Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ АСПЕКТЫ ФОРМИРОВАНИЯ МЕЖФАЗНЫХ СЛОЕВ В ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТАХ С ЭПОКСИДНОЙ МАТРИЦЕЙ

Маламатов А.Х., Козлов Г.В.

Авторы [1] исследовали механизм распространения межфазных (внутригаллерей-ных) слоев в нанокомпозитах на основе эпоксиполимера, наполненных слоистым на­полнителем, и предположили связь свойств нанокомпозитов со структурой указанных слоев. В настоящем сообщении в рамках фрактальной модели формирования межфаз­ных слоев будет предложен молекулярный механизм их образования и количественно описано их влияние на степень усиления нанокомпозитов.

Использованы данные работы [1] для нанокомпозитов на основе эпоксиполимера, наполненного монтмориллонитом с содержанием 2,5, 10 и 15 вес. %. В качестве эпок­сидного мономера использован 3,4-эпоксициклогексаметил-3,4-эпоксициклогексан карбоксилат, в качестве сшивающего агента - гексагидро-4-метилфталевый ангидрид (ГГМФА) при мольном соотношении эпоксидных групп к ГГМФА 1,0:0,87. Подробно­сти получения нанокомпозитов изложены в работе [1]. Степень усиления нанокомпози-тов Ек/Ем (где Ек и Ем - модули упругости нанокомпозита и матричного полимера, со­ответственно) оценивалась при температуре 313 К. Расстояние между пластинами мон­тмориллонита d001 получено с помощью широкоугловой рентгенодифрактометрии [1].

Степень усиления полимерных композитов может быть выражена отношением Ек/Ем и в рамках теории перколяции для нанокомпозитов она определяется следующим образом [2]:

f (1)

где φн и φмф - относительные доли наполнителя и межфазных слоев, соответственно.

Используя экспериментальные значения Ек, Ем и φн [1], можно рассчитать вели­чины φмф согласно уравнению (1). Затем можно определить толщину межфазного слоя lмф из уравнения [2]:

φмф = 2lмфφн .     (2)

Построение графика lмф как функции расстояния между пластинами (интервала) d001 показало, что между указанными параметрами существует линейная корреляция, выражаемая следующим образом:

lмф = 0,5d001.                    (3)

Иначе говоря, из уравнения (3) следует, что все пространство между пластинами монтмориллонита (внутригаллерейное пространство) представляет собой межфазные слои. Нетрудно видеть, что такая трактовка позволяет прогнозировать степень усиле­ния полимерных нанокомпозитов по уровню интеркаляции слоистого наполнителя, т.е., по величине d001. Согласно этой методике, по экспериментально определенным значе­ниям d001 определяется lмф (уравнение (3)), затем φмф согласно уравнению (2) и далее теоретическая степень усиления (Ек/Ем)Т по уравнению (1). Это правило справедливо не только для сшитых матриц нанокомпозитов. Так, авторы [3] получили линейную зави­симость Ек(d001) для нанокомпозитов на основе поликарбоната (ПК), наполненных мон­тмориллонитом, что подтверждает корректность предложенной модели. Более того, получено количественное соответствие предложенного метода прогнозирования и экс­периментальных величин (Ек/Ем)Э для нанокомпозитов на основе ПК. Так, для d001=1 нм расчет   дает   (Ек/Ем)Т=1,183,   а   (Ек/Ем)Э=1,223   и   для   d001=3   нм   (Ек/Ем)Т=1,596, (Ек/Ем)Э=1,479, т.е., в обоих случаях расхождение меньше 8 %, что сравнимо с погреш­ностью эксперимента.

Согласно определению, межфазным слоем является область полимерной матри­цы, прилегающая к поверхности частицы наполнителя, и имеющая структуру, отли­чающуюся от структуры объемной полимерной матрицы. Поэтому возникает вопрос о природе отличия структуры этих двух компонент нанокомпозита. Авторы [1] предпо­ложили, что отличие состоит в пластификации межфазных слоев молекулами поверх­ностно-активного вещества (модификатора). В настоящем сообщении будет предложе­на другая трактовка, основанная на фрактальной природе микрогелей, которые для сшитых полимеров являются аналогом макромолекулярного клубка. Формирование микрогелей в пространстве, ограниченном пластинами монтмориллонита, будет изме­нять их структуру, характеризуемую фрактальной размерностью Df, и этот эффект ожидается тем сильнее, чем меньше d001. Теория фракталов в ограниченных геометриях дана в работе [4]. Минимальный размер поры (или галереи между пластинами монтмо­риллонита) D0, через которую макромолекулярный клубок или микрогель может про­ходить без изменения своей формы, дается уравнением [4]:

 f                (4)

где а - размер мономера, N - степень полимеризации, Df - фрактальная размерность микрогеля.

Оценим величину D0 при следующих условиях: а=0,6 нм, N=100 и Df=2,5. Тогда D0=19 нм. Следовательно, при любом d001<D0 микрогель будет изменять свою форму и, соответственно, структуру, характеризуемую величиной Df. Для наибольшей и наи­меньшей величин d001, полученных в работе [1] (13 и 6,3 нм, соответственно) оценки согласно (4) при а=const и N=const дают Df=2,334 и 2,020, соответственно.

Следовательно, первоначально сферический микрогель внутри галереи преобра­зуется в эллипсоид вращения, сплющенный тем более, чем меньше d001. Вариация Df приводит к изменению статистической гибкости полимерной цепи, характеризуемой характеристическим отношением C, согласно уравнению:

f  (5)

f где d - размерность евклидова пространства, в котором рассматривается фрактал (оче­видно, в нашем случае d=3).

Изменение Df и С приводит к вариации степени локального порядка, характери­зуемой относительной долей областей этого порядка (кластеров) φкл согласно уравне­нию:

f (6)

где S - площадь поперечного сечения макромолекулы (S=const).

Из уравнения (6) следует рост φкл по мере снижения Df, т.е., структура становится более плотноупакованной. Эти структурные изменения определяют различие объемной полимерной матрицы и межфазных слоев.

Список литературы

  1. Chen J.S., Poliks M.D., Ober C.K., Zhang Y., Wiesner U., Giannelis E. // Polymer. - 2002. - V. 43, № 19. - P. 4895.
  2. Козлов Г.В., Маламатов А.Х., Антипов Е.М., Яновский Ю.Г. // Механика композиционных материалов и констврукций. - 2006. - Т. 12, № 1. - С. 114.
  3. Yoon P.J., Hunter D.L., Paul D.R. // Polymer. - 2003. - V. 44, № 21. - P. 5323.
  4. Vilgis T.A., Haronska P., Benhamou M. // J. Phys. II. France. - 1994. - V. 4, № 12. - P. 2187.

 


Библиографическая ссылка

Маламатов А.Х., Козлов Г.В. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ АСПЕКТЫ ФОРМИРОВАНИЯ МЕЖФАЗНЫХ СЛОЕВ В ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТАХ С ЭПОКСИДНОЙ МАТРИЦЕЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2005. – № 1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=162 (дата обращения: 22.02.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074