Структурообразование углеродных и кремнекислотных наполнителей в эластомерах и их прочностные свойства

В настоящее время в качестве классического наполнителя резины применяют технический углерод (ТУ), а также различные формы кремнезема — кремнекислотный наполнитель (КН) (оксиды кремния, белая сажа). В последнее время наметилась устойчивая тенденция увеличения производства минеральных наполнителей на основе диоксида кремния [1, 2]. Поскольку до 90% земной коры состоит из силикатов и их оксидных аналогов, ресурс минеральных наполнителей имеет неисчерпаемые возможности. Было обнаружено, что кремнеземистый наполнитель в комбинации с ТУ значительно снижает гистерезисные потери пшнных резин [3]. Помимо высокого пробега, шины, наполненные КН, обладают низким сопротивлением качению, что обеспечивает снижение расхода топлива и уменьшение загрязнения атмосферы выхлопными газами автомобилей [4].

Механические свойства саженаполненных вулканизатов определяются усиливающими свойствами наполнителей. Если морфологические и поверхностнохимические характеристики наполнителей на основе углерода и кремния изучены достаточно полно [5,6], то взаимодействие наполнитель — наполнитель и каучук — наполнитель изучены недостаточно. Возникает необходимость определить роль химической и геометрической составляющей сил взаимодействия каучук — наполнитель и наполнитель — наполнитель в общем эффекте усиления. В последнее время введены новые численные характеристики неупорядоченных структур — фрактальных агрегатов, к которым относятся наполнители ТУ и КН. С помощью представлений фрактальной геометрии успешно решается ряд задач по описанию физико-механических свойств аэрозолей, суспензий и т. д. Ключевым параметром фрактального агрегата является фрактальная размерность, которая описывает структуру агрегата, являющуюся его геометрической характеристикой. Фрактальная агрегация характеризуется неравновесным ростом. В зависимости от механизма агрегации изменяется структура агрегатов, характеризуемая их фрактальной размерностью. Таким образом, меняя условия неравновесного роста, можно изменять свойства агрегатов ТУ и КН, а следовательно, свойства их вулканизатов.

Компьютерное моделирование процессов агрегации позволяет достаточно просто и достоверно смоделировать процессы агрегации, имеющие сложное аналитическое описание. Данные, полученные численным моделированием имеют хорошую сходимость с аналитическими расчетами и опытными данными. Применение методов численного моделирования для изучения агрегации коллоидных частиц позволили существенно углубить представления об агрегатах как фрактальных кластерах. Таким образом, с применением численного моделирования упростилось изучение сложных систем агрегации с большим количеством факторов влияния — систем, близких к реальным условиям агрегации.

Аналитическая модель агрегации позволяет рассчитать физические параметры системы и установить зависимость между геометрическими, физическими, структурными свойствами агрегатов и условиями агрегации: вязкостью среды, размерами и концентрацией первичных частиц, влиянием внешних факторов (геометрией агрегационного пространства, присутствием в зоне агрегации крупных объектов с гладкой или фрактальной поверхностью и т. д.).

Применение численного и аналитического моделирования к агрегации позволяет более полно описать процесс взаимодействия наполнителя и полимерной матрицы на всех стадиях процесса получения композита, начиная с поJ лучения агрегатов наполнителя, введения их в систему полимерной матрицы, и заканчивая физико-механическими свойствами композита. Важным обстоятельством является тот факт, что применяя комплекс го численной, аналитической модели и физико-механических, геометрических, сорбционных и т. д. характеристик наполнителя и композита, можно разделить влияние химических и физических составляющих сил взаимодействия наполнителя и матрицы. Следовательно, становится возможным получение композита с заданными свойствами (структура — свойства), или, иными словами, проектирование композита, исходя из теоретических представлений.

В настоящее время кремнеземные наполнители (КН) для шинных резин применяются в количестве от 5%, когда она применяется в качестве промотора адгезии резины к текстильному и металлокорду и до 40% при ее использовании в качестве усилителя. Во всех случаях диоксид кремния применяется в сочетании с техническим углеродом, что порождает проблему направленного формирования тиксотропных структур бинарного наполнителя, содержащего два типа твердофазных частиц — микроагрегатов технического углерода, и наночастиц диоксида кремния. Появились работы [7], описывающие синтез частиц с взаимопроникающей структурой фазы углерода и кремнезема на уровне отдельных частиц. Для наполнителей такого рода, несмотря на бинарный состав, формирующаяся структурная сетка является однокомпоненгаой. Классическая же схема получения композиционного материала с бинарным наполнителем предполагает формирование структурной сетки и из частиц отдельных фракций, и из частиц различных компонентов смеси.

Свойства структурной сетки во многом определяются закономерностями агрегации частиц. Режим ее протекания влияет на особенности распределения компонентов в системе н упаковки частиц, их взаимодействия между собой и с дисперсионной средой. Характер протекания агрегации, в конечном итоге, сказывается и на физико-химических свойствах получаемых композиций, и понимание закономерностей агрегации частиц необходимо для создания композиций с заданными характеристиками.

В последнее время введены новые численные характеристики неупорядоченных структур, к которым относятся углеродные наполнители — агрегаты технического углерода (ТУ) и кремнекислотные наполнители — агрегаты диоксида кремния (ДК). Применение методов численного и аналитического моделирования для изучения агрегации коллоидных частиц позволили существенно углубить представления о структуре агрегатов. Это открывает перспективы для новых количественных подходов к расчету агрегации и характеристике структур наполнителей как одному го факторов усиления эластомеров, что делает исследование в этом направлении актуальным.

— 61 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

— 964 ВЫВОДЫ.

1. Установлена взаимосвязь между сорбционными характеристиками технического углерода (сорбцией дибутилфталата) и его структурными характеристиками (фрактальной размерностью). Показано, что фрактальная размерность может применяться как независимый параметр, характеризующий внутреннее поровое пространство агрегатов технического углерода и служить его дополнительной метрологической характеристикой.

2. Выявлена взаимосвязь между фрактальной размерностью агрегатов технического углерода и физико-механическими свойствами наполненных вул-канизатов. Показано влияние фрактальной размерности наполнителя на упруго-прочностные свойства наполненных эластомеров.

3. Построена универсальная численная модель агрегации наночастиц вблизи поверхностей различного рельефа. Показано, что агрегация подавляется в приповерхностной зоне фрактальных агрегатов.

4. Показано, что в бутадиен-стирольном латексе СКС-С агрегация наночастиц диоксида кремния частично подавляется вследствие иммобилизации наночастиц агломератами глобул. Определены структурные характеристики агрегатов диоксида кремния (размер агрегата, число частиц в агрегате, фрактальная размерность сетки) и их влияние на физико-механические свойства латексных пленок, что подтверждается аналитическим расчетом.

5. Показано влияние диспергаторов на агрегацию микрочастиц диоксида кремния в пластифицированных эластомерах. Представлен аналитический расчет времени агрегации, размера кластеров и фрактальной размерности на основе аналитической параметрической модели.