Исследование микроструктуры углеродных наночастиц, в том числе в составе угленанокомпозитов

Таким образом, из результатов проведенных электронно-микроскопических исследований видно, что продолжительность ультразвуковой обработки УНЧ астралена в растворителе, а также добавление даже капли связующего влияет на конечный размер образующихся УНЧ. Оптимальным является проведение ультразвуковой обработки суспензии УНЧ в ацетоне в течение 81 часа.

Исследована микроструктура образцов углекомпозита, не содержащих УНЧ, и образцов с добавками 0,5 и 3,0 % масс. УНЧ астралена в связующее ЭНФБ-2м и 0,25 % масс. ТРГ в связующее ВСЦ-14.

Микроструктурный анализ показал, что связующее хорошо смачивает поверхность углеродных волокон и полностью заполняет межволоконное пространство.

Граница раздела между волокном и модифицированной УНЧ полимерной матрицей сплошная, без трещин и пор, структурные неоднородности отсутствуют, на ней чётко виден граничный слой матрицы. Частицы дисперсной фазы этого граничного слоя ориентированы по нормали к поверхности углеродных волокон. Матрица образует крупные торсионы, которые ближе к поверхности волокон дробятся на более мелкие торсионы (рисунок 21б), создавая хорошую адгезию между углеродным волокном и матрицей. В связи с этим в модифицированной УНЧ термореактивной матрице происходит вязкое разрушение и с увеличением содержания УНЧ вязкость разрушения матрицы повышается. Структура связующего при ведении УНЧ становиться более пластичной. Также, УНЧ способны находить «удобные» в термодинамическом смысле места в структуре матрицы - неоднородности типа пор, расслоений. Связывание свободной энергии в таких местах способствует повышению устойчивости системы.

Фрактографические исследования полимерных матриц, модифицированных УНЧ, показывают, что УНЧ астралена весьма активно влияют на процесс фазового расслоения связующего. Для матрицы характерна типичная микрофазовая структура, в которой частицы дисперсной фазы распределены в дисперсионной среде. Исследования эпоксидного связующего ЭНФБ-2м, модифицированного 0,5 % масс. астралена и без УНЧ, показали, что микрофазовая структура эпоксидной матрицы без наномодификатора однородная, изотропная (рисунок 22 а, б), средний размер частиц дисперсной фазы матрицы составляет около 0,3 мкм. Введение в матрицу 3,0 % масс. астралена приводит к превращению её структуры в анизотропную, особенно на границе раздела фаз между поверхностью наночастиц и матрицей, где образуется

Микрофазовая структура связующего ЭНФБ-2м: а, б) без УНЧ, х10000, х20000; в, г) с УНЧ астралена в количестве 3,0 % масс., х10000, х20000 высокоориентированный слой полимера толщиной до 10 мкм. Микрофазовая структура матрицы в объёме с 3,0 % масс. астралена образует разветвленную структуру, переходящую в редкосетчатую и обладает более плотной упаковкой (рисунок 22 в, г), дисперсные частицы линейной формы имеют толщину от 0,14 до 0,18 мкм, а длину от 10 до 15 мкм. Из результатов проведенных электронно-микроскопических исследований видно, что микрофазовая структура наномодифицированной полимерной матрицы изменяется, частицы дисперсной фазы вытягиваются в цепочки, которые затем образуют разветвленные наноструктуры, на отдельных участках переходящие в редко сетчатые образования. Этот факт подтверждает проявление нового экспериментального эффекта наноструктурирования полимерной матрицы с переходом дисперсной структуры в разветвлённые и сетчатые нанообразования.

В структуре цианэфироной матрицы ВСЦ-14, содержащей 0,25% ТРГ, обнаружены округлые частицы диаметр которых лежит в интервале от 0,6 до 1,2 мкм и игольчатые структуры длиной от 2 до 6 мкм ТРГ (рисунок 23 в, г). Микрофазовая структура матрицы без ТРГ более крупная (рисунок 23 а,б) (средний размер частиц дисперсной фазы 0,35мкм), чем матрица с наноструктурными включениями (рисунок 8 в,г) (средний размер частиц дисперсной фазы 0,23мкм).

Растворные полимерные связующие марок ЭНФБ-2м, ВС-2526к и ВСЦ-14 были модифицированы путем введения в их состав УНЧ астралена и ТРГ в виде суспензии в ацетоне. Для модификации связующих были выбраны концентрации УНЧ астралена в диапазоне от 0,01 до 5,0 % масс. и ТРГ от 0,01 до 1,0 % масс. Получение суспензии наночастиц осуществлялось с помощью ультразвукового гомогенизатора. Для приготовления устойчивой высокодисперсной суспензии вводили предварительно взвешенные УНЧ в ацетон и полученный состав подвергали обработке в гомогенизаторе ультразвуком с частотой 20 кГц и мощностью 400 Вт.

При введении УНЧ в растворы полимерных связующих учитывали, что возникает их вторичная агломерация, в результате которой УНЧ, дезагрегированные под ультразвуковым воздействием и диспергированные на отдельные наночастицы или кластерные образования до введения в связующее, объединяются в агломераты, размер которых превышает наномасштаб. С достижением агломератами некого критического размера процесс агрегирования замедляется. Стабилизируются размеры агломератов, величина их удельной поверхности и значение поверхностной энергии. Процессу стабилизации размеров агломератов в составе суспензии способствует повышенная вязкость раствора полимерного связующего, вследствие чего с увеличением размеров частиц уменьшается их подвижность, увеличивается расстояние между ними, что ведет к понижению вероятности их взаимодействия, степени агломерации, способности к самоорганизации и выстраиванию межмолекулярных цепей [54,57,112,146]. В связи с этим явлением, основываясь на результатах проведённых исследований, было решено подвергать ультразвуковой обработке УНЧ в течение 81 часа (до образования устойчивой не оседающей суспензии) и, как следствие, уменьшить размер наночастиц и образующихся агломератов наночастиц в полимерном связующем.

Изготовление модифицированных связующих ЭНФБ-2м, ВС-2526к и ВСЦ-14 проводили путем смешивания приготовленной суспензии УНЧ в ацетоне с раствором связующего. Степень диспергирования частиц при приготовлении суспензии контролировали с помощью просвечивающего электронного микроскопа. На рисунке 24 представлена микрофотография УНЧ из дисперсии связующего ЭНФБ-2м, из которой следует, что степень дисперсии частиц соответствует наноуровню и что они равномерно распределены по объему связующего.

 
Оригинал текста доступен для загрузки на странице содержания
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ