 За счет высокого аспектного отношения этих наполнителей можно повысить механические свойства полимеров, их теплостойкость, огнестойкость, а также барьерные свойства без существенного ущерба для прозрачности, жесткости или же ударопрочности. Слоистый силикат обычно производится органофильным за счет обмена неорганического катиона, расположенного между слоями (d-спейсинг), на органический аммоний катион.
Глинистые полимерные композиты можно разделить на три вида: традиционные композиты, внедренные нанокомпозиты и расслоенные нанокомпозиты. При формировании традиционных композитов фиксация нанослоев глины сохраняется при ее смешивании с полимером, и не образуется внедрения полимера в структуру глины. Соответственно, фракция глины в традиционных глинистых композитах играет незначительную роль в функциональном плане (или же вообще не играет никакой роли), она, в основном, действует как наполнитель, вводимый по экономическим соображениям. При создании традиционных глинистых композитов обычно получают повышение значений модуля, но такое, получаемое за счет армирования преимущество, обычно влечет за собой ухудшение в области других свойств, таких как прочность или гибкость. Возможно создание двух типов глинистых полимерных нанокомпозитов [1,3,6]. Внедренные нанокомпозиты образуются, когда один или два молекулярных слоя полимера внедряются вдоль пластов глины с созданием фиксированного расстояния между слоями. Расслоенные нанокомпозиты (Рис. 2c) образуются, когда силикатные нанослои (каждый отдельно) диспергируются в полимерной матрице, где среднее расстояние между разделяемыми слоями зависит от концентрации глины. Разграничение между расслоенными нанослоями может быть однородным (равномерным) и изменяющимся (неравномерным). У расслоенных нанокомпозитов более высокая фазовая однородность, чем у внедренных нанокомпозитов. И, что особенно важно, у расслоенного нанокомпозита каждый нанослой активно участвует во всех видах поверхностного взаимодействия с матрицей. Это структурное различие является основной причиной того, что расслоенная глина является особенно эффективным средством для усиления армирования и прочих эксплуатационных характеристик глинистых композитных материалов. Основным фактором, обусловливающим необычайно высокие эксплуатационные характеристики глинистых полимерных нанокомпозитов, является полное распространение (расслоение) глинистых нанослоев в полимерной матрице. Структура монтмориллонитной глины, используемой в качестве наполнителя, представляет собой октаэдрический лист оксида алюминия, который встроен между двумя тетраэдрическими листами двуокиси кремния. Ионы алкиламмония снижают энергию поверхности глины таким образом, что мономеры и полимеры с различными полярностями могут проникать в пространства между слоями, вызывая, тем самым, дальнейшее разделение силикатных слоев для образования нанокомпозита [2,4]. Целью данного исследования является повышение эксплуатационных характеристик полимерных композитов с помощью использования ненасыщенной полиэфирной смолы (UP) на основе утилизированного PET (полиэтилен терефталата) [8]. Таким образом, в данном исследовании рассматриваются механические свойства и термическая стабильность нанокомпозитов MMT-UP и полимербетона с использованием нанокомпозита MMT-UP. Результаты подтверждаются результатами механических испытаний, рентгеновской дифракции (XRD), просвечивающей электронной микроскопии (TEM), дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC), а также термогравиметрического анализа (TGA). 2. Значение исследования Настоящее исследование вносит вклад в понимание свойств нанокомпозита MMT-UP и полимербетона с использованием нанокомпозита MMT-UP следующим образом: 1. Оно доказывает возможность производства полимербетона более высоких марок с использованием нано-MMT. 2. Оно позволяет сформулировать основы методологии повышения эксплуатационных характеристик полимербетона с помощью добавления нано-MMT. 3. Оно выдвигает предположение о том, что полимербетоны, произведенные из утилизированного PET, и нано-MMT, могут оказаться полезными материалами для производства полимербетонных продуктов. 3. Экспериментальная часть. 3.1. Материалы. Использовались три различных вида MMT. Компания Southern Clay Products Inc., из США, поставила необработанный [Na.sup.+]-MMT и органофильный обработанный MMT, имеющие торговые (коммерческие) названия Cloisite 30B и 25A. Cloisite 30B представляет собой монтмориллонит, модифицированные метиловым, твердым, бис-2-гидроксиэтиловым четырехкомпонентным хлоридом аммония; а Cloisite 25A представляет собой монтмориллонит, модифицированные диметиловым, дегидрогенизированным твердым, 2-этилгексиловым, четырехкомпонентным хлоридом аммония. В таблице 1 приведены некоторые данные производителя по этим MMT. Ненасыщенная полиэфирная смола, изготовленная на основе утилизированной пластмассы (PET), использовалась в качестве матрицы. [8]. Концентрация стирола в 40% в ненасыщенной полиэфирной смоле была выбрана благодаря своей низкой вязкости (1300 мПа с при 25 [градусах]C), а также для того, чтобы повысить степень диффузии смолы в продольные слои ММT. Для того, чтобы начать процесс отверждения, к смоле были добавлены: 1% (по массе смолы) 10.7% метилэти кетон перекисного инициатора с активным кислородом и 0.1% (по массе смолы) усилителя из 8% раствора октоата кобальта (используется в качестве ускорителя). Эти крупные и мелкие неорганические заполнители использовались в ходе экспериментальных исследований полимербетона: 8 мм мелкий окатанный гравий; кремнистый речной песок с модулем крупности 2.48, а также CaC[O.sub.3] (карбонат кальция). Агрегат высушивался в печи на протяжении минимум 24 часов при 200 [градусах]C для уменьшения содержания влаги до менее, чем 0.3% по массе, таким образом, обеспечивалось отличное связывание полимерной матрицы и неорганических агрегатов. Использование карбоната кальция существенно повысило работоспособность свежей смеси. Наличие мелких и сферических частиц карбоната кальция обеспечивает свежей смеси более высокие смазочные свойства, повышая, таким образом, ее пластичность и связность. Более постепенный гранулометрический состав, получаемый за счет карбоната кальция, также позволил получить в отвердевшем материале более высокие свойства прочности и улучшенный внешний вид. Свойства агрегата и смолы представлены в таблицах 2 и 3 соответственно. 3.2. UP-MMT нанокомпозиты Производство UP-MMT нанокомпозитов реализуется два этапа. На первом используется технология смешивания, линейные цепи ненасыщенного полиэфира смешиваются со стирольными мономерами и слоистым силикатом. В ходе второго этапа используется технология отверждения, при котором начинается действие реакции сшивания осуществляющими разложение инициаторами. Ненасыщенные полиэфирные цепи, стирольные мономеры и нано-MMT смешиваются на протяжении 3 часов при 60 [градусах]C. Процентное содержание массы MMT в использованном UP-MMT нанокомпозите составляло 2%, 5%, 8% и 10%, соответственно. Затем смесь охлаждали до комнатной температуры. 1% по массе инициатора (MKPO) добавляли в смесь, затем смесь помешивали в течение 2 минут. Смесь заливали в формы, отверждали при комнатной температуре на протяжении 12 часов, а затем подвергали последующему отверждению при 120 [градусах]C на протяжении 4 часов. Дифракционные рентгенограммы (XRD) были получены с помощью использования рентгеновского диффрактомера Rigaku, снабженного излечением CuKa и неплоским графитовым кристалл-монохроматором. Образцы были получены с помощью нанесения предварительно внедренной смеси и нанокомпозита UP-MMT в листовой форме на предметное стекло. Все данные дифракционной рентгенографии собирались с помощью рентгеновского генератора ([лямбда] = 1.5406A). Использовался брэгговский закон ([лямбда] = 2d/sin[тета]) для осуществления расчета кристаллографического пространственного распределения. Для того, чтобы оценить изменение температуры перехода в стеклообразное состояние, [T.sub.g], которое связано с повышением концентрации MMT, был проведен дифференциальный сканирующий калориметрический (DSC) анализ с использованием General V4.1C DuPont 2000. Измерение осуществлялось при температурах от 30 [градусов]C до 300 [градусов]C с использованием скорости нагревания в 10 [градусов]C/мин в атмосфере азота. Термическое поведение определялось с помощью термогравиметрического анализатора (TGA). Было проведено микроскопическое исследованием с использованием просвечивающего электронного микроскопа (TEM) с ускоряющим напряжением 100 кв. 3.3. Полимербетон с использованием UP-MMT нанокомпозитов Определение прочности при растяжении осуществлялось в соответствии с ASTM D638M-91a при скорости перемещения поперечины 5 мм/мин. Цилиндры из полимербетона, которые использовались для определения прочности при сжатии и раскалывании, составляли 76 мм в диаметре и 152 мм в длину. Образцы испытывали в машине с гидравлической нагрузкой при постоянной нагрузке в 44,500 н/мин. Состав смеси полимербетона, дозированный по массе, был следующим: 11% смолы (MMT-UP), 45% высушенного в печи крупного агрегата, 33% высушенного в печи песка, а также 11% CaC[O.sub.3]. Модуль упругости при сжатии был сначала получен с помощью компрессометра с длиной измеряемого образца 76-мм с использованием двух диаметрально противоположных сторон. Модель упругости при сжатии рассчитывался там, где растяжение составляло 40% от максимального графика растяжения на напряжение--растяжение (нагрузка--прогиб). Упругие образцы смешивались и спрессовывались в стальные формы с размерами 50 x 50 x 305-мм. Перекрытия нагружались нагружением в третях пролёта с однородной скоростью 2225 н/мин. Образцы отливались, отверждались и испытывались при комнатной температуре. Испытание образцов производилось в течение 7 дней. Проводились испытания для того, чтобы определить воздействие температуры на прочность при сжатии PC, прочность при раскалывании, модуль упругости, и предел прочности при изгибе. После отверждения образцы помещали в камеру искусственного климата при нужной температуре на два дня, предшествующие испытаниям. Были выбраны следующие температуры: 15 [градусов]C, 25 [градусов]C, и 65 [градусов]C. Собственно испытание проводилось при комнатной температуре сразу же после извлечения образцов из камеры искусственного климата. 4. Результаты и обсуждение 4.1. UP-MMT нанокомпозит Распределение силикатного слоя в нанокомпозите ММТ-UP анализировалось с помощью XRD. Как показано на Рис. 3, исследованные рентгенограммы XRD MMT и композитов MMT-UP дают различные пики с различными типами MMT. Пики для [Na.sup.+], Cloisite 25A, [Na.sup.+]-UP и Cloisite 25A-UP нанокомпозита даны при 7.5[градусов], 3.5[градусов], 5.2[градусов] и 2.6[градусов], соответственно. Эти значения [тета] 2 соответствуют расстояниям между слоями 11.7, 18.6, 17.0 и 34.6 [ангстрем], соответственно. Новый пик наблюдался в композите [Na.sup.+]-UP. Это указывает на то, что с помощью полимеризации ненасыщенный полиэфир встраивается между слоями MMT. Тем не менее, для композита Cloisite 30B-UP, пик с меньшим углом исчез, а это означает, что, либо частицы силикатного слоя расслоились в полимерной матрице, либо они исчезли из-за того, что расстояния между слоями были слишком большими. Здесь важно отметить, что полимеризация [Na.sup.+]-UP и композита Cloisite 25A-UP привела к образованию только встроенной структуры, в то время как Cloisite 30B стимулировал процесс деламинации слоистых силикатов для получения расслоения.
|
