Модификация клеевых композиций наносоединениями углерода фуллеернового ряда

Проблема создания полимерных материалов, имеющих в своей структуре частицы наноразмерного типа, связана с возникающими эффектами синергизма и антагонизма, обусловленных несогласованностью действий различных элементов формирующейся сложной системы [1]. В то же время, развитие промышленных технологий, позволяющих использовать углеродные наноматериалы, в частности, смеси фуллеренов различной молекулярной массы, требует определенного развития научного знания в области их взаимодействий с полимерной матрицей в твердой фазе. Модификация полимеров фуллеренами и углеродными наноматериалами позволяет получать композиции материалов с улучшенным комплексом эксплуатационных свойств.

Особый интерес представляет изучение механизмов взаимодействия модификаторов наноразмерного типа, в качестве которых в данной работе используется смесь фуллеренов определенного состава, с полиуретановым клеем. В контексте этого основной проблемой является интерпретация получаемых экспериментальных данных ввиду чрезвычайной схожести результатов, что связано с малыми концентрациями вводимых модификаторов [2].

Анализ ряда результатов позволил предположить, что углеродные фуллерены могут служить не только центром кристаллизации в полимерной матрице, но и изменить физико-механические и химические свойства полимера на микроуровне.

В данном исследовании проводилось сравнение поверхностных структур плёнок полиуретанового клея и модифицированного наносоединениями углерода фуллеренового ряда, хранящихся и приготовленных при комнатной температуре посредством сканирующей зондовой микроскопии. Вместе с этим осуществлялось получение теоретических сведений о наноструктуре плёнок, об изменении свойств полиуретанового клея при изменении его состава.

Модификация исследуемых полимеров проводилась смесью фуллеренов следующего состава: С₅₀-С₅₈ (14.69%), С₆₀ (63,12%), С₆₂-С68 (5.88%), С₇₀ (13.25%), С₇₂-С₉₂ (3.06%) [3]. В работе исследовали плёнки, образованные полиуретановым клеем, модифицированным наносоединениями углерода фуллеренового ряда, указанного состава, а также фуллереновой сажей (фуллерен содержащий технический углерод). Модификация клеевых композиций фуллереновой смесью указанного состава проводилась путем внесения необходимой концентрации толуольного раствора смеси фуллеренов, в 3% толуольный раствор анализируемых каучуков, так, что массовое соотношение полимер-модификатор в пересчете на сухое вещество составило 100 к 0,03.

Исследование поверхностных структур плёнок проводилось методом сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ). Прочность клеевого шва определяли по стандартной методике.

Для получения исследуемых пленок на пластмассу, дерево, полиэтиленовую пленку были нанесены исследуемые образцы клеевых композиций, детали с нанесенным на них модифицированным полиуретановым клеем были выдержаны при комнатной температуре 15 мин, после чего их совместили и оставили до высыхания при температуре 20°С на 24 часа.

Для исследования рельефа плёнок был использован прибор NanoEducator. Для измерения рельефа поверхности плёнок был применён метод полуконтактной атомно-силовой микроскопии, который заключается в контакте зонда с образцом. В результате измерений были получены СЗМ изображения исследованных областей рельефа пленок.

Изображения, полученные во время сканирования СЗМ, представлены на рис. 1.

Данные изображения свидетельствуют об изменении структуры поверхности клеевой композиции, нанесенной на склеиваемые полиэтиленовые фрагменты под действием вводимого модификатора, а именно:

• на рисунке 1 (а) видна высокая степень шероховатости структуры клея;

• данные рисунка 1 (б) демонстрируют снижение шероховатости под действием вводимого модификатора – фуллереновой смеси состава С₅₂-С₉0

• рисунок 1 (в) информирует нас о частичном выглаживании поверхности клеевой композиции, что также связанно с проводимой модификацией.

• техуглерода (фуллереновая сажа)

Анализ полученных СЗМ изображений показал, что частицы наноразмерного типа влияют на поверхностную структуру изготавливаемых клеевых композиций, а испытания на прочность позволили выявить взаимосвязь характера изменения свойств клеевого соединения с вводимыми модификаторами.

Рис. 1. Топография поверхности полиуретановой клеевой композиции:

• а) СЗМ изображение пленки полиуретанового клея

• б) СЗМ изображение пленки полиуретанового клея модифицированного наносединениями углерода фуллеренового ряда

• в) СЗМ изображение пленки смеси полиуретанового клея и фуллеренсодержащего

Для более детального описания происходящих изменений было проведено измерение прочности клеевого соединения в зависимости от используемых склеиваемых поверхностей. Данное измерение проводилось по стандартной методике определения прочности клеевого шва (ГОСТ 14760-69). Сущность метода заключается в определении величины разрушающей силы при растяжении стандартного образца клеевого соединения встык, усилиями, направленными перпендикулярно плоскости склеивания.

Для испытания на прочность клеевого шва анализируемый образец склеивали из двух одинаковых пластинок адгезива размером 10х100 мм так, что площадь клеевого шва составляла 1см². Для испытания брали по пять образцов каждого вида для нахождения средних значений разрушающего усилия. Склеенные образцы выдерживали до испытания в течение 24 часов. Подготовленный для испытания образец устанавливают в укрепленное на машине приспособление. Испытание проводили постепенным нарастанием нагрузки до разрушения образца.

Результаты испытания представлены в таблице 1.

Таблица 1

Прочность анализируемых клеевых соединений

Таким образом, данные полученные в результате проведенного исследования позволяют сделать естественное заключение о том, что и фуллерен содержащий технический углерод и фуллереновые смеси переменного состава могут быть использованы для получения клеевых композиций повышенной прочности.

Полученные сведения и выводы о наноструктурах плёнок исследуемых клеев могут быть использованы производителями для улучшения качественного состава произведенных клеев, что в свою очередь позволит разрабатывать новое оборудование для производства клея новыми методами, улучшить качество изготовляемого производителем клея и расширить области его применения.

Литература:

1. Мищенко С.В. Углеродные наноматериалы: производство, свойства, применение. [Текст] / С.В. Мищенко, А.Г. Ткачев. М.: Машиностроение, 2008. – 320 с., ил.

2. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии, РАН институт физики микроструктур г. Нижний Новгород, 2004 г.

3. Игуменова Т.И. Комплексная оценка состава фуллеренсодержащего наноуглерода. [Текст] / Т.И. Игуменова, В.И. Герасимов, Г.В. Попов, А.В. Жабин // Материалы XV Международной научно-практической конференции «Резиновая промышленность. Сырье. Материалы. Технологии», Москва.2009. С.113-115.