922
Лиопо В. А., Струк В. А., Кравченко В. И.
Влияние кристаллохимических характеристик наночастиц минералов на полимерные композиционные материалы
ВЛИЯНИЕ КРИСТАЛЛОХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НАНОЧАСТИЦ МИНЕРАЛОВ НА ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
THE INFLUENCE OF CRYSTAL CHEMISTRY CHARACTERISTICS OF MINERAL NANOPARTICLES ON POLYMERIC COMPOSITE MATERIALS
В.А. Лиопо, В.А. Струк, С.В. Авдейчик
V.A. Liopo, V.A. Struk, S.V. Avdeychik
Grodno State University. Grodno. Belarus, liopo@grsu.by
The action of minerals nanoparticle to the property of composite materials on the polymeric base is investigated insufficiency. It is known that modifier action of nanomeasure filler to polymeric matter is depend on not only from crystal chemistry properties of filler but also from habit of these particles. The forms of crystal nanoparticles are described with point groups which are the subgroups of the point groups crystals from which these nanoparticles were created. The three different abstract types of nanoparticle habits can be distinguished. There are the little plates (P) whiskers (W) and spheres (S). Let h is a thickness of nanoplate, r is radius of nanowhisker and nanosphere and H is the linear size of polymeric matter modified by particle. The action of particle to polymeric matter is conditioned by its electric change. For comparison of modification actions of these types we think that h=r=5 nm, charge densities are and it takes two cases: (1) H1=25 nm, (2) H2 =50 nm. Relative effect of modification in the first case is Мp:Мw:Мs=1:0,3:0,6 in the second ones is Мp:Мw:Мs=1:0,4:0,5. In such a maner the nanoparticles of clay minerals are the very worthwhile filler for polymeric composite materials.
Нанокомпозиционные материалы на основе полимерных матриц находят все большее применение в современной промышленности. Служебные характеристики нанокомпозитов зависят не только от содержания низкоразмерного модификатора, но и от особенностей его зарядового состояния, определяющего активность в процессах адсорбционного взаимодействия. К числу наиболее распространенных низкоразмерных модификаторов полимерных матриц относятся порошки металлов, оксидов, керамики, минералов в том числе, слоистых силикатов, углеродосодержащие продукты детонационного синтеза. Установлены общие закономерности модифицирующего действия наночастиц (НЧ) различного состава и технологии получения, основанные на изменении кинетики адсорбционного взаимодействия полимерных макромолекул с активными центрами поверхностного слоя и на формировании упорядоченной структуры граничного слоя под действием электрических полей НЧ.
Анализ исследований в области создания функциональных полимерных нанокомпозитов с минеральными НЧ свидетельствует об отсутствии единой точки зрения на влияние размеров и формы НЧ на эффективность их модифицирующего действия.
В зависимости от кристаллохимического строения минерала его НЧ могут иметь форму чешуек, вискеров или сфер. Причем точечная группа НЧ является подгруппой точечной группы кристалла, из которого она получена при диспергировании. Под действием поверхностных зарядов происходят изменения в молекулярной структуре приповерхностных слоев композита. Это подтверждено многочисленными исследованиями и установлено, что толщина этих модифицированных слоев может значительно превышать размеры частиц геомодификатора. Пусть толщина модифицированного слоя полимера для НЧ различной формы равна Н, средняя толщина чешуйчатой частицы равна h, радиусы вискера и сферолита– r. Примем, что для всех случаев объемная концентрация наногеомодификаторов одинакова и равна . Одним из важнейших параметров действия модификаторов на композит является степень модификации М, которая определяется как отношение модифицированного объема композита к его полному объему. Как показывают эксперименты, отношение толщины модифицированного слоя может быть различным, но в большинстве случае H/h, как и Н/r, превышает значение 5. Примем, H/h= Н/r=5. Тогда, отношение степеней модификации для указанных случаев равно . При увеличении H/h= Н/r до 10 это отношение имеет вид . Казалось бы, что необходимо отдавать предпочтение сферическим частицам. Однако, в этих распределениях не учтены изменения полей в зависимости от расстояния до электрически заряженных частиц с различной формой.
Если объемная плотность заряда у частиц различной формы, одинакова, то для случая h=r=5 нм и H/r=5 нм отношения напряженностей и, следовательно, модифицирования за счет электрического поля равно . Если H/r=10, то . Так как при расчете коэффициента модифицирования надо учесть и и , т.е. , то для H/h=H/r=5, получим . При H/h=H/r=10 нм .
Отсюда следует, что при малых концентрациях геомодификатора наиболее перспективными оказывается использование чешуйчатых частиц, которые представляют большую группу слоистых силикатов, широко распространенных в природе.