кобальта.

Таблица 1.

Свойства вулканизатов на основе хлоропренового каучука, которые содержат высокодисперсные частицы металла

Таблица 2.

Свойства вулканизатов на основе бутадиен-нитрильного каучука СКН-26, которые содержат высокодисперсные частицы металла

Уменьшение равновесной степени набухания зависит от природы металла.

Полученные данные показывает, что когда ультрадисперсные металлорганические порошки вводят в наполненные вулканизаты на основе хлоропрена и бутадиен-нитрильного каучука, степень набухания в агрессивных средах практически не меняется.

В то же время положение равновесия с набуханием металлических/полимерных композитов достигается быстрее, чем для соответствующих чистых полимеров, что объясняется тем, что в первую очередь это была свободная упаковка поверхностных слоев полимера. Введение высокодисперсных металлических порошков в состав композиционных материалов на основе хлорсодержащих эластомеров позволяет улучшить маслоотталкивающие свойства отвержденных каучуков.

Термическое и термоокислительное разрушение. Теплостойкость каучуков может быть улучшена за счет устранения слабых двойных связей в их структуре и связывания свободных радикалов, образующихся в результате термического разложения.

Изучение влияния дисперсных металлов (Cu, Fe, Co, Ni, Zn) на термоокислительное разрушение хлоропренового каучука было обнаружено, что Cu, Mn и Co являются эффективными катализаторами термического окисления, тогда как Ni, Zn не влияют на этот процесс. Наиболее активным катализатором разрушения является медь, в присутствии которой кажущаяся энергия активации процесса падает с 114,2 до 68,2 кДж/моль. Предполагается, что медь и ее оксиды участвуют в окислительно-восстановительных реакциях термического окисления натурального каучука.

Несколько исследований, которые были проведены, показывают высокую степень чувствительности полибутадиена, натурального каучука и полиизопрена к физическим и химическим свойствам дисперсных наполнителей, которые катализируют термоокислительную деструкцию эластомеров.

Таблица 3.

Влияние количество высокодисперсных частиц переменных валентных металлов на кажущуюся энергию активации (E) процесса термической деструкции этилен-пропиленового каучука СКЕПТ-40

Эластомерные материалы и потенциал для разработки отвержденных каучуков для высокотемпературной работы на основе этилен-пропиленового каучука, модифицированных ультрадисперсными частицами валентных металлов. С другой стороны, эксперимент показывает, что использование высокодисперсных металлических порошков в композитах на основе хлоропрена и бутадиен-нитрильных каучуков не оказывает существенного влияния на термическое старение.

Заключение. Таким образом, использование высокодисперсных металлических частиц в качестве модификаторов и наполнителей для эластомерных матриц позволяет создавать новую группу строительных материалов с оптимальным сочетанием прочности, электрической и теплопроводности и других свойств металлов с высоким уровнем химической стойкости, амортизирующая способность и функциональные свойства эластомеров.

Список литературы:

1. Бузник В.М., Фомин В.М., Алхимов А.П. и др., Металлополимерные нанокомпозиты (полупродукция, соединение, применение) [Металло-полимерные нанокомпозиты (производство, свойства, использование)]. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. 260 с.
2. Губин С.П., Кокшаров Ю.А., Хомутов Г.Б., Юрков Г.Ю., УСП. khimii, 2005, 74, 6, 539.
3. Кац, Д.В. Милевский: Перевод. от англ. Москва: Химия, 1981.736 с.
4. Металлополимерные материалы и изделия [Металло-полимерные композиционные материалы и изделия]. Издание Вице-адмирал Белый. Москва: Химия, 1979. 312 с.
5. Напольные материалы полимерных композиционных материалов: Справ. Пособие [Наполнители для полимерных композиционных материалов: руководство]. Издание Общий штаб
6. Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлианд И.Э., Наночастицы металлов в полимерах [Металлорганические наночастицы в полимерах]. Москва: Химия, 2000. 672 с.
7. Кособудский И.Д., Ушаков Н.М., Юрков Г.Ю. «Введение в химию и физику наноразмерных предметов». Саратов: СГТУ, 2007. 182 с.
8. Помогайло А.Д., Кестельман В.Н., Метанополимерные нанокомпозиты, 2005. 563 стр.