Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
При модифицировании полимерных составов наноразмерными наполнителями, можно значительно повысить механические свойства полимеров [1]. Влияние наполнителей на свойства исходного состава зависит от размеров частиц, концентрации, химической природы полимерной матрицы, а также от их вида. Наибольшее распространение в качестве модификаторов получили углеродные нанотрубки (УНТ), фуллерены и нанопорошки оксидов металлов [2].
При добавлении наноразмерных частиц в полимер, частицы могут принимать активное участие в процессе смешивания, образуя дополнительные узлы или центры структурообразования, вокруг которых образуются ориентированные слои полимерной матрицы с плотной упаковкой входящих в нанокомпозит компонентов. Такие узлы в массовом составе оказывают положительное влияние на прочность нанокомпозиции [3].
В работе [4] было выявлено, что введение в полимерную матрицу цианакрилатного полимера наноразмерных SiO2 способствует повышению адгезионно-когезионной прочности композиции до 75 %. Наилучшие результаты были получены при модифицировании исходного полимера наноразмерным порошком диоксида кремния SiO2 c концентрацией 2 % в массовом отношении, которая была взята для дальнейших исследований.
Для уточнения результатов исследований в части влияния размеров наночастиц было принято решение о выявлении влияния размера частиц на адгезионные свойства полимерного состава. Для исследования были выбраны две размерности нанопорошка диоксида кремния SiO2 — Аэросил HL 200 и Аэросил HL 380.
Аэросил HL 200, Аэросил HL 380 — это термически вспененная двуокись кремния с удельной площадью поверхности 200± 20 м2/г и 380 ± 20м2/г соответственно.
Адгезионно-когезионная прочность полимеров и полимерных составов зависит от множества факторов — способа полимеризации, химической природы материала, вида, концентрации наполнителей и других параметров. Поэтому, целесообразно проводить исследования влияния на прочность одного из факторов при неизменных других. С целью проведения достоверного исследования влияния размеров частиц на прочность полимерного состава, было принято решение выбрать в качестве изменяемого параметра — размеры наночастиц. Оценка адгезионной прочности производилась по нормальным разрушающим напряжениям, методика исследования которых заключается в определении значения силы, направленной перпендикулярно плоскости склеивания, при которой происходит отрыв композита от субстрата [5]. Для исследований использовались образцы, каждый из которых состоял из двух цилиндрических деталей диаметром 25 мм и длиной 30 мм. Торцовые поверхности образцов были обработаны фрезерованием для получения одинакового микрорельефа с шероховатостью Ra = 3,2 мкм. После очистки этих поверхностей моющим средством МС-37 и обезжиривания ацетоном, на них наносили полимерный цианакрилатные составы и нанокомпозиции на их основе, после чего их склеивали. Для более качественного перемешивания компонентов нанокомпозиции, проводилась предварительная обработка нанопорошков ультразвуком с целью разрушения агломераций частиц. После введения наночастиц в полимерный состав осуществлялось механическое перемешивание компонентов в течение 60 с и обработка полученной композиции ультразвуком частотой 35 кГц в течение 30 с.
Испытания проводились после полной полимеризации полимерного состава на разрывной машине марки Р-5. Нагружение образца осуществлялось при постоянной скорости — 10 мм/мин и постепенном повышении нагрузки до разрушения клеящей полимерной прослойки.
Предел прочности при отрыве полимерного состава и полимерного состава с наполнителем определяли по формуле:
где P — разрушающая нагрузка, H; F — площадь полимерного слоя, м2 .
Результаты экспериментальных исследований влияния концентрации нанонаполнителей на величину нормальных разрушающих напряжений нанонаполненного полимерного состава представлены в таблице 1. Каждое значение прочности соответствует среднему из трех измерений. Концентрация нанонаполнителя по массе оставалась неизменной. Анализ результатов испытаний показал, что для разных размеров частиц, при постоянной концентрации, прочностные характеристики составов отличаются.
Таблица 1.
Наполнитель | Средний предел прочности, МПа |
Аэросил HL 200 | 32,19 |
Аэросил HL 380 | 35,38 |
Так, добавление нанопорошка SiO2 с удельной площадью поверхности 380 м2/г в количестве 2 % по массе в цианакрилатный полимер Loctite-496, привело к увеличению на 109,9 % прочности состава относительной нанопорошка SiO2 с удельной площадью поверхности 200 м2/г (с 32,19 МПа до 35,38 МПа).
В результате исследования было выявлено, что размер частиц оказывает влияние на адгезионные свойства полимерной нанокомпозиции. Было получено, что при уменьшении размеров частиц диоксида кремния SiO2 (увеличении удельной площади поверхности по массе) прочность состава, при неизменной массовой концентрации, увеличивается на 9,9 %.
