Полимерные нанокомпозиты на основе нейлона.
Введение.
Нейлон, семейство синтетических полимеров, широко известных как полиамид (или алифатический полиамид), является одним из наиболее часто используемых конструкционных (инженерных) пластиков. Это полукристаллический полимер, который использовался для замены шелка в военной амуниции, такой как парашюты, бронежилеты и многие типы автомобильных шин во время Второй мировой войны. Он также заменил многие механические и конструкционные детали, ранее отливаемые из металла, такие как крепежные винты, шестерни и другие компоненты с низким и средним напряжением. Для дальнейшего улучшения механических свойств этих материалов обычно включают микромасштабные частицы, такие как стекловолокно, углеродные волокна, тальк и волластонит. Но из-за растущего акцента на «многофункциональность» наноструктурированные материалы оказались в центре внимания. Полимерные нанокомпозиты являются хорошим примером этого класса наноструктурированных материалов, которые могут демонстрировать уникальные комбинации механических, физических, оптических и тепловых свойств, при относительно более низких нагрузках частиц, чем в типичных традиционных композитах. Кроме того, наночастицы влияют на многие свойства, присущие полимерам, такие как кристаллическая структура, вязкость расплава и стеклование. Следовательно, понимание отношений обработки/структуры/свойств в полимерных нанокомпозитах имеет решающее значение для полного использования фундаментальных характеристик наночастиц (большая площадь поверхности и соотношение сторон) для достижения комбинаторных свойств, а также для увеличения возможности улучшения свойств.
В течение последних двух десятилетий изучение этих нанокомпозитных материалов стало огромным полем исследований, в результате которых были получены инновационные современные материалы с высокой добавленной стоимостью. В этой главе освещаются основные разработки и применения различных наночастиц в дизайне и характеристиках материалов на основе нейлона. Будут изложены различные методы, используемые для получения этих нанокомпозитов, их физико-химические характеристики, механические и функциональные свойства, а также будущие перспективы.
Типы наночастиц и их модификация.
Все наночастицы имеют по меньшей мере одно измерение меньше 100 нм и могут быть классифицированы как одно-, двух- или трехмерные в зависимости от их размера и количества измерений в наноразмерном диапазоне, то есть наночастицы обрабатывают как одномерные, двумерные (нанотрубки) и трехмерные (равноосные наночастицы), где все три измерения меньше 10 нм. Схематические изображения вместе с репрезентативными примерами приведены в таблице 9.1.
Таблица 9.1 Различные классы наночастиц наряду с репрезентативными примерами
|
|
|
При разработке полимерных нанокомпозитов основной задачей является диспергирование наночастиц гомогенно и индивидуально в матрице из-за их высокой склонности к агломерации. Не менее сложной задачей является контроль взаимодействия между этими наночастицами и полимерной матрицей посредством физического взаимодействия или химической связи. Степень дисперсионных и межфазных взаимодействий с матрицей будет влиять на внутренние свойства полимера и определять величину улучшения конечных свойств. Итак, первый шаг - улучшить дисперсию наночастиц в матрице. Создание высоких сил сдвига при обработке полимерных нанокомпозитов рассматривалось как способ разрушения сильно связанных агрегатов наночастиц. Но было обнаружено, что, если матричный полимер не обладает достаточной совместимостью с наночастицами, одно только напряжение не может обеспечить тонкую дисперсию наночастиц. Поэтому, в зависимости от комбинации матрица-наполнитель, их совместимость должна быть улучшена путем функционализации наполнителей с органическими поверхностно-активными веществами (и другими химическими агентами). Для этой цели использовались как физические, так и химические методы, такие как обработка поверхности наночастиц и добавление связующих или прививающих агентов и компатибилизаторов (Усилители адгезии на границе полимер-наполнитель). В следующих параграфах будут описаны различные распространенные и потенциальные подходы, принятые при обработке поверхности наночастиц, с характерными примерами.