Зміна адгезійної взаємодії модифікацією поверхонь наповнювачів

 

Найкраще змочування полімерами твердих тіл буде мати місце за умови сильної адсорбційної взаємодії полімеру й наповнювача, за якої сили взаємодії на границі поділу мали би змогу розгорнути полімерну молекулу. Отже, вибір способу модифікації поверхні наповнювача повинен передбачати забезпечення міцного зв’язку полімерних молекул з поверхнею наповнювача. Зміцнення взаємодії поверхні твердого тіла з полімером можна досягди різними шляхами, з яких найбільше значення має поверхнева хімічна модифікація наповнювача, а також хімічне щеплення полімеру до неорганічної поверхні.

Розгляд цієї проблеми варто розбити на дві частини:

– обробка поверхні скловолокна як найважливішого наповнювача в армованих пластиках;

– обробка поверхні тонкодисперсних мінеральних наповнювачів.

Скло може реагувати з багатьма сполуками завдяки наявності на його поверхні силанольних груп Si–OH. Силанольні групи є донорами водню, а більшість атомів кисню на поверхні є акцепторами. Тому видалити з поверхні скла адсорбовану воду дуже важко. Для зменшення адсорбції води, що сприяє руйнуванню скловолокна, і відповідно − погіршенню фізичних та механічних показників склопластиків, скло необхідно обробляти (апретувати) неорганічними або органічними реагентами. Апретування поліпшує змочування наповнювачів зв’язувальним, гідрофобізує волокно і підвищує гідролітичну стійкість адгезійного зв’язку, а також збільшує адгезію зв’язувального до волокна. Досить ефективними домішками, що підсилюють зв’язок скловолокна з термопластами й реактопластами, виявилися алкоксисилани (ці речовини силановою частиною орієнтовані до скляної поверхні, а алкоксильними замісниками – до зв’язувального). До розповсюджених силанових апретів відносяться: вінілтрихлорсилан CH2=CH–SiCl₃, вінілтриетоксисилан CH2=CH–Si(C₂H₅O)₃, діалілдіетоксисилан (CH2=CH–CH₂)₂Si(OC₂H₅)₂ та ін. У результаті їхньої взаємодії з поверхнею скловолокна, на ній з’являються здатні до полімеризації вінільні групи.

Змочування і адгезія на апретованих поверхнях

Рис. 1.2. Схема будови поверхневого шару полімеру на волокні: 1 – зв'язувальне; 2 – аперет; 3 - волокно

Схематично будова поверхні на границі поділу фаз наведена на рис. 1.2. У випадку низькомолекулярного апрету передбачається, що він повністю покриває поверхню скловолокна. Адгезія апрету до поверхні, якщо він хімічно не взаємодіє з поверхнею, може бути виміряна або обчислена термодинамічними методами. Якщо апрет хімічно взаємодіє з поверхнею волокна, адгезію визначають міцністю хімічних зв’язків.

Вільна поверхнева енергія поверхні з адсорбованим шаром може бути оцінена в такий спосіб: cos Θ = а ± b∙γ_L. Якщо γ_L наближається до γ_С при Θ → 0, то

.

(1.17)

Звідси

.

(1.18)

Максимальне значення W_ад буде мати місце за умови ∂W/∂γ_С = 0, коли

Тоді

;

(1.19)

У разі γ_L = γ_С рівняння (1.18) матиме вигляд:

(1.20)

Наприклад, для поліетилену γ_С = 31 мН/м; b = 0,026; тоді (W_ад)_max буде за γ_L =52,5 мН/м й (W_ад)_max= 0,0716 Дж/м².

Апрет, що наноситься на поверхню, хімічно зв’язується із цією поверхнею не повністю. Це, зокрема, визначає різну водостійкість склопластиків, одержуваних на основі апретованих скловолокон. Варто мати на увазі, що будь-які полярні групи, що обумовлюють підвищення адгезії полімеру до поверхні скла, можуть згодом відтіснятися від поверхні скла проникаючими молекулами води. Конкуруюча дія води може бути подавлена тільки за умови виникнення хімічного зв’язку між поверхнею і апретом, а цей зв’язок повинен бути досить стійким до гідролізу, особливо у випадку, коли через контакт води з поверхнею волокна з останнього вилужується достатня для локальної зміни рН кількість лугу або кислоти.

Для підвищення показників склопластиків, що характеризують їх міцність, варто уникати утворення порожнин (пухирців) на поверхні розподілу. Для цього потрібно застосовувати смоли з низькою в’язкістю, уникати обробки скловолокна замаслювачами або апретами, що створюють шорсткість поверхні, та інших факторів, що зменшують розтікання чистої смоли по поверхні.