Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Казанский национальный исследовательский технологический университет»
Тема научно-исследовательской работы:
«Использование плазмообработанного аэросила растительного происхождения в качестве наполнителя в полимерных композиционных материалах».
Подготовила:
Научный руководитель: к. т.н.
Оглавление
Введение | 3 |
| Сущность и особенности научно-исследовательской работы | 5 |
| Исследование и сравнение свойств аэросила растительного и синтетического происхождения | 5 |
| Плазмохимическая обработка поверхности аэросила | 7 |
Заключение | 11 |
Список использованных источников | 12 |
Введение
В настоящее время стало актуальным использование нанонаполнителей в производстве полимерных композиционных материалов. Хорошо в этом зарекомендовал себя аэросил.
Аэросил – это одно из торговых наименований пирогенного диоксида кремния, применяемого в различных областях промышленности.
Аэросил применяется в качестве нанонаполнителя в полимерных композиционных материалах для улучшения физико-механических свойств получаемого изделия. Аэросил способен предотвратить оседание мелких частиц, улучшает тиксотропию, реологические свойства материалов, позволяет улучшить диэлектрические свойства, повышает устойчивость смесей к перепадам температур, придает эффект сгущения, позволяет увеличить прочность и термоустойчивость. Аэросил также удобен тем, что он абсолютно не окрашивает прозрачные лаки, пожаро - и взрывобезопасен, не токсичен. [1]
Различают синтетический аэросил и аэросил растительного происхождения, добываемый из шелухи риса или гречихи. Синтетический аэросил получают взаимодействием газообразного четыреххлористого кремния с парами воды в специализируемых условиях при высоких температурах.
Способ получения аэросила из рисовой шелухи включает в себя проведение в реакторе пиролиза рисовой шелухи, сжигание углеродистого остатка пиролиза при температуре от 500 до 850°С, выгрузку продукта. Перед термической переработкой рисовой шелухи проводят ее кислотную обработку растворами минеральных кислот: соляной, серной или азотной. Подобная обработка позволяет вымыть из рисовой шелухи минеральные соли (натрия, калия, кальция, железа и др.), что позволяет получить высокочистый диоксид кремния. [2]
По своим свойствам и составу растительный аэросил отличается от синтетического. С целью замены синтетического аэросила на растительный аналог в полимерных композиционных материалах будут проведены исследования образцов аэросила, пути модификации поверхности для улучшения адгезии.
Целью работы является применение плазмообработанного растительного аэросила в качестве наполнителя в полимерных композиционных материалах.
Методы исследования: определение дисперсности, экстрагирование в ацетоне и тетрагидрофуране, элементный анализ, плазмохимическая обработка емкостным и индукционным разрядом.
Задачи исследования:
1. Исследование и сравнение свойств аэросила растительного и синтетического происхождения.
2. Модификация поверхности аэросила плазмохимической обработкой.
3. Анализ и сравнение результатов исследования.
4. Получение наполненного полимерного композиционного материала.
5. Физико-механические испытания образцов ПКМ и анализ результатов.
Сущность и особенности научно-исследовательской работы
Данная научно-исследовательская работа направлена на получение новых полимерных композиционных материалов с улучшенными свойствами. Известно, что применение наполнителей в производстве ПКМ улучшает физико-механические показатели материала. Широко применяемым и дешевым наполнителем является технический углерод, который применяется только для получения материалов темного цвета. А также технический углерод имеет высокую летучесть и загрязняет рабочее оборудование. Синтетический аэросил применяется для получения цветных материалов, но так же имеет высокую летучесть. Растительный аэросил лишен такого недостатка и имеет высокую плотность и большую удельную поверхность.
Для улучшения адгезии наполнителя к полимеру добавляют специальные вещества или проводят модификацию поверхности наполнителя. Использование низкотемпературной плазмы является эффективным и легким методом для получения модифицированных веществ.
Улучшение связи наполнитель-полимер увеличит прочностные и другие физико-механические показатели материала.
В качестве модели ПКМ используем полиолефины наполненные аэросилом синтетического и растительного происхождения.
1.1 Исследование и сравнение свойств аэросила растительного и синтетического происхождения
Синтетический аэросил представляет собой очень легкий микронизированный порошок белого цвета без запаха. Удельная поверхность выбранной нами марки Аэросил 300 производства АО Реахим составляет 300 + 30 кв. м/г [1]. Растительный аэросил китайского производства имеет желтовато-белый оттенок и твердые сферолитные частицы, нерастворимый в воде, биоразлагаемый, без запаха. Удельная поверхность 370 кв. м/г [2]
Исследования размеров частиц аэросила на приборе Zeta Sizer показали, что средний размер частиц растительного аэросила – 100-150 нм, синтетического – 200-250 нм. Это связано с тем, что синтетический аэросил склонен к агрегации, что затрудняет точное определение размеров частиц.
Далее, для выявления наличия органических соединений в составе растительного аэросила проведено экстрагирование аэросила в ацетоне и тетрагидрофуране. Методом инфракрасной спектроскопии определен молекулярный состав экстрагированных образцов. Результаты показали, что все образцы растительного аэросила содержат в своем составе алюмосиликаты (рис.1). В составе синтетического аэросила содержится только оксид кремния (рис.2).
Рисунок 1 – ИК-спектр растительного аэросила экстрагированного в тетрагидрофуране
Рисунок – ИК-спектр синтетического аэросила экстрагированного в ацетоне
Проведен дополнительный элементный анализ на анализаторе Vario ElCube, где выявлено присутствие небольшого количества серы в составе растительного аэросила, и углерода и азота в составе синтетического аэросила (таблица).Наличие примесей связано со способом получения аэросила.
Таблица. Элементный анализ образцов аэросила.
Наименование | Содержание (масс.%) | |||
C | H | N | S | |
Растительный аэросил | 0,06 | 0,003 | 0,00 | 0,123 |
Синтетический аэросил | 0,23 | 0,117 | 0,01 | 0,00 |
На основании исследований можем сделать выводы:
Растительный аэросил не склонен к агрегации в отличие от синтетического и имеет большую удельную поверхность. Содержание серы в растительном аэросиле обусловлено его предварительной промывкой в серной кислоте при производстве.А также отметим, что использование растительного аэросила экологически безопасно и экономически выгодно, что связано с дешевым сырьем для его изготовления.
1.2 Плазмохимическая обработка поверхности аэросила
Не смотря на ряд преимуществ, аэросил имеет недостаток. Это плохая адгезия к полимеру. В целях улучшения адгезии наполнителя (аэросила) к полиолефину (полиэтилен/полипропилен) была проведена плазмообработка поверхности синтетического и растительного аэросила емкостным разрядом в среде инертного газа (аргон). Далее провели опыт на гидрофильность/гидрофобность с полученными образцами, который показал, что существенных изменений свойств аэросила не произошло.
Имея в виду, что неорганические твердые вещества плохо подвергаются воздействию емкостной плазмы, что и доказали наши опыты, поэтому целесообразно проводить модификацию аэросила под воздействием индуктивно-связанной плазмы.
Известно также, что на изменение адгезии влияет вид среды плазмохимической обработки. Поэтому плазменное травление проводят при низком давлении и часто в агрессивных газах.
Индуктивно-связанная плазма (ИСП) – это тип газового разряда, возбуждаемого переменным магнитным полем при помощи индукционной катушки (индуктора). Главное отличие ИСП от емкостного разряда в том и заключается, что ИСП возбуждается (индуцируется) магнитным полем, в то время как емкостной разряд возбуждается и поддерживается за счёт электрического поля (постоянного или переменного). При прочих равных условиях ИСП характеризуется существенно более высокой концентрацией электронов по сравнению с емкостным разрядом. [3]
Плазмообработанные образцы растительного и синтетического аэросила исследовали на гидрофильность на анализаторе влажности термогравиметрическом.
Результаты анализа растительного аэросила показали увеличение влагосодержания образцов, подвергшихся воздействию индукционной плазмы, в несколько раз (рис.3, рис.4). 
Рисунок 3 – Зависимость влагосодержания растительного аэросила от времени
Рисунок 4 – Зависимость влагосодержания плазмообработанного растительного аэросила от времени
Увеличение поглощающей способности растительного аэросила может быть связано со следующими причинами:
1) плазмообработка очистила микропоры и их поверхность поглощения стала больше;
2) обработка активизировала поверхность аэросила за счет закачки энергии при плазменной обработке.
В любом случае, плазма способствует поглощающей способности аэросила, увеличивая его гидрофильность. Следовательно, возможно улучшение также адгезии растительного аэросила к полимерам, что в свою очередь, увеличит физико-механические показатели полученных ПКМ.
Результаты анализа синтетического аэросила показали, что влагосодержание после плазмообработки уменьшилось на незначительное число (рис.5, рис.6).
Рисунок 5 – Зависимость влагосодержания синтетического аэросила от времени
Рисунок 6 – Зависимость влагосодержания плазмообработанного синтетического аэросила от времени
Это возможно связано с условиями хранения образцов аэросила. Плазмообработанные образцы хранятся в герметичной емкости, что затрудняет попадание влаги из воздуха, по сравнению с хранением в полиэтиленовых пакетах.
После воздействия плазмы также уменьшилась летучесть синтетического аэросила.
Следующими задачами научно-исследовательской работы являются получение нескольких образцов ПКМ и физико-механические испытания, которые направлены на сравнение прочности и износостойкости полученных образцов ПКМ. Полимерная матрица – полиэтилен или полипропилен. Наполнители – растительный и синтетический аэросил, модифицированные растительный и синтетический аэросил.
Заключение
На основании вышесказанного, можно сделать следующие выводы:
Растительный аэросил имеет ряд преимуществ по сравнению с синтетическим аэросилом: не склонен к агрегации, не летучий, не взаимодействует с влагой, содержащейся в воздухе, имеет большую удельную поверхность. В связи с этим, можем сказать, что растительный аэросил не будет загрязнять оборудование, и будет иметь меньшие потери при получении ПКМ. Для неорганических твердых порошкообразных веществ неэффективно и трудоемко применение емкостной плазмы. Индуктивно-связанная плазма активизировала поверхность растительного аэросила, что способствовало увеличению поглощающей способности и возможно улучшению адгезии к полимеру.Применение плазмообработанного растительного аэросила в ПКМ позволит получить новый материал с улучшенными свойствами. С целью подтверждения наших предположений будут проведены физико-механические испытания образцов, содержащих различные наполнители. Сравнение и анализ результатов испытаний позволят сделать вывод об эффективности использования модифицированного растительного аэросила в ПКМ.
Данный наполнитель может найти широкое применение также при получении ПКМ из силоксановых каучуков, при изготовлении зубных протезов из акриловой пластмассы, так как не окрашивает полимер, придает прочность, твердость и имеет высокую стойкость к воздействию агрессивных сред.
Список использованных источников
АО Реахим. Продукция. Аэросил [Электронный ресурс] / АО Реахим. – Режим доступа: http://www. reachem. ru/catalog/a/aerosil/, свободный. , , Сергиенко 2245300 РФ, 2005. Академик. Толкования. Индуктивно-связанная плазма [Электронный ресурс] / Академик. – Режим доступа: http://dic. academic. ru/dic. nsf/ruwiki/12023, свободный.