ВАК 05.17.00 Химическая технология
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
Повышение совместимости матрицы и наполнителя – это основной фактор, влияющий на свойства полимерного композиционного материала. Применение поверхностной обработки органосилоксановыми структурами, в частности кремнийорганическими жидкостями, существенно повышает совместимость. Обработанный наполнитель, имеющий, как и полимер, гидрофобную поверхность, намного легче распределяется в матрице полимера, и конечный расплав имеет меньшую вязкость, что снижает нагрузку на оборудование, предотвращает механодеструкцию. В данной работе исследовалась возможность модифицирования гидрида титана, с целью его совмещения с неполярной полимерной матрицей для создания новых полимерных композитов, обладающих улучшенными нейтронно-защитными свойствами. Для получения порошка гидрида титана, обладающего гидрофобными свойствами, в помол гидрида титана была внесена гидрофобизирующая кремнийорганическая жидкость 136-41. 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.
неполярная матрица, гидрофобность, гидрофильность, совместимость, краевой угол смачивания
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.
1. Композиционные материалы: Справочник / В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др.; Под общ. Ред. В.В. Васильева, Ю.М. Таронопольского. - М.: Машиностроение, 1990. 512 с.
2. Седакова Е.Б., Козырев Ю.П. Влияние содержания дисперсного наполнителя на адгезию между наполнителем и матрицей в полимерных нанокомпозитах триботехнического назначения // Вопросы материаловедения. 2013. № 3 (75). С. 70-75.
3. Яхьяева Х.Ш., Козлов Г.В., Магомедов Г.М., Заиков Г.Е. Структурные основы межфазной адгезии (наноадгезии) в полимерных композитах // Энциклопедия инженера-химика. 2012. № 10. С. 11-13.
4. Tyutnev A.P., Nikerov A.V., Smirnov D.D., Tumkovskii S.R. Universality of charge-carrier transport in molecularly doped polymers // Polymer Science Series A. 2016, Vol. 58, Issue 2, pp. 276-282.
5. Дувакина Н.И., Ткачева Н.И. Выбор наполнителей для придания специальных свойств полимерным материалам // Пластические массы. 1989. № 11. С. 46-48.
6. Кахраманлы Ю.Н. Несовместимые полимерные смеси и композиционные материалы на их основе. Баку: ЭЛМ, 2013. 152 с.
7. Mohan S. Krishna, Srivastava T. Microbial deterioration and degradation of polymeric materials // J Biochem Tech. 2010. Vol. 2, №4. рр. 210-215.
8. Куприева О.В.Термодинамические расчеты термической диссоциации гидрида титана // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, 2014. № 5. С. 161-163.
9. Павленко В.И., Бондаренко Г.Г., Черкашина Н.И. Разработка нейтронно-защитных полимерных композитов на основе тонкомолотого гидрида титана // Перспективные материалы, 2016. № 7. С. 16-21.
10. Павленко В.И., Черкашина Н.И., Носков А.В., Ястребинский Р.Н., Соколенко И.В. Расчет процессов прохождения гамма квантов в композиционном материале // Известия высших учебных заведений. Физика, 2016. Т. 59, № 8. С. 60-65.
11. Павленко В.И., Соколенко И.В., Носков А.В. Композиционный материал нового типа для комплексной радиационной защиты // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2015. Т. 58. № 6. С. 66-69
12. Манякина Д.С., Чердынцев В.В., Лунькова А.А. Исследование структуры и шероховатости гидрофобных композиционных покрытий на основе полисульфона // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 5. [Электронный ресурс]
13. Черкашина Н.И., Карнаухов А.А., Бурков А.В., Сухорослова В.В. Синтез высокодисперсного гидрофобного наполнителя для полимерных матриц // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 6. С. 156-159.
14. Матюхин П.В., Ястребинский Р.Н. Исследование механизмов модифицирования поверхности природных железорудных минералов алкилсиликонатами // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2005. Т. 48. № 4. С. 140.
15. ГОСТ 10834-76 Жидкость гидрофобизирующая 136-41. Технические условия. - Введ. 01.01.1977. М.: Госстандарт России, 1976. 16 с.
