Диссертация (1090114), страница 27
Текст из файла (страница 27)
д.) с образованием агломератов размером 4 мкм.179Таблица 3.12 - Составы и обобщенные параметры структуры ДНПКМ: ПК +Aerosil ОХ-50 (dаг = 4 мкм и при φm=0,15 об.д.)Содержаниенанонаполнителямарки Aerosil ОХ-50φ н,об.д.0,0020,0050,010Обобщенные параметры структуры ДННКφ н,масс. %0,41,01,9Θ,об.д.В,об.д.М,об.д.Разбавленные ДНПКМ 1,0≥Θ ≥ 0,90 об.д.0,980,010,000,950,040,000,920,070,00аср,мкмаср/ d25,316,611,66,34,12,9Низконаполненные ДНПКМ 0,90≥Θ ≥ 0,75 об.д.2,00,080,009,90,900,0130,024,00,850,130,007,60,0265,00,800,170,006,3Средненаполненные ДНПКМ 0,75≥ Θ ≥ 0,20 об.д.Группа 1 - 0,75> Θ >0,45 об.д.
(ДНПКМ до предела текучести)6,00,220,005,20,750,0330,059,00,620,330,013,50,0712,60,460,460,012,3Группа 2 - 0,45> Θ > 0,20 об.д. (ДНПКП с пределом текучести)130,470,012,20,450,0720,09160,310,590,011,50,117,60,230,650,021,2Высоконаполненные ДНПКМ – 0,20≥Θ ≥0 об.д.18,40,680,021,00,200,1050,12200,100,770,020,70,13220,850,020,40,00Сверхвысоконаполненные ДНПКМ Θ ≤ 0; аср = 0, φн > φm24-0,07*0,910,020,14* Отрицательное значение параметра Θ указывает на образование пор в ДНПКМ2,51,91,61,30,90,60,50,40,30,20,20,1-Как видно из данных приведенных в таблицы 3.12 параметры аср и Θуменьшаются по мере приближения φн → φm как для ДНПКМ, так и для ДННК.Расчеты показали, что для нанонаполнителей по сравнению с наполнителями сразмерами частиц более 100 нм наблюдается сдвиг обобщенных параметров всторону меньших концентраций.
При этом в отличие от ДНПКМ фазовойструктуры,структурананокомпозитовформируетсявобластименьшихконцентраций нанонаполнителей. Так, при концентрации нанонаполнителя~ 4,9 масс. % с d ~ 40 нм формируется структура сверхвысоконаполненных ДННК180(Θ < 0), а для агломератов с dаг ~ 4 мкм при таких же концентрациях формируютсятолько низконаполненные ДНПКМ с 0,9 ≥ Θ ≥ 0,75 об.д. Обобщенные параметрыструктуры с учетом агломерации наночастиц существенно отличаются отпараметров ДННК с исходными размерами наночастиц.Таким образом, при получении нанокомпозитов на основе высоковязкогоПК не удается распределить частицы нанонаполнителя на наноуровне.
Врезультате получается ПКМ, содержащий в матрице полимера агломератынаночастиц со средним диаметром 3-5 мкм, что необходимо учитывать присозданиикомпозитовсзаданнымитехнологическимипараметрамииэксплуатационными свойствами.3.4.2 Влияние параметров структуры на абразивостойкость и оптическиехарактеристики нанокомпозитов на основе поликарбонатаДля определения абразивостойкости нанокомпозитов на основе ПК былаопределена зависимость критической нагрузки (Ркр), при которой на поверхностиПК появляется царапина, от содержания нанонаполнителя (рис.
3.6) [73, 178].91Ркр, Н872,36540246содержание нанонаполнителя,масс.%Рис. 3.6 – Зависимость Ркр для ДНПКМ на основе ПК от содержаниянанонаполнителей различных марок: 1 - Aerosil OX-50, 2 – Aerosil R7200, 3 –Aeroxide AluC (а) и от обобщенного параметра Θ (б)Введение нанонаполнителей в ПК приводит к увеличению Ркр в ~ 2 раза с4 до 7-8 Н. Для исследованных нанонаполнителей при ~ 0,005 об.
% (1,0 масс. %),181аср ~ 9-12 мкм и Θ ≈ 0,92-0,96 об д. достигается максимальные стойкостьповерхности ПК к царапанью (разбавленные системы). Дальнейшее увеличениесодержаниянанонаполнителейприводиткснижениюабразивостойкостиДНПКМ. При введении твердых частиц в матрицу ПК, они образуют жесткийквазинепрерывный каркас, а также формируется более рыхлый граничный слой,что приводит к повышению абразивостойкости [73, 178].Следует отметить, что максимальная стойкость к царапанию ДНПКМдостигается для нанонаполнителя Aerosil OX-50 с наименьшей удельнойповерхностью, наибольшим диаметром и более высокой устойчивостьюнаночастиц к агломерации.Важной особенностью ПК является его высокие оптические характеристикии, в частности, высокое значение коэффициента светопропускания, который дляоптических марок ПК достигает ~ 90 %. Введение нанонаполнителей споказателем преломления, отличающимся от полимерной матрицы, и агломерациянанонаполнителей в процессе смешения должно приводить к изменениюкоэффициента светопропускания получаемых ДНПКМ.На рис.
3.7 приведены зависимости коэффициента светопропускания (К)ДНПКМ на основе ПК от содержания нанонаполнителей.10090807060504030201090аб8032701К, %К, %60321012345Содержание нанонаполнителейв композите, масс%5040302010001020аср, мкм3040Рис. 3.7 - Зависимость коэффициента светопропускания (К) от аср (б) исодержания нанонаполнителя (а): 1 - Aerosil OX-50, 2 – Aerosil R7200,3 – Aeroxide AluCУчитывая, что при смешении в расплаве ПК происходит агломерациянанонаполнителей и, как следствие, наблюдается снижение коэффициента182светопропускания. Увеличение содержания нанонаполнителей до 2 масс. %приводит к образованию большего количества агломератов и значениекоэффициента светопропускания (К) снижается с 89 до 25-35%.Зависимость коэффициента светопропускания нанокомпозита на основе ПКот значения параметра Θ приведены на рис.
3.8.3Рис. 3.8 - Зависимость коэффициента светопропускания (К) от Θ для ДННК наоснове ПК с разными нанонаполнителями: 1 - Aerosil OX-50, 2 – Aerosil R7200,3 – Aeroxide AluCКоэффициент светопропускания снижается до значения 50-70 % призначении обобщенного параметра Θ ≈ 0,95 об. д. (1 масс.
% нанонаполнителей), апри значении обобщенного параметра Θ < 0,80 об. д., что соответствуетсодержанию нанонаполнителей 5 масс. % в композите, а коэффициентпропускания достигает значения 15-28%, при этом поверхность становитсяшероховатой.Отметим, что при увеличении содержания нанонаполнителей в ДНПКМпроисходит снижение коэффициента светопропускания практически в 3 раза (с 88до 25-35%), несмотря на существенную разницу в параметрах исходныхнанонаполнителей.
Такое поведение наполненных систем связано с агломерациейнаночастиц в ПК и образованием агломератов довольно больших размеров(~ 3-5 мкм).183Из полученных данных следует, что при формировании ДНПКМ на основеПК с нанонаполнителями максимальной абразивостойкость обладают композитыс обобщенными параметрами структуры: Θ ~ 0,92-0,95 об.д., что соответствуетсодержанию ~ 1 масс. % нанонаполнителя в ДНПКМ. В таблице 3.13 приведенызначения Ркр, и значения коэффициента пропускания (К) и шероховатости (Ra) длясистем ПК + нанонаполнитель при оптимальном содержании (1 масс. %)наночастиц.Таблица 3.13 - Свойства ПК и ПК + 1 масс. % нанонаполнительСостав ДННКаср, мкмΘ, об.д.Ркр, НК, %Ra, нм-148820ПК + 1 масс. % Aerosil OX-50120,9685044ПК + 1 масс.
% Aeroxide AluC80,9276751ПК + 1 масс. % Aerosil R720090,9476253ПММА-891ПКПримечание: параметры рассчитаны на агломерат размером 3 мкмТаким образом, введение нанонаполнителей с разными параметраминаночастиц в ПК с одной стороны повышает его абразивостойкость, а с другойснижает коэффициент светопропускания.Влияниенанонаполнителейнамеханическиесвойстваполучаемыхнанокомпозитов приведены в табл. 3.14.Таблица 3.14 - Физико-механические характеристики нанокомпозитов на основеПКСостав ДННКПКПК+1%R7200ПК+1% OX-50ПК+1%AluCσт,МПаσр,МПаεр (50),%МодульЕ, МПаУдарная вязкость поШарпи с надрезом(ГОСТ 4647), кДж/м2Твердость поРоквеллу(ГОСТ 24622)6366686865606152124100946422002470256025501813131195959897Как видно из данных таблицы 3.14 содержание нанонаполнителей до1 масс. % существенно не сказывается на изменении механических показателейПК.
Отметим некоторое снижение ударной вязкости с надрезом и сохранениевысоких показателей по удлинению, за исключением композиции с АeroxideAluC.184Таким образом, из представленных данных следует, что максимальнаястойкость к царапанию Ркр = 8Н достигается для композиции ПК + 1 масс. %Aerosil ОХ-50 с обобщенными параметрами структуры Θ = 0,96 об. д, аср ~ 12 мкм.Это соответствует минимальному размеру агломератов в ПК (4 мкм наповерхности и 2,5 мкм в объеме).
Однако лучшее сочетание абразивостойкости(Ркр = 7Н) и светопропускания (67 %) имеет композиция ПК + Aeroxide AluC(размер агломерата – 5 мкм на поверхности и 3 мкм в объеме) с Θ = 0,92 об.д.,аср ~ 8 мкм.3.4.3 Исследование влияния смесей нанонаполнителей на абразивостойкостьи светопропускание поликарбонатаИзвестно, что при использовании смесей наполнителей разной природы иразмеров изменяется упаковка частиц и параметры структуры ДНПКМ [70].В качестве нанонаполнителей для создания абразивостойкой композиции наоснове ПК использовали смеси наночастиц различной природы SiO2 и размеров(Aerosil OX-50 и R7200) и Al2O3 (Aeroxide AluC). Можно полагать, чтоиспользование смесей гибридных наполнителей приведет к изменению основныхи обобщенных параметров ДНПКМ и, как следствие, к изменению комплексасвойствнанокомпозита.Дляоптимизациивыборасоотношениянанонаполнителей разной природы в композитах были определены зависимостиφm от содержания наполнителей в смеси (рис.
3.9) [179].0,20,22б 0,1830,160,140,120,10,080,060,040,02010204060давление, МПа80100φм, об.д.φм, об.д.а 0,18210,160,140,120,10,080,060,040,0203020406080100давление, МПаРис. 3.9 - Зависимость m от давления уплотнения для смеси нанонаполнителейAerosil R7200 + Aeroxide AluC (а) и Aerosil ОХ-50 + Aeroxide AluC (б) при разныхсоотношениях компонентов:1 - 25:75, 2 - 50:50, 3 - 75:25185Из данных приведенных на рис. 3.9 видно, что использование смесинанонаполнителей разной природы приводит к увеличению φm, причемнаибольшее увеличение достигается при соотношении наполнителей 1:1. Длясмеси (50% Aerosil R7200 + 50 % Aeroxide AluC) φm равно 0,12 и для (50% AerosilОХ-50 + 50% Aeroxide AluC) φm=0,16 об.д., что на 60% выше от аддитивногозначения, чем при использовании индивидуальных нанонаполнителей (рис.
3.10).0,140,18а0,12φm, об.д.0,120,14φm, об.д.0,0810,06б0,1620,040,120,110,080,060,040,020,0200255075100содержание Aerosil R-7200,масс.%00255075100содержание Aerosil OX-50, масс.%Рис. 3.10 - Зависимость φm (при уплотнении) для смесей нанонаполнителей –Aerosil R7200 + Aeroxide AluC (а) и Aerosil OX-50 + Aeroxide AluC (б) от составасмесей: 1 - аддитивная, 2 - экспериментальные данныеУвеличениепараметраφmспособствуетлучшемураспределениюнанонаполнителей в матрице полимера и должно привести изменениюэксплутационных и технологических свойств получаемого композита.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
