|
 |
В течение последнего десятилетия многие трехмерные (3-D) наночастицы, включая Al2O3, оксид цинка (ZnO), карбонат кальция (CaCO3) и SiO2, были включены в нейлоновые матрицы либо в виде предварительно сформированных наночастиц, либо синтезированы в на месте золь-гель процесса. Первый типичен для нанокомпозитов нейлон/CaCO3, в которых поверхность наночастиц часто покрыта насыщенными или ненасыщенными жирными кислотами, такими как стеариновая кислота, аминокапроновая кислота или аминокислота. Основная идея состоит в том, чтобы уменьшить поверхностную энергию наночастиц CaCO3 и взаимодействие между частицами, способствуя тем самым диспергированию наночастиц. Но следует отметить, что в целом такая обработка поверхности одновременно ослабляет взаимодействие частицы с матрицей. Однако, изменяя количество реакционноспособных или функциональных групп в жирной кислоте, степень межфазного взаимодействия частицы с матрицей можно регулировать. Например, аминокислота и аминокапроновая кислота, которые являются более реакционноспособными по сравнению со стеариновой кислотой, имеют более сильное взаимодействие с нейлоновой матрицей. В стеариновой кислоте карбоновая (-COOH) группа на одном конце молекулы образует сильную ионную связь с кальцием в CaCO3, в то время как неполярная группа -CH3 на другом конце молекулы взаимодействует гораздо менее сильно с нейлоновой матрицей, что приводит к гораздо более слабому взаимодействию частиц с матрицей. В аминокислоте и аминокапроновой кислоте имеется больше функциональных групп для взаимодействия с СаСО3 и нейлоновой матрицей (рис. 9.1). Фактически, даже в отсутствие какой-либо обработки поверхности, взаимодействие между наночастицами CaCO3 и нейлоновой матрицей является достаточным для обеспечения небольшого улучшения механических свойств. Однако агломерация необработанных наночастиц CaCO3 в нейлоновой матрице неизбежно влияет на многие другие свойства, необходимые для композита.
Поверхностная обработка органосиланом (также называемая силанизацией) является еще одной популярной стратегией модификации наночастиц. Органосилан представляет собой кремнийорганическое химическое соединение с органическими и неорганическими совместимыми функциональными группами в одной молекуле. Один конец молекулы имеет гидролизуемую группу, такую как алкокси или ацетокси, в то время как другой конец молекулы имеет органофункциональную группу, такую как эпокси или амино. Неорганическая совместимость обусловлена алкоксигруппами, а органическая совместимость обусловлена органо-функциональной группой. Силанизация обычно используется при модифицировании поверхности наночастиц SiO2, и во время силанизации алкоксигруппа на молекуле силана реагирует с гидроксильной группой на поверхности наночастиц SiO2, образуя стабильные ковалентные связи –Si–O–Si–. Типичными силановыми связующими агентами, которые были использованы при получении нанокомпозитов нейлон/SiO2, являются
γ-аминопропилтриэтоксисилан (APS), гексаметилдисилазан (HMDS) и
γ-глицидоксипропилтриметоксисилан (GPS). Силанизация наночастиц кремнезема может быть проведена in situ или предварительно обработана.
Модификация поверхности in situ SiO2 включает конденсационную полимеризацию, при которой продукт гидролиза, метасиликат натрия, используется в качестве мономера, а органосилан - в качестве терминатора цепи. Сначала метасиликат натрия (мономер) гидролизуется с образованием кремниевой кислоты в присутствии соляной кислоты. Конденсационная полимеризация происходит путем обезвоживания при гидролизе кремниевой кислоты. Атомы Si и O связываются друг с другом, образуя трехмерные тетраэдрические сетчатые структуры. Большое количество гидроксилов остается на поверхности наночастиц кремнезема. В этот момент вводится молекула органосилана, такая как APS, и силанольные группы APS, образующиеся в результате гидролиза, могут быстро реагировать с гидроксильными группами SiO2, образуя модифицированный слой на поверхности диоксида кремния. Органические цепи замещают часть активных групп на поверхности SiO2, что приводит к стерическим помехам. Это предотвращает непрерывный рост или агломерацию SiO2. Контролируя условия реакции, можно получить частицы наночастиц SiO2, покрытые различными органическими соединениями. Для обработки поверхности предварительно сформированных частиц нано-SiO2 процесс намного проще. Сначала готовят раствор органосилана в этаноле или толуоле с последующим добавлением наночастиц SiO2 при быстром перемешивании. Обработанные наночастицы собирают и сушат для последующего приготовления нанокомпозитов.