Введение к работе
Актуальность работы: В настоящее время, несмотря на синтез большого количества новых каучуков, каждый из них в отдельности не может в полной мере удовлетворить тем разнообразным требованиям, которые предъявляются к резинам, применяющимся в различных областях промышленности. Смешение полимеров, а также введение корректно подобранных нанодисперсных компатибилизаторов являются эффективным способом получения материалов с уникальным уровнем свойств, недостижимым при использовании одного полимера.
Необходимость проведения исследований локальных свойств поверхности и межфазных слоев в смесях полимеров с пространственным разрешением в нанометровом диапазоне определяется тем, что именно в этом диапазоне и проявляются специфические свойства наноразмерных объектов (надмолекулярных структур, межфазных слоев, нанодисперсных наполнителей и т.п.). Анализ результатов полученных при проведении такого рода исследований, дает возможность целенаправленно регулировать свойства композитов и создавать на их основе материалы с заранее заданными свойствами. В связи с этим, большое значение имеет совершенствование существующих и применение новых методов оценки взаимодействия между смешиваемыми полимерами, в т.ч. в присутствии компатибилизаторов на наноструктурном уровне.
При изучении структуры полимерных смесей широко применяют различные методы микроскопии. В настоящее время большой интерес представляет атомно-силовая микроскопия (АСМ), потенциал которой при изучении полимерных смесей еще полностью не раскрыт. Однако, несмотря на то, что современные атомно-силовые микроскопы имеют большое количество измерительных режимов и дополнительных опций, существует ряд недостатков, ограничивающих возможности их эффективного применения. Это требования к размерам образца, к поверхности материала со структурно-морфологической точки зрения и т.д. Поэтому АСМ целесообразно использовать в сочетании с другими методами микроскопии, такими как растровая электронная микроскопия (РЭМ), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) и т.д.
Создание новых материалов с заранее заданными свойствами с применением методик исследования на современном научном оборудовании, а также поиски новых областей применения стандартных методов исследования для практических задач материаловедения является актуальной научной проблемой.
Связь работы с крупными научными программами:
В основу диссертации положены результаты исследований по следующим научно- исследовательским программам и темам:
проект СО РАН 5.2.1.1. «Создание и прогнозирование изменений физико-механических свойств перспективных полимерных композиционных материалов для использования в технологических системах и технике нефтегазовой отрасли в условиях холодного климата». Приоритетное направление РАН «Современные проблемы химии материалов, включая наноматериалы» (№ гос. регистрации 01.2.007 05098, 2010-2012 гг.);
проект 8.12 «Регулирование структуры композиционных эластомерных материалов путем введения добавок, полученных механохимическим синтезом» (Программа През. РАН №8 «Разработка методов получения химических веществ и создание новых материалов», 2006-2008 гг.);
Проект «Разработка полимерных и эластомерных нанокомпозитов для уплотнительных элементов и узлов трения техники Севера» (государственный контракт Республики Саха (Якутия) №609, 2008-2010 г.);
Проект РФФИ 09-03-98504-р_восток_а «Разработка самоорганизующихся полимерных нанокомпозитов на основе природного минерального сырья» (2009 -2011гг.);
Целью работы является установление взаимосвязи между структурой межфазных слоев и макромолекулярными свойствами полимерэластомерных нанокомпозитов в присутствии компатибилизаторов и разработка морозостойких материалов уплотнительного назначения с улучшенным уровнем эксплуатационных свойств.
В соответствии с этим в работе ставились следующие задачи:
-
Провести сравнительный анализ современных методов структурной модификации материалов и методов исследования их структуры. Выбрать наиболее информативные с точки зрения поставленной цели методы исследования структуры и межфазных слоев в смесях полимеров.
-
Исследовать влияние технологии смешения компонентов на формирование структуры полимерэластомерных композитов. Выбрать оптимальный технологический способ введения компатибилизатора в полимерэластомерную композицию.
-
Разработать методику структурных исследований полимер-эластомерных композитов, позволяющую оценивать эффективность компатибилизаторов и прогнозировать свойства материалов.
-
Разработать морозостойкие полимерэластомерные материалы уплотнительного назначения с улучшенным комплексом эксплуатационных свойств с использованием данных, полученных с применением предложенных методик структурного исследования композитов.
Научная новизна и значимость полученных результатов:
-
Предложен способ исследования распределения нанонаполнителей в разных полимерных фазах композита с помощью растровой электронной микроскопии.
-
Впервые разработана методика применения АСМ для качественного и количественного анализа границы раздела фаз между эластомерной матрицей и полимерной фазой.
-
Установлены закономерности формирования межфазных слоев полимерэластомерных композитов в присутствии нанонаполнителей, применяемых в качестве компатибилизаторов. Показано, что выбранные компатибилизаторы проявляют высокую структурную активность на границе раздела фаз «бутадиен-нитрильный каучук – сверхвысокомолекулярный полиэтилен», что способствует образованию развитой межфазной границы и обеспечивает комплексное улучшение свойств.
-
Показано, что сохранение высокой эластичности полимерэластомерного композита в области низких температур и улучшение его морозостойкости, происходит при распределении высокодисперсного наполнителя преимущественно на границе раздела полимерных фаз и ограничении возможности его проникновения в эластомерную матрицу.
-
Разработаны новые рецептуры и получены новые морозостойкие резины уплотнительного назначения, превосходящие по своим эксплуатационным характеристикам промышленные аналоги по уровню работоспособности в условиях холодного климата.
Практическая значимость полученных результатов: На основании предложенного способа исследования распределения нанонаполнителей и разработанной методики структурных исследований композитов подобраны эффективные компатибилизаторы и технологические режимы переработки полимерэластомерных композитов для улучшения физико-механических свойств, морозо-, агрессиво- и износостойкости композитов на основе смесей полимеров. Разработаны новые морозостойкие полимерэластомерные материалы на основе бутадиен-нитрильного каучука, сверхвысокомолекулярного полиэтилена и компатибилизаторов (шпинели магния и анортита) с улучшенным комплексом эксплуатационных свойств в условиях холодного климата. Получен 1 Патент РФ. Материалы внедрены в промышленность: получено 4 акта внедрения на предприятиях Республики Саха (Якутия), налажено их производство на предприятии ООО «Нордэласт», созданном в рамках федеральной программы «Старт».
Достоверность полученных в диссертационной работе результатов обеспечивается их воспроизводимостью, использованием апробированных методов исследования на современном оборудовании, и соответствием результатов лабораторных и стендовых испытаний. Основные результаты и выводы диссертационной работы опубликованы и докладывались на научных семинарах и конференциях.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Способ анализа распределения нанонаполнителей в различных зонах полимерэластомерных нанокомпозитов.
-
Методика исследования фазового взаимодействия в полимерэластомерных композициях, включающая получение качественных и количественных характеристик межфазной границы с помощью методов АСМ, обеспечивающая проведение анализа совместимости смешиваемых полимеров и корректный подбор компатибилизатора.
-
Новые составы полимер-эластомерных композитов на основе бутадиен-нитрильного каучука, сверхвысокомолекулярного полиэтилена и компатибилизаторов (шпинель Mg и анортит) с улучшенным комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях: "Поликомтриб-2009" (г. Гомель); XV, XVI, XVII международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (г. Москва, 2008-2010 гг.); I международной научной конференции «Нано-2008» (Минск, 2008 г.); XXVIII, XXIX Международных конференциях "Славполиком" (г. Ялта, 2008, 2009 гг.); I Международной конференции «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (г. Суздаль 2008 г.); 1-ой Всероссийской научной конференции «Методы исследования состава и структуры функциональных материалов МИССФМ-2009» (г. Новосибирск, 2009 г.), Всероссийской конференции «Физико-химические аспекты технологии наноматериалов, их свойства и применение» (г. Москва, 2009); IV-V Евразийских симпозиумах по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (г. Якутск, 2008-2010 гг.); IX международном симпозиуме по развитию холодных регионов «ISCORD 2010» (Якутск, 2010); Internatoinal XI-th Russian-Chinese Symposium «Modern materials and technologies» (Khabarovsk, 2011); XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (г. Волгоград 2011 г.); XXII симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных композитов» (Москва, 2011г.); 4-й школе «Метрология и стандартизация в нанотехнологиях и наноиндустрии. Функциональные наноматериалы» (г. Новосибирск, 2011г.); конкурсе молодых ученых СО РАН на премию К.И. Замараева (г. Новосибирск, 2011г.).
Опубликованность результатов. Основные положения и результаты исследований отражены в 43 научных работах, включающих 7 статей в научных журналах, 5 из которых включены в список ВАК, 36 публикаций в сборниках трудов конференций и 1 патент РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников из 120 наименований и приложения. Полный объем диссертации составляет 135 стр., включая 41 рисунок и 16 таблиц.
