Специальность 02.00.11. – Коллоидная химия и

Физико-химическая механика

 

Научный руководитель:

д.х.н., профессор Туторский И.А.

 

 

Москва, 2004

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………….5

 

1. Литературный обзор…………………………………………………………....7

1.1. Строение и свойства слоистых силикатов……………………………..…...7

1.2. Адсорбция на глинистых минералах…………………………………...…..13

1.3. Нанокомпозиционные материалы на основе слоистых силикатов, модифицированных органическими катионами………………………….…….22

1.3.1. Способы получения нанокомпозитов на основе модифицированных слоистых силикатов…………………………………………………………….23

1.3.2. Факторы, влияющие на создание нанокомпозитов………..…………..30

1.3.3. Свойства полимерных нанокомпозитов на основе слоистых силикатов………………………………………………………………………..43

1.4. Выводы по литературному обзору………………………..………………..50

2. Экспериментальная часть………………………………………….…..…….51

2.1. Объекты исследования…………………………………………….……......51

2.2. Методы исследования……………………………………….……………...54

3. Результаты и обсуждение……………………………………………….……65

3.1. Исследование адсорбции органических катионов на поверхностях водный раствор-воздух и водный раствор - слоистый силикат…………………….....65

3.1.1. Седиментационный анализ бентонитовых суспензий……………..…65

3.1.2. Исследование адсорбции органических катионов на границе раствор-воздух. Расчет структурных параметров адсорбционного слоя…………….66

3.1.3. Исследование адсорбции органических катионов из раствора на поверхности слоистых силикатов……………..………………………………68

3.1.4. Изучение структуры монтмориллонита, обработанного органическими катионами, методом РФА…………………….………………………………..73

3.1.5. Исследование структуры поверхности слоистых силикатов методом низкотемпературной адсорбции азота.…………………. …………………...77

3.1.6. Влияние КОЕ слоистого силиката и условий получения адсорбционных комплексов на их структуру.……….………………….…...80

3.2. Исследование структуры и свойств эластомерных композитов со слоистыми силикатами…………..……………………………………..……….82

3.2.1. Изучение структуры и свойств полиизопреновых композитов со слоистыми силикатами, полученных на вальцах……………….……………82

3.2.2. Изучение структуры и свойств эластомерных композитов с модифицированными слоистыми силикатами, полученных в растворе и в водно-углеводородной среде.…………….…………………………………...87

3.2.3. Изучение структуры и свойств нанокомпозитов на основе полиизопренового каучука и бентонита, модифицированного олигобутадиеном с концевыми аминогруппами……………………..……...97

3.3. Рекомендации для практического использования……………………….102

3.3.1. Использование модифицированного бентонита для создания композиционных противостарителей на основе эвтектических сплавов…102

3.3.2. Применение модифицированного бентонита в рецептуре резиновых смесей для протектора с зимним рисунком.………… ……………………..105

4. Выводы………………………………………….……………………………..107

5. Библиографический список………………………….……………………..108

6. Приложения……………………..……………………………………………114

ВВЕДЕНИЕ

 

В настоящее время одним из главных направлений технологии композиционных материалов является разработка надежных методов синтеза высокотехнологичных наноструктурных полимер-неорганических композитов. Это связано с тем, что свойства нанокомпозитов сильно отличаются от объемных свойств составляющих их фаз и определяются свойствами наночастиц наполнителя, образуемых ими структур, и межфазным взаимодействием на границе полимерной матрицы с наполнителем. Силу и степень взаимодействия на межфазной границе можно регулировать как при помощи введения различных поверхностных функциональных групп, так и путем уменьшения размеров частиц наполнителя. Технология полимерных нанокомпозитов на основе слоистых силикатов сочетает оба эти подхода, благодаря способности слоистых силикатов к ионному обмену с органическими катионами и способности к самопроизвольному диспергированию с образованием сильно анизометричных частиц с нанометровой толщиной.

Полимерные нанокомпозиты со слоистыми силикатами (ПНСС) помимо повышенных прочностных свойств обладают рядом других специальных свойств уже при небольших степенях наполнения. Так, уже при содержании всего 2 % (об.) наполнителя наблюдается удвоение модулей и прочности полиамидных композитов. Такой эффект в композитах, наполненных обычными микродисперсными наполнителями типа слюды и талька, достигается только при содержании наполнителя 30-60 % (мас.). Это позволяет существенно понизить удельный вес, а также стоимость конечного материала. Важно, что при такой низкой степени наполнения сохраняются высокие значения эластичности и ударной вязкости, повышается термостойкость и улучшаются барьерные свойства. Улучшение эксплуатационных свойств приводит к повышенному спросу на нанокомпозиционные материалы на основе слоистых силикатов в таких областях промышленности как автомобилестроение (внешние и внутренние части кузова, топливные баки), производство различных типов упаковок (бутылки, контейнеры, пластиковые пленки), электроника (упаковочные материалы и внешние части электронных приборов), производство покрытий (краски и пр.), аэрокосмическая промышленность (части самолетов, внешние покрытия самолетов).

Применение ПНСС в резиновой промышленности обеспечивает ряд преимуществ, таких как повышение прочностных свойств резин, снижение газопроницаемости, повышение гидрофобных и водоотталкивающих свойств, снижение набухания в воде, улучшение сцепления с мокрой дорогой, устранение аквапланирования и увеличение контакта шины с мокрой дорогой, увеличение термостойкости, снижение горючести полимера.

Попытки по применению органоглин в резиновой промышленности были предприняты в бывшем СССР еще в 70-80 х годах, а первый патент в США появился еще в 1950 г. Однако, органоглины не получили широкого распространения вплоть до работ японских исследователей из компании Toyota в конце 80-х годов, которые показали, что при дозировках от 2 до 5 % (мас.) слоистого силиката, обработанного соответствующим органическим катионом, наблюдается заметное увеличение прочностных свойств полимерного композиционного материала, увеличивается его термостойкость, стойкость по отношению к растворителям и агрессивным средам, снижается горючесть, возрастают барьерные свойства и пр. Существенный шаг в технологии ПНСС был сделан Джиннели с сотр., установившими возможность смешения термопластов с органоглинами в расплаве на обычном оборудовании.

Особые и улучшенные свойства нанокомпозитов связаны не только с высокой дисперсностью наполнителя и большой межфазной поверхностью. Как было показано в ряде работ, в нанокомпозите возникает вторичная структура наполнителя и значительно изменяется структура полимера, а также его ММР. Изучение этих возникающих структур и их влияние на свойства полимеров, наполненных слоистыми наночастицами представляет важную задачу, а изучение влияния различных факторов на структуру конечного композита и получение нанокомпозитов с заданной структурой представляет особый интерес как с научной, так и с практической точек зрения.

 

 

I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР