Характеристики сырой резиновой смеси, содержащий технический углерод модифицированный углеродным наноматериалом

С развитием материаловедения становится понят­ным, что задача получения материалов с заданными свойствами, прежде всего, связана с пониманием процессов структурообразования на микроуровне, которые чаще всего протекают в неравновесных условиях и сопровождаются образованием фракталь­ных структур. Это в полной мере относится к резинам, содержащим традиционные наполнители, например технический углерод (ТУ), структура которого явля­ется сильно разрыхленной, пористой, образующейся в результате конденсации углерода в неравновесных условиях.

В соответствии с терминологией первичный агрегат технического углерода является фрактальным агрегатом, а агло­мерат технического углерода — фрактальным кластером. Одной из коли­чественных характеристик фрактальных агрегатов является фрактальная размерность, определяемая, например методами электронной микроскопии. Величина фрактальной размерности может служить индикатором характеристик изучае­мой системы, в том числе усиливающей способности наполнителя, поскольку характеризует геометрию агрегатов и агломератов технического углерода, а следовательно геоме­трическую форму межфазной поверхности каучук- наполнитель.

В процессе смешения компонентов резиновой смеси происходит частичное разрушение исходной структуры наполнителя и формирование иной, где на поверхности наполнителя, в межагрегатных порах адсорбируются макромолекулы каучука. На стадии вулканизации элементы структуры в виде макромолекул, агрегатов наполнителя, узлов каучук - наполнитель и наполнитель - наполнитель пространственно организуясь, окончательно фор­мируют надмолекулярную структуру вулканизата. Очевидно, что последняя является сложной, с опре­деленным уровнем упорядоченности, обладающей свойствами фрактальных структур.

Установление взаи­мосвязи между геометрическими характеристиками, фрактальной размерностью элементов структуры и макроскопическими свойствами вулканизатов, наполненных техуглеродом является важной производственной задачей. Для этого в рецептуру резиновой смеси и вулканизата вводят технический углеродистый наноматериал.

Углеродистый наноматериал представляет собой смесь углеродных нанотрубок и преимущественно нановолокон диаметром 20—60 нм и длиной в несколько десятков микрон. Обладая высокой поверхностной энергией, нано­структуры агломерируются в плотные образования в основном неправильной формы с размерами не менее 100 мкм.

Модификацию технического углерода углеродными нанострукту­рами проводят в условиях совместной ультразвуко­вой обработки в водной среде. В результате обработки получается нанонаполнитель, который далее совмещается с основным количеством технического углерода в смесителе типа «пьяная бочка». Результаты свидетельствуют, что модификация технического углерода с помощью углеродистого наноматериала сопровождается изменением термостойкости технического углерода.

При визуальном осмотре полученных образцов резиновых смесей видно, что микроструктура последних является фрактальной, а ее количественные характеристики зависят от содержания углеродистого наноматериала. Для количественной характеристики микрострук­туры вулканизатов сравнивали изображения полученные на микроскопе с огромной разрешающей способностью. При рассечении рельефа поверхности на некотором уровне высоты, структура поверхности распадается на отдельные «островкм-кластеры». Анализируя зави­симость числа кластеров, их компактность и объемную долю материала в слое можно найти такое значение высоты, при котором максимальное и минимальное значение примерно ровно доле напол­нителя в материале. Найденная высота принимается за начало расчета при дальнейшем анализе. В развитие методики после разбивки рельефа на кластеры, подобная процедура применяется для дальнейшего дробления каждого кластера на состав­ные части — аналоги агрегатов. Критерием отбора является максимальное число агрегатов в агломерате при их минимальной компактности. Фрактальная размер­ность периметра для агрегатов больше, чем для агломератов. При этом она во всех случаях больше 1. Поскольку фрактальная размерность периметра круга равна 1, то в данном случае это означает, что структура агрегатов и, особенно, агломератов является дендритной (ветвистой).

Полученные структурные данные сопоставляются с макроскопическими свойствами резиновых смесей и вулканизатов. Более высокая вязкость резиновой смеси с углеродистым наноматериалом, скорее всего, связана как с боль­шей дисперсностью агрегатов и агломератов, так и с более выраженной их дендритной структурой. В то же время сверхмалые добавки углеродистого наноматериала нарушают межагрегатное взаимодействие, способствуя диспергированию напол­нителя, при этом вязкость сырой резиновой смеси снижается практически вдвое по сравнению со стан­дартной смесью. Аналогичный эффект уменьшения межагрегатных взаимодействий и улучшения дис­пергирования наблюдается при введении в рецептуру низкомолекулярных ароматических соединений. Наличие дополнительных межагрегатных взаи­модействий в вулканизате должно отражаться на электрических свойствах вулканизатов. Действительно, удельное поверхностное электрическое сопротивление вулканизата, содержащего 1,0 мас.ч. углеродистого наноматериала характеризуется наименьшим значением, при­чем практически втрое меньшим, чем для образца, содержащего немодифицированный технический углерод.

И, наконец, несколько более высокие значения условного напряжения при удлинении обуслов­лены дополнительными контактами наполнитель- наполнитель, которые носят физический характер и разрушаются при дальнейшем растяжении образцов и тем быстрее, чем выше содержание углеродистого наноматериала. Умень­шение контактов каучук - наполнитель, в свою оче­редь, снижает прочность вулканизатов при разрыве с одной стороны и увеличивает эластичность, т.е. долю эластичной матрицы в вулканизате, с другой. Кроме того, увеличение доли эластичной матрицы может быть связано и с уменьшением доли окклюдирован­ного каучука, чему способствует, судя по величине фрактальной размерности периметра, более ком­пактная структура агрегатов в вулканизате.

К списку