Исследование взаимодействия между гнучколанцюгових полимерами и высокодисперсными наполнителями

Розділ 2. Високодисперсні наповнювачі як модифікатори полімерів

2.1. Загальні уявлення та класифікація високодисперсних наповнювачів

Наповнювачі здатні суттєво змінити важливі експлуатаційні показники полімерних матеріалів, що обумовило їх широке використання для збільшення міцності, тепло- і термостійкості, жорсткості та інших властивостей систем і практичну цінність як одного із важливих компонентів полімерних матеріалів.

Наповнювачами для отримання ПКМ можуть бути практично всі природні та синтетичні матеріали після надання їм відповідної форми і розмірів. За походженням вони поділяються на природні та синтетичні; за складом – неорганічні та органічні; по дії на полімер – активні та неактивні.

Наповнювачі відрізняються між собою формою первинних частинок, обумовленою особливістю кристалічного складу, природною і числом активних центрів [4].

Властивості наповненого полімерного матеріалу визначаються властивостями полімерної матриці і наповнювача, характером розподілу останнього, природою взаємодії на межі поділу полімер-наповнювач. Матеріали з рідкими і газоподібними наповнювачами, як правило, ізотропні; з твердими наповнювачами – ізотропні або анізотропні в залежності від виду наповнювача і характеру його розподілу. Властивості наповненого полімерного матеріалу суттєво залежать також від дисперсності і форми частинок наповнювача, фазового чи фізичного стану полімера, природи його ланок, частоти просторової сітки. Поділ наповнювачів на активні (підсилюючі) і неактивні (інертні) в деякій мірі умовне, оскільки покращуючи яку-небудь характеристику системи, наповнювач може погіршувати інші її властивості. Наприклад, більшість підвищує одночасно міцність і жорсткість різних ознак, збільшення жорсткості в багатьох випадках небажане. Крім того активність наповнювача проявляється тільки при його певному вмісті в системі [5].

До природних мінеральних наповнювачів відносять карбонатні породи, бентонітові, холінові, опоковидні глини, цеоліти, азбест, тальк, кремнеземи та інші.

Все більш широкого застосування знаходять синтетичні неорганічні наповнювачі – силікати Al, Ca, Mg, Br, зола, сажа. Вони відрізняються від природних більшою чистотою і підвищеною дисперсністю та більшою однорідністю по розмірам частинок.

Металічні дисперсні наповнювачі надають полімерним матеріалам такі специфічні властивості, як підвищена тепло- і електропровідність, магнітна сприйнятливість, підвищена теплоємність та екрануюча здатність протидії радіаційних випромінювань. Для отримання наповнених, спеціального призначення, полімерів великий інтерес являють порошок алюмінія, цинку, срібла, нікеля, міді, заліза.

Наповнювачі лакофарбових матеріалів високодисперсні неорганічні продукти нерозчинні в плівкоутворюючих речовинах. Призначення цих наповнювачів – покращення малярно-технічних властивостей лакофарбових матеріалів. Їх поділяють на природні (мінеральні) та синтетичні. Перші поділяють на природно-дисперсні і механічно-дисперговані. За ступенем дисперсності їх ділять на звичайні (розмір частинок 5-100 мкм) і мікронізовані (до 90% частинок з розміром менше 5 мкм при відсутності частинок більших 20 мкм) [12].

Приклад лакофарбових наповнювачів: бентоніт, діатоніт, каолін, тальк, гіпс, біла сажа, карбонат барію та ін.

2.2. Розмір і форма частинок високодисперсних наповнювачів

Вибір наповнювача визначається в першу чергу розмірами його частинок і їх розподілом по розмірах (полідисперсністю), а також формою частинок і характером їх упаковки.

Більшість традиційно використовуваних дисперсних наповнювачів являють собою мінерали, які добувають із порід чи руд і відповідною обробкою перетворюються в порошок. При цьому подрібнення відбувається нерівномірно і частинки наповнювачів зазвичай мають нерегулярну форму. Частинки можуть мати таку форму: сферична, куб, паралелепіпед, чешуйчата, волокно. Однак наповнювачі рідко мають такі правильні форми.

Форма частинок більшості наповнювачів відрізняється надто сильно і не може бути строго охарактеризованою. Тому тільки розміри частинок і площа їх поверхні можуть слугувати основою для класифікації наповнювачів і оцінки їх впливу на властивості систем наповнювач-полімер.

У відповідності з цим вводиться стандартна характеристика розміру частинки – діаметр еквівалента сфери, тобто діаметр такої сфери, об’єм якої рівний об’єму частинки.

Розміри і форма часточок визначально впливають на властиво­сті дисперсних систем. Чим дрібніші часточки і чим більше вони ви­тягнуті, тим сприятливіші умови для виникнення міжчасточкових контактів і колоїдного структуроутворення. Проте диспергування супроводжується появою додаткової поверхні поділу фаз. У мікрогетерогенних системах сумарна поверхня часточок досягає вели­чезних значень [20]. Тому специфічні властивості поверхні і поверхневі явища зумовлюють особливості поведінки дисперсних систем.

За міру роздрібненості речовини прийнято ступінь дисперс­ності D. Це величина, обернена розміру часточки а (м^-1):

Наприклад, для часточок з розміром 1 нм D = 1:10^-9 =10^-9 _М^-1 Зручно користуватись показником дисперсності рD:

З метою класифікації дисперсних систем В. Оствальд (1910) за­пропонував шкалу дисперсності:

До грубодисперсних систем (розмір часточок більший, ніж 5 10^-7м) належать суспензії, емульсії, пил, порошки, часточки яких не проникають крізь паперовий фільтр, їх можна бачити у зви­чайний мікроскоп, вони осідають у рідинах чи газовому середови­щі Молекулярно-дисперсні системи зовсім прозорі, зберігаються без осадження тривалий час. Колоїдно-дисперсні системи не ма­ють прикмет грубодисперсних і молекулярно-дисперсних систем, вони мають проміжні властивості. Так, колоїдні часточки не про­никають крізь напівпроникні плівки, але вільно проходять крізь паперові фільтри. Колоїдні розчини опалесціюють. але можуть зда­ватися прозорими, якщо їх розглядати в прохідному світлі, при бічному освітленні каламутність легко встановлюється. Колоїдні часточки неможливо побачити у звичайний мікроскоп, проте їх можна виявити при бічному освітленні за допомогою ультрамік­роскопа [4].

Число N часточок дисперсної фази, що мають форму куоа, загальним об'ємом 1 м³ визначається об'ємом однієї часточки V :

Отже, в 1 м³ дисперсної фази міститься 10⁹ часточок кубічної форми з ребром 1 мм або 10²⁴ часточок з ребром 10 нм.

Розмір часточок визначає іншу, дуже важливу характеристику дисперсної системи - питому поверхню S_пит (м^-1), тобто сумарну поверхню 1 м³ дисперсної фази:

де Sі V - відповідно сумарні поверхня і об'єм дисперсної фази; sі V^і- поверхня і об'єм однієї часточки [5].

Однакова розмірність питомої поверхні і ступеня дисперсності вказують на близький зв'язок між цими величинами.