Введение. Известно, что композиционный материал представляет собой гетерофазную структуру из двух или более компонентов с четко выраженной границей раздела [1]. Эти компоненты должны быть подобраны не только по предполагаемым свойствам создаваемого изделия (физическим, механическим), но и по совместимости, т.е. должно обеспечиваться хорошее адгезионное взаимодействие матрицы и наполнителя на границе раздела [2–4]. Главные задачи при получении изделий из полимерных композиционных материалов заключаются в правильном подборе материала матрицы и наполнителя, в определении рациональной структуры материала, с учетом особенности его поведения в условиях переработки [5]. Правильная технология совмещения компонентов обеспечивает эффективную реализацию свойств материала в изделии (конструкции).
Основная задача изучения совместимости – выявление общих закономерностей влияния параметров структуры на свойства композиции, а также изыскание путей регулирования этих параметров, в особенности характера связи на границе раздела фаз [6–7]. Другая большая проблема – установление характера влияния полимера на надмолекулярную, особенно кристаллическую, структуру наполнителя, т.е. выявление изменений структуры и свойств каждой фазы после совмещения компонентов. Исследование термодинамики совмещения позволяет разработать научные основы для создания новых композитов с заданным комплексом механических свойств.
В данной работе рассмотрены процессы модифицирования гидрида титана, с целью его совмещения с неполярной полимерной матрицей для создания новых полимерных композитов, обладающих улучшенными нейтронно-защитными свойствами.
Методика. Гидриды многих переходных металлов в последние годы представляют теоретический и практический интерес при их использовании во многих отраслях промышленности, включая атомную энергетику. Особое внимание уделяется гидриду титана с повышенным содержанием водорода, используемого для поглощения нейтронных потоков в ядерной энергетике в качестве замедлителя в регулирующих стержнях ядерного реактора на быстрых нейтронах, в том числе в качестве наполнителя для полимерных нейтронно-защитных композиционных материалов [8–11].
Исходный гидрид титана является гидрофильным веществом. Для более равномерного распределения в полимерной матрице необходимо модифицировать наполнитель для придания ему гидрофобных свойств [12].
Для хорошей совместимости с неполярной матрицей необходима гидрофобная поверхность наполнителя [13]. Известно, что модифицирование силоксановыми структурами позволяет добиться гидрофобности при ведении 1–2 % модификатора [14].
Для получения порошка гидрида титана, обладающего гидрофобными свойствами, в помол гидрида титана была внесена гидрофобизирующая кремнийорганическая жидкость 136-41.
Жидкость гидрофобизирующая 136-41 - вязкая бесцветная маслянистая жидкость, легкорастворимая в большинстве органических растворителей, но нерастворимая в воде. Ее состав описывается формулой [C2H5SiHO]n (где n = 10÷15), содержание активного водорода
1,3–1,45 % [15].
Основная часть. Исходный гидрид титана был представлен в виде дроби. Для введения в полимерную матрицу гидрида титана был произведен его помол с использованием шаровой мельницы. Для определения оптимального времени помола дробь гидрида титана (ДГТ) перемалывалась различное время. Зависимость величины значения удельной поверхности от времени помола представлена на рис. 1:
Рис. 1. График зависимости величины удельной поверхности гидрида титана от времени помола
Исходя из этих данных был сделан вывод, что целесообразно проводить помол гидрида титана в течение 30 минут, так как при большем времени помола удельная поверхность увеличивается лишь на 10% с 45521 до 50398 см2/см3, средний диаметр частиц уменьшается на 8 % с 5,6 до 5,2 мкм, а диапазон размеров полученных частиц не изменяется.
Результаты рентгенофазового анализа исследуемого вещества показаны на рис. 2. В качестве структурного аналога для индицирования рентгенограммы был выбран гидрид титана TiH2.
а)
б)
Рис. 2. Сравнение рентгенограммы исследуемого гидрида титана (а) с гидридом титана (II) (б)
В табл. 1 приведены обобщающие рентгенометрические характеристики исследуемого гидрида титана. Первичную информацию о состоянии вещества можно получить из внешнего вида рентгеновских спектров. Хорошо окристаллизованный и однородный по параметрам решетки материал дает узкие и высокие дифракционные пики, плохо окристаллизованный, неоднородный материал - широкие и низкие.
Таблица 1
Основные рентгенометрические характеристики исследуемого гидрида титана
|
№ \ Пар |
Угол 2θ, |
Площадь отражения, отн. ед |
Интенсивность |
Полуширина |
Межплос- костное расстояние d, Å |
% Макс. |
|
1 |
18,3 |
7,184 |
72 |
0,175 |
4,8478 |
1,52 |
|
2 |
31,65 |
11,414 |
91 |
0,195 |
2,8269 |
1,92 |
|
3 |
35,2 |
497,264 |
4736 |
0,25 |
2,5495 |
100 |
|
4 |
40,85 |
228,831 |
1248 |
0,33 |
2,209 |
26,35 |
|
5 |
53,5 |
3,204 |
67 |
0,1 |
1,7127 |
1,41 |
Анализ рис. 2 показал, что рентгенограмма исследуемого образца ДГТ представляет собой типичную дифрактограмму поликристалла с серией пиков на плавной линии фона. Каждый пик является отражением n-го порядка от серии плоскостей (hkl) с межплоскостным расстоянием dhkl.
Основной характеристикой гидрофильности (гидрофобности) поверхности любого наполнителя является краевой угол смачивания α или θ - cos α. Он определяется как угол между касательной, проведенной к поверхности смачивающей жидкости, и смачиваемой поверхностью твердого тела, при этом α всегда отсчитывается от касательной в сторону жидкой фазы. Касательную проводят через точку соприкосновения трех фаз: твердой фазы (исследуемого модифицированного наполнителя), жидкости (дистиллированная вода) и газа (воздух). При α > 90º поверхность материала обладает гидрофобными свойствами.
На рис. 3 представлены результаты по определению краевого угла смачиваемости не модифицированного порошка гидрида титана. Установлено, что у не модифицированного порошка гидрида титана гидрофильная поверхность, так как краевой угол смачиваемости α = 66º.
Рис. 3. Схема определения краевого угла смачиваемости не модифицированного порошка гидрида титана
На рис. 4 представлены результаты по определению краевого угла смачиваемости модифицированного жидкостью гидрофобизирующей 136-41 порошка гидрида титана. Установлено, что у модифицированный порошок гидрида титана, в отличие от не модифицированного порошка гидрида титана, обладает гидрофобными свойствами, т.к. краевой угол смачиваемости α = 109º.
Рис. 4. Схема определения краевого угла смачиваемости модифицированного порошка гидрида титана
Это говорит о том, что модифицирование жидкостью гидрофобизирующей 136-41 позволит создать равномерное распределение наполнителя гидрида титана в полимерной неполярной матрице.
Выводы. Установлено, что у не модифицированного порошка гидрида титана гидрофильная поверхность, так как краевой угол смачиваемости α = 66º. Выявлено, что модифицированный порошок гидрида титана, в отличие от не модифицированного порошка гидрида титана, обладает гидрофобными свойствами, т.к. краевой угол смачиваемости α = 109º. Это говорит о том, что модифицирование жидкостью гидрофобизирующей 136-41 позволит создать равномерное распределение наполнителя гидрида титана в неполярной полимерной матрице.
Модифицирование порошка гидрида титана, представленным в работе способом позволит создавать новые полимерные композиты, обладающие улучшенными нейтронно-защитными свойствами.
*Работа выполнена при поддержке проектной части Государственного задания Минобрнауки РФ, проект №11.2034.2014/К.
