Во-первых, получаемые из них наночастицы однородны по размерам и имеют хлопьевидную форму, что может способствовать повышению механических свойств нанокомпозитов, а во-вторых, исходный материал является достаточно легкодоступным. В результате их смешения с полимерами размер полученных частиц может достичь толщины около 1 * 10"9 м и диаметра от 250 до 1000 х 10~9 м. Благодаря нанометровому размеру частиц, достигаемому диспергированием, нанокомнозиты на основе слоистых силика¬тов проявляют значительно улучшенные механические, термические, оптические и физико-химические свойства по сравнению с чистым полимером или традиционным наполненным полимером при небольшом содержании наполнителя. Улучшения в свойствах могут включать, например, увеличение модуля упругости, прочности, тепло-устойчивости, уменьшение газопроницаемости и воспламеняемости. В основе строения пластин большинства глинистых минералов лежат два структурных элемента: один элемент состоит из двух слоев атомов кислоро¬да или гидроксильных групп, между которыми в октаэдрической координации расположены атомы алюминия, железа или магния, а второй структурный элемент является кремнекислородными те-траэдрами. Расстояния между атомами кислорода в октаэдре 2,60 х ]Q-10 м, а тетраэдре оно составляет 2,55 * 10'10 м. Кислородные атомы в октаэдре являются общими и для тетраэдрического слоя, в результате чего возникают внутренние напряжения, которые приводят к образованию пластин глины с небольшим распределением по диаметру (Рисунок 1), Изоморфное замещение в пределах слоя (например, АР1" замещенный на Mg~+ или Fe2+, Mg2r" замещенный на Li*) генерирует отрицательные заряды, нейтрализуемые щелочными или щелочноземельными катионами (Li+, Na+, Ca~ и др.), расположенными в межслойном пространстве. Поскольку силы, связывающие отдельные силикатные пластинки вместе относительно слабы, внедрение маленьких молекул между слоями происходит легко. Все глинистые минералы обладают определенной емкостью катионного обмена (ЕКО) - от 10 до 150 мг х кв/ глины. ЕКО - является характеристикой глинистого минерала и обозначает количество обменных катионов (выраженное в мг-эквивалентах), способных к замещению на катионы другого типа в расче¬те на 0.1 кг глины. Среди глинистых минералов для получения полимерных нанокомпозитов особый интерес представляют минералы, способные к разбуханию (смектиты), в частности монтмориллонит (ММТ). 
Глины на его основе обладают высокой дисперсностью и ЕКО (до 150 мгхэкв/100 г). Вследствие этого, монтмориллонитовые глины обладают рядом преимуществ по сравнению с другими глинистыми минералами. Кристаллическая решетка ММТ (Ри¬сунок 1) состоит из трех слоев - октаэдрическии слой, в котором центральным ионом является алюминий (или магний), совмещен с двумя внешни¬ми кремнекислородными тетраэдрическими слоями. Состав минерала может быть представлен химической формулой: Mx(AI4-xMgx)Si8O20(OH)4 где М - катион щелочных или щелочноземельных металлов, х - степень изоморфного замещения, х=0,5-1,3- Изоморфное замещение в октаэдрическом слое ионов АР* на Mg2~ приводит к накоплению отрицательного заряда в си¬ликатной пластинке. Чаще всего этот заряд компенсируется катионами Na+ илиСа2'. Слои ММТ самоорганизуются в структуру, напоминающую кипу листов бумаги с регулярными «проходами» между отдельными слоями, называемыми межслоевым пространством (Рисунок 2). Толщина силикатного слоя составляет около 1 х 10~9 м, а поперечные размеры - до 1 х Ю'6 м. Нанокомпозиты на основе слоистых силикатов представляют большой интерес для глобальных рынков пластмасс. Полимерные компаунды, содержащие только небольшие количества органоглин (в основном, 5% по массе), можно использовать для производства де¬талей в автомобильной промышленности, упаковочных пленок с барьерными свойствами и усовершенствованных огнеупорных оплеток кабелей и проводов, а также для многих других применений. Такие нанокомпозиты могут повысить жесткость полимеров, расширить применение для высокотемпературных классов пластиков и дать усовершенствованные свойства, такие как размерная стабильность, лучшие барьерные свойства для газонепроницаемости, повышение токопроводимости и огнестойкости. Огнестойкость слоистых нанокомпозитов Наличие наночастиц улучшает термическую стабильность полимеров и придаёт им относительную стойкость к горению. Механизм подавления пламени посредством введения слоистых силикатных наночастиц основывается на образовании углистого слоя и его структуре. Углистый слой изолирует базовый полимер от источника тепла и образует, тем самым, барьер, уменьшающий выделение летучих продуктов в процессе горения. Хотя подавление пламени является относительно новой сферой применения нанокомпозитов, в качестве наполнителей они весьма важны для создания относительно огнестойких полимеров с улучшенными свойствами. Сочетания органоглинозёмов с другими антипиренами-наполнителями, такими, как гидроксид алюминия или гидроксид магния, также демонстрируют многообещающие свойства. По материалам многих международных конференций можно утверждать, что существует общая тенденция ис-пользования таких сочетаний наполнителей (также и с бронированными ингибиторами горения) для получения эффективных компаундов с высокой огнестойкостью. Такие компаунды все шире используются для производства огнеупорных кабелей и топливных шлангов. Для нанокомпозитов также характерны улучшенные барьерные свойства за счет создания извилистых ходов, которые замедляют перемещение молекул газа через матрицу смолы (Рисунок 4). В то же время, диспергированные органоглины имеют толщину всего в несколько нм, и поэтому они не мешают прохождению света, что позволяет получать прозрачные продукты. Соответственно, в настоящее время основными применениями для нанокомпозитов на основе полиамидов являются упаковочные материалы с высокими барьерными свойствами для производства бутылок из полиэтилентерефтолата (ПЭТФ), где слои на основе нанокомпозигов дают улучшение способности препятствовать проникновению кислорода и углекислого газа. Источник: композитный мир
|
