Изготовление нанокомпозитов на основе эластомеров

Развитие промышленности требует создания новых полимерных материалов с заданным сочетанием свойств, в первую очередь с повышенной морозостойкостью, высоким сопротивлением истиранию, прочностью, жесткостью и теплопроводностью, тепло- и термостойкостью, а также с пониженным тепловым расширением и низкой стоимостью. Требуемые сочетания свойств в ряде случаевдостигаются созданием наполненных полимерных (композиционных) материалов, компоненты которых при совместной работе способны оказывать синергетический эффект. По мере перехода в "век композиционных материалов” все более настоятельным становится необходимость систематического выявления факторов, определяющих технологические и эксплуатационные свойства и стоимость полимерных композиционных материалов, а также потенциальные возможности их регулирования. Применение наноразмерных наполнителей имеет определенные трудности: из-за большой удельной поверхностной энергии они со временем склонны к агломерации и агрегации, главным образом, за счет сил Ван-дер-Ваальса, дисперсионных сил, электростатических сил. При этом образуются различного вида и состояния «слипшиеся» частицы.

Разнообразие наполнителей по химическому составу, размерам и форме частиц дает возможность получения огромного числа композиционных продуктов. Но как было указано выше, на этом пути возникает проблема введения наноразмерных наполнителей, не подвергнутых агломерации и также одной из распространенных проблем при введении наполнителя является проблема равномерного диспергирования наноразмерной фазы в матрице и предотвращение агломерации наночастиц в макрокомплексы. Решение этих проблем позволит получать композиционные материалы с более равномерным распределением свойств по объему материала. Отсутствие агломерации, следовательно, сохранение размера наполнителя на наноуровне, позволяет использовать наноэффекты при формировании свойств материала - малые размеры наночастиц приводят к меньшим изменениям тех свойств матрицы, которые желательно сохранить.

Большое отношение площади поверхности к объёму позволяет увеличить удельную поверхность наполнителя, что приводит к уменьшению массы наполнителя, который должен быть внедрён в матрицу для достижения необходимых характеристик - снижение веса и стоимости композитов. Для создания условий диспергирования такого нанонаполнителя, как слоистые алюмосиликаты (например, бентонитовые  глины) в полимерах и проникновения (интеркалирования) макромолекул в пространства между силикатными пластинами, глины предварительно модифицируют, используя поверхностно-активные вещества (ПАВ) различных типов.

Анализ работ в области применения комплексных добавок на основе наносистем для улучшения характеристик материала показывает, что положительное их влияние в большой степени зависит не только от количества и соотношения компонентов этих добавок, но и от способа их приготовления и технологической последовательности введения в смесь.

Таким образом, одним из важнейших задач материаловедов при разработке новых материалов является предварительная обработка наполнителя перед введением в полимерную матрицу. Это наиболее эффективный метод улучшения свойств материала, например, к таким методам относится активация наполнителя (наночастиц). Следует учесть, что между активацией и активностью наполнителя есть существенная разница, в первом случае это переход наполнителя в метастабильное состояние, где преобладают размерные эффекты, во втором случае под активностью наполнителя имеется в виду изменение определенного свойства наполненной системы, причиной которой является межфазные взаимодействия на границе полимер - твердое вещество.

Хотя наночастица, в целом, повышает эффективность использования материалов, есть еще проблемы, стоящие перед специалистами. Ниже приведены основные проблемы, которые следует учесть при работе с нанонаполнителями.

1.Наночастицы имеют тенденцию агрегировать во время процесса производства. Тяжелая агрегация частиц приводит к ухудшению термических и механических свойств нанокомпозитов. Равномерное распределение наночастиц в матрице является важнейшим условием получения нанокомпозитов  с высоким уровнем эксплуатационных свойств.

2.Угрозы здоровью и окружающей среде могут возникнуть при производстве, использовании и утилизации нанокомпозитов. Несмотря на впечатляющие перспективы применения нанотехнологий, на уникальные физико-химические свойства наночастиц, материалы на их основе не могут не вызывать опасений в отношении их биологической совместимости и возможных негативных последствий взаимодействия с живыми организмами. Проявление токсических свойств искусственных наноматериалов при взаимодействии с биологическими объектами определяется необычными физико-химическими свойствами, структурными особенностями и размерами наночастиц. Например, с уменьшением размера частицы возможно увеличение количества структурных дефектов, что в свою очередь является причиной изменения электронной конфигурации молекул, образующих наноматериал, и возникновения реакционных центров на поверхности. Влияние таких изменений зависит от свойств материала. Так, взаимодействие кислорода окружающей среды с электронодонорным активным центром может привести к захвату электрона и генерированию супероксидного радикала O₂^• - с последующим образованием активных форм кислорода, оказывающих токсическое действие на биологические системы. Для обеспечения безопасности здоровья в России с 2009 года действует методические указания (МУ 1.2.2520-09): «Токсиколого-гигиеническая оценка безопасности наноматериалов». Однако эти указания практически не содержат методик, специально созданных для учета особенностей возможного вредного воздействия наночастиц.