т.н. PhD Наманганский инженерно-технологический институт, Республика Узбекистан, г. Наманган
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
Индикатор |
Управления |
Mn |
Al |
||||
Массовый часть. |
|||||||
3 |
5 |
10 |
3 |
5 |
10 |
||
Предел прочности при растяжении, МПа 22 |
23,4 |
22,6 |
23,1 |
22,0 |
21,3 |
21,0 |
20,5 |
Удлинение,% |
560 |
570 |
600 |
550 |
670 |
500 |
550 |
Остаточное удлинение,% |
10 |
8 |
6 |
4 |
8 |
8 |
4 |
Прочность на разрыв, кН / м |
85 |
72 |
78 |
63 |
64 |
73 |
62 |
Таблица 2.
Свойства вулканизатов на основе бутадиен-нитрильного каучука СКН-26, которые содержат высокодисперсные частицы металла
Индикатор |
Управления |
Mn |
Fe |
Pb |
Al |
||||||||
Массовый часть |
|||||||||||||
3 |
5 |
10 |
3 |
5 |
10 |
3 |
5 |
10 |
3 |
5 |
10 |
||
Предел прочности при растяжении, МПа |
26,4 |
31,6 |
32,5 |
31,6 |
33,7 |
33,4 |
31,8 |
29,1 |
31,7 |
30,0 |
27,6 |
32,3 |
30,8 |
Относительное удлинение,% |
530 |
640 |
640 |
610 |
600 |
550 |
540 |
560 |
530 |
410 |
580 |
560 |
530 |
Остаточное удлинение,% |
6 |
12 |
10 |
10 |
14 |
10 |
10 |
10 |
10 |
4 |
12 |
10 |
8 |
Модуль при 300% относительном удлинении, МПа |
10,9 |
9,4 |
10,1 |
11,8 |
10,2 |
10,9 |
13,7 |
11,1 |
11,5 |
10,6 |
11,0 |
10,2 |
12,0 |
Прочность на разрыв, кН / м |
55 |
- |
68 |
- |
- |
85 |
- |
- |
55 |
- |
- |
56 |
- |
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
Тип металлических частиц |
Концентрация,% |
E, кДж/моль |
Немодифицированный полимер |
- |
70,8 |
Cu |
0,4 |
68,2 |
4,0 |
169,3 |
|
22,0 |
72,3 |
|
Ni |
0,4 |
102,4 |
3,8 |
132,5 |
|
16,5 |
143,4 |
|
Pb |
0,5 |
138,2 |
4,6 |
142,1 |
|
18,1 |
99,3 |
|
Bi |
0,5 |
101,4 |
5,1 |
74,7 |
|
21,3 |
76,9 |
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:
- 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.
- Губин С.П., Кокшаров Ю.А., Хомутов Г.Б., Юрков Г.Ю., УСП. khimii, 2005, 74, 6, 539.
- Кац, Д.В. Милевский: Перевод. от англ. Москва: Химия, 1981.736 с.
- Металлополимерные материалы и изделия [Металло-полимерные композиционные материалы и изделия]. Издание Вице-адмирал Белый. Москва: Химия, 1979. 312 с.
- Напольные материалы полимерных композиционных материалов: Справ. Пособие [Наполнители для полимерных композиционных материалов: руководство]. Издание Общий штаб
- Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлианд И.Э., Наночастицы металлов в полимерах [Металлорганические наночастицы в полимерах]. Москва: Химия, 2000. 672 с.
- Кособудский И.Д., Ушаков Н.М., Юрков Г.Ю. «Введение в химию и физику наноразмерных предметов». Саратов: СГТУ, 2007. 182 с.
- Помогайло А.Д., Кестельман В.Н., Метанополимерные нанокомпозиты, 2005. 563 стр.