Одно из актуальных направлений развития нанотехнологий – разработка высокоэффективных композиционных материалов с большой площадью поверхности частиц наполнителя. Свойства таких материалов существенно зависят от их морфологии и характера взаимодействия компонентов на поверхности раздела фаз, причем модифицирующее влияние наполнителей во многом определяется технологией получения нанокомпозита. Оптимальное сочетание наполнителей с полимерной матрицей позволяет улучшить физико-механические, электротехнические, адгезионные и другие характеристики нанокомпозитов [1, 2]. Благодаря своим диэлектрическим и оптическим свойствам, одним из перспективных наполнителей считается ультрадисперсный диоксид кремния. В частности, значительный интерес представляет исследование его влияния на структурные и микромеханические свойства полипропилена. Подготовка образцов Компоненты нанокомпозитов могут быть подготовлены разными способами, например, путем химической обработки поверхности диоксида кремния или функциолизации полиолефинов полярными группами. Авторы использовали второй способ. Привитые сополимеры с полярными группами являются эффективными компатибилизаторами (совместителями), улучшающими межфазную адгезию. Механизм их действия заключается в термодинамическом сродстве и хорошем совмещении с наполняемым неполярным полимером. Компатибилизатор за счет активных функциональных групп может образовывать химические связи с наполнителем, что позволяет реализовывать усиливающий эффект наночастиц в композите [3–5].
В качестве компонентов нанокомпозита были использованы следующие материалы: компатибилизирующий агент – полипропилен (ППФ), функционализированный при реакционной экструзии в расплаве итаконовой кислотой. Гранулят ППФ измельчался с помощью скоростной роторной мельницы Pulverisette 14 до тонины помола менее 300 мкм; базовый полимер – полипропилен (ПП) Tatren IM 3570 компании Slovnaft (Словения); наполнитель – диоксид кремния (Т-150). Сначала проводилось совмещение наполнителя диоксида кремния с порошком ППФ с помощью гравитационного смесителя "пьяная бочка". Затем на лабораторном двушнековом экструдере (диаметр шнеков 22 мм, L/D=25) при смешении в расплаве смесей ППФ/Т-150 с базовым полимером ПП получался нанокомпозиционный гранулят. Из него горячим прессованием готовились образцы для исследований. Состав смесей для изготовления образцов представлен в табл.1. Методы исследования Микротвердость образцов ПП/ППФ/Т-150 определялась по методу Виккерса на микротвердомере ПМТ–3М в диапазоне нагрузок на индентор m=40–80 г при длительности индентирования 10 с. Краевой угол смачивания (КУС) поверхностей полимерных композитов дистиллированной водой измерялся методом "сидячей капли". Снимки профилей капель, помещенных на поверхность образцов, сделаны с помощью горизонтального микроскопа МБС-10, оснащенного цифровой видеокамерой. Расчет КУС производился с помощью ПО NanoImages. Прессованные образцы также исследовались методом склерометрии с помощью микросклерометра собственной разработки [6]. Индентор (стальной шарик диаметром 1,5 мм) совершал возвратно-поступательные движения по поверхности образца, оставляя дорожку трения. Прикладываемая нагрузка на индентор находилась в диапазоне 0,5–1,5 Н. Износ образцов оценивался по ширине дорожки трения. Оценка надмолекулярной структуры образцов композитов проводилась с помощью микроскопа Micro–200T с цифровой фотокамерой методом оптической поляризационной микроскопии в проходящем свете. Отдельно готовились тонкие пленки композитов, сформованные при 220°С между двумя предметными стеклами. Скорость охлаждения образцов не превышала 3°С/мин. Температурные режимы нагрева и охлаждения были одинаковы для всех образцов. Свойства нанокомпозита Результаты определения микротвердости представлены на рис.1. Если введение в полипропилен ППФ приводит к несущественному снижению микротвердости, то добавление в композит наночастиц диоксида кремния Т-150, начиная с 0,22 об.%, способствовало ее увеличению. При наполнении 0,88 об.% микротвердость композита увеличивалась на 20% в сравнении с исходным полипропиленом. На рис.2 представлены результаты микросклерометрических измерений. По мере увеличения содержания диоксида кремния в образцах происходит уменьшение ширины их дорожек износа. Увеличение микротвердости и износотойкости композитов обусловлено присутствием наночастиц, твердость которых существенно выше, чем полимерной матрицы, а также изменением их надмолекулярной структуры, которая исследовалась оптической поляризационной микроскопией. На рис.3 представлены микроснимки тонких композитных пленок ПП/ППФ/Т-150 в проходящем поляризованном свете. Средний размер сферолитов исходного полипропилена – 150 мкм. Введение ППФ приводило к их уменьшению до 50 мкм, а наполнение полипропилена наночастицами диоксида кремния способствовало дальнейшему уменьшению размеров сферолитов и смачиваемости водой их поверхностей (табл.2). Снимки профилей капель дистиллированной воды на поверхности образцов приведены на рис.4. Таким образом, введение в полипропилен наночастиц диоксида кремния Т-150 в диапазоне от 0,22 до 0,88 об.% способствует повышению микротвердости. По мере увеличения содержания наночастиц улучшается износостойкость композита. Изменение его микротвердости и износостойкости во многом является следствием уменьшения размеров надмолекулярных структур – сферолитов, что показано с помощью поляризационной оптической микроскопии. Кроме того, введение наночастиц диоксида кремния в состав ПП способствовало снижению смачиваемости водой его поверхности. Работа выполнена в рамках интеграционного проекта по фундаментальным исследованиям СО РАН и НАН Беларуси. Литература Polymer nanocomposites. Eds. Mai Yiu-Wing, Yu Zhong-Zhen. – Cambridge: Woodhead publ., 2006, р.686. Functional Fillers for Plastics. Ed. M.Xanthos. – Weinheim: Wiley-VCH, 2010, р.531. Jurkowski B., Pesetskii S.S., Krivoguz Y.M. Functionalization of olefin polymer and copolymer in the melt. Роlyolefin Blends. Eds. D.Nwabunma, I.Kyu. – N.Y.: John Wiley Sons, 2008, ch.10, p.269–304. Hemmati M. et al. Study on morphology, rheology and mechanical properties of thermoplastic elastomer polyolefin (TPO)/carbon nanotube nanocomposites with reference to the effect of polypropylene-grafted-maleic anhydride (PP-g-MA) as a compatibilizer. – International Journal of Polymeric Materials, 2011, v.60, is.6, p.384–397. Песецкий С.С., Макаренко О.А., Кривогуз Ю.М. Функционализация полипропилена прививкой полярных мономеров (обзор). – Материалы, технологии, инструменты, 2012, т.17, № 2, с.25–48. Патент Республики Беларусь 2944. Микросклерометр. МПК7 G 01 N 3/46. Свириденок А.И., Дорожко А.В., Игнатовский М.И., Свекло И.Ф. – МПК7 G 01 N 3/46; заявитель НИЦПР, № 20050751; заявлено 28.11.2005.; опубликовано30.08.2006.