2020-01-14
311
Адгезия полимерных материалов к различным твердым телам (особенно к металлам) определяется интенсивностью молекулярного и химического взаимодействия на поверхности раздела.
Хорошую адгезию проявляют, поэтому полярные полимеры с большим числом химически активных функциональных групп в макромолекулах.
Значительно слабее адгезия в случае неполярных (гомоуглеродных) полимеров (полиэтилен, полипропилен). Для повышения адгезии в случае неполярного полимера вводят активные добавки, усиливающие адгезионную связь с поверхностью вследствие образования, ориентированного адсорбционного слоя, хемосорбционно-связанного полярными группами с наполнителем и углеводородными цепями, проникающего в пленку. [7]
Адгезия растет с уменьшением молекулярного веса и разветвленности цепей при сохранении гибкости и подвижности звеньев. В модельных композициях можно выделить три характерных типа веществ (рис.): вещество частицы – (Ч), связующего (С) и пограничный слой к частице (защитный слой, П). Известно, что даже при небольшой концентрации наноразмерных частиц модификатора (до 0,1% масс.) свойства композита на основе полимера существенно изменяются, (износостойкость, прочностные характеристики увеличиваются на 20–30%).
П
Ч
С
При создании композита трудно достичь равномерного распределения частиц по объему связующего.
Известно, что низкоразмерные частицы обладают собственным нескомпенсированным зарядом с большим временем релаксации. Тогда вокруг заряженной частицы модификатора возникает ансамбль (кластер) поляризованных частиц среды. Эти кластеры могут привести в движение большое количество нейтральных молекул жидкости, поскольку относительная концентрация зарядов в жидкости мала (10-6 ч 10 -1).
Эти молекулы могут поляризоваться, находясь в электрическом поле частицы и вступать во взаимодействие с зарядом, образуя структуру «заряд-слой» диполей. Внешняя оболочка этой структуры создает вокруг себя новый слой диполей и т.д. до некоторого равновесного формирования – «зарядового кластера».
Расчеты показывают, что размер модифицированной частицы по толщине составляет -400 нм. Тогда для всего объема полимера радиус частицы модификатора может быть равным 25–30 нм. Эти размеры могут быть получены известными технологическими способами.
На рис. показана предполагаемая топологическая модель межфазных взаимодействий наполнителя с полимерной матрицей.
 |
Рис. 1.2 – Предполагаемая топологическая модель межфазного взаимодействия
В основе формирования структуры композита лежит сложная совокупность химико-физических и физико-химических взаимодействий, приводящих к образованию межфазных областей и способствующих упрочению материала.
К первым следует отнести взаимодействия химически активных связей функциональных групп и радикалов между собой и фрагментами дисперсионной среды.
Ко вторым – адгезионные и адсорбционные взаимодействия полимера и наполнителя на активных центрах развитой поверхности раздела фаз и далее формирование одно- и многослойных пограничных слоев за счет диполь – дипольного взаимодействия соседних частиц.
При этом первый вид взаимодействия преимущественно происходит в пограничных слоях между частицами дисперсной фазы в дисперсионной среде.
Особую роль в упрочении структуры играют межфазные области. Межфазные области в полимерных композита являются важным элементом структуры, во многом определяющим макроскопические свойства этих материалов. [8]
Была сделана попытка анализа структурного механизма формирования межфазных областей для нанокомпозитов на основе ПП.
И полимерная матрица нанокомпозита, и поверхность частиц наполнителя, взаимодействующих при формировании межфазного слоя, являются фрактальными объектами. * При взаимодействии таких объектов существует только один линейный масштаб ℓ **, определяющий расстояние их взаимопроникновения.
Поскольку в полимерных композитах модуль упругости наполнителя обычно выше этого показателя для полимерной матрицы, считают что в этом случае происходит внедрение наполнителя в полимерную матрицу.
Наблюдается снижение прочности нанокомпозитов на основе ПП с ростом содержания наполнителя, так как прочность зависит от межфазных адгезионных сил на границе полимерная матрица-наполнитель.
Очевидно, что чем выше уровень межфазной адгезии, тем совершеннее структура межфазных областей в композитах. Так, прочность на сдвиг определяется именно адгезионной прочностью межфазного слоя. Увеличение сил межфазной адгезии приводит к росту относительной доли межфазных областей и, следовательно, к повышению прочности нанокомпозита.
Изменение объема, занимаемого межфазными областями в полимерных нанокомпозитах, оказывает такое же существенное влияние на вариации механических свойств, как и концентрация наполнителя. При этом важной является геометрия частиц наполнителя, точнее площадь контакта полимер-наполнитель. Важно, где реализуются межфазные явления и формируются межфазные области. Существенную роль в механизме упрочнения играют агрегация частиц наполнителя и молекулярная структура полимерной матрицы.
Обнаружено увеличение предела текучести примерно в 1.5 раза для нанокомпозита по сравнению с исходным ПП. Одновременно возрастает модуль упругости и увеличивается длинна линейных дефектов, ответственных за пластические деформации. [8]
