Таким образом, магнитопласты, полученные поликонденсационным наполнением характеризуются более высокими эксплуатационными свойствами.
Сотрудниками ИХФ РАН разработан новый способ получения термопластичных ПКМ - метод полимеризационного наполнения, заключающийся в полимеризации мономеров на поверхности дисперсных минеральных наполнителей и обеспечивающий получение высоконаполненных композиционных материалов с равномерным распределением наполнителя в полимерной матрице.
Прочностные свойства наполненных полимеров во многом определяются возможностью образования так называемой вторичной структуры наполнителя, что достигается при физическом перекрывании граничных полимерных слоёв, принадлежащих отдельным частицам наполнителя. Толщина таких слоёв в традиционных смесевых композициях обычно не превышает нескольких нанометров. Метод полимеризационного наполнения даёт возможность варьировать не только структуру граничного слоя, но и его толщину. При этом часть непривитой полимерной матрицы, непосредственно примыкающая к твёрдой частице, капсулированной в привитом полимере, должна также отличаться по физическому состоянию от той части матрицы, которая удалена от твёрдой частицы. Поэтому суммарный граничный слой в таких композициях должен быть, по крайней мере, на толщину привитого слоя больше, чем в традиционных смесевых композициях. В связи с этим должно улучшаться физическое взаимодействие частиц наполнителя за счёт перекрывания таких граничных слоёв. Таким образом, даже при низких степенях наполнения прививка полимерной матрицы к наполнителю должна приводить к повышению жёсткости композиции. В то же время в таких композициях не должна нарушаться, в отличие от традиционных композиций, сплошность структуры при высоких степенях наполнения.
На прочностные свойства композиции большое влияние оказывает химическая природа привитого полимерного слоя. Наилучшие показатели достигаются тогда, когда обеспечивается совместимость «шубы» и непривитой полимерной матрицы.
Наличие химической связи наполнитель – полимер обеспечивает не только улучшение прочностных свойств, но и существенное возрастание долговечности композиции.
Таким образом, способы полимеризационного наполнения объединены общим подходом: введение наполнителя в полимер осуществляется непосредственно на стадии его синтеза, дисперсная твёрдая фаза присутствует в зоне реакции полимеризации и прямо или косвенно влияет на ход процесса. Полученный продукт представляет собой готовую к переработке композицию, в которой сродство полимерной матрицы к наполнителю обеспечивается либо физическим, либо химическим взаимодействием полимер – наполнитель. Такой подход даёт возможность в широких пределах варьировать свойства материалов и программировать их непосредственно на стадии синтеза композиции.
Полимеризация мономера в присутствии наполнителя практически всегда приводит к изменениям в кинетике процесса. Особыми случаями такой полимеризации являются: прививка полимерных цепей к поверхности путём её специальной обработки, использование наполнителя в качестве природного или специально активированного катализатора, фиксация на поверхности активных центров полимеризации.
Одним из первых методов прививки макромолекул на твёрдую поверхность был механохимический метод. Размол оксида кремния в шаровой мельнице в инертной атмосфере в присутствии мономеров, способных полимеризоваться по радикальному механизму (стирол, метилметакрилат, бутадиен и др.), приводил к образованию до 2% привитого полимера от массы наполнителя. Хотя опубликовано значительное количество работ, в которых с помощью механохимических методов удавалось привить полимеры к поверхности твёрдых частиц, практического применения эти процессы не получили из-за низких выходов полимера [22].
Такая же участь постигла методы радиационной прививки полимеров к поверхности твёрдых частиц. При использовании этой техники практически невозможно избежать образования непривитого гомополимера. Хотя долю привитого продукта удавалось варьировать в более широких пределах, чем в механохимических процессах, эти методы не нашли практического применения.
Существует несколько возможностей прививки макромолекул к твёрдой поверхности с помощью химических методов в присутствии инициаторов:
- прививка к поверхности инициатора, имеющего реакционноспособные функциональные группы;
- прививка полифункциональных соединений, содержащих непредельные связи, и последующая их сополимеризация с мономером;
- прививка полифункциональных соединений с последующим их превращением в инициаторы [22].
В методе полимеризационного наполнения носитель катализатора выполняет одновременно роль наполнителя, так как является составной частью образующейся композиции. В результате полимеризации мономера на поверхности наполнителя, последний покрывается слоем мономера, т.е. фактически капсулируется полимером.
Метод полимеризационного наполнения открыл широкие возможности синтеза на поверхности наполнителей различных полимеров (гомо- и сополимеров, двух разных полимеров и т. д.). В ходе полимеризационного наполнения можно получать композиции практически любой степени наполнения.
Процесс получения полимеризационнонаполненных композиций состоит из трёх основных стадий:
1) подготовка наполнителя (удаление веществ, ингибирующих процессы полимеризации);
2) активация наполнителя (синтез активных центров на поверхности);
3) полимеризация мономеров на поверхности наполнителей.
В работе [25] полимеризационное наполнение использовали для синтеза композитов на основе высокомолекулярной матрицы полиэтилена. Такие композиты характеризуются высокими физико-механическими свойствами, не обладают текучестью. Можно отметить, что сверхвысокомолекулярный полиэтилен в последние годы вызывает всё увеличивающийся интерес как материал с уникальными свойствами, а также как заменитель фторопласта. Полимеризационнонаполненный сверхвысокомолекулярный полиэтилен имеет большую стойкость к истиранию и более высокий модуль упругости, чем эти полимеры. Трудно ожидать, что будут найдены альтернативные способы получения наполненных композиций на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена методами смешения.
Регулирование молекулярной массы полимерной матрицы в композициях на основе полиэтилена осуществляется введением в систему водорода или других агентов передачи цепи. При понижении молекулярной массы степень кристалличности полиэтилена возрастает, что приводит к увеличению жёсткости полимера и композита в целом, к возрастанию модуля упругости и предела текучести при растяжении и к снижению относительного удлинения при пределе текучести.
Метод полимеризационного наполнения можно применять не только для получения готовых композитов с заданным содержанием наполнителя, но и для модифицирования поверхности наполнителя [21]. Это достигается путём формирования в процессе полимеризации на частицах наполнителя тонких полимерных покрытий, что можно рассматривать как аппретирование поверхности с помощью макромолекул.
Такие полимеризационномодифицированные наполнители – «концентраты» норпластов – можно использовать как самостоятельные сверхвысоконаполненные композиционные материалы, содержащие до 80-85% минерального сырья, например, для изготовления теплоизоляции, электро-, теплопроводящих и других материалов. Использование концентратов норпластов является перспективным, так как позволяет получать материалы, обладающие более хорошими физико-механическими свойствами по сравнению с механическими смесями аналогичного состава. В случае полиэтиленовых композитов эти различия особенно сильно проявляются в значении ударной вязкости – для композитов на основе полимеризационномодифицированных наполнителей эта характеристика оказалась в 1,5-2 раза выше, чем для соответствующих механических смесей. Увеличение до определённого предела толщины, образующегося на частицах наполнителя полимерного покрытия, которое представляет собой слой сверхвысокомолекулярного полиэтилена, приводит к улучшению прочностных свойств и жёсткости материалов на основе концентратов норпластов при одном и том же содержании минерального наполнителя [21].
Применение метода полимеризационного наполнения для введения наполнителей в полипропилен (ПП) привело к созданию новых материалов, обладающих необычным комплексом физических и механических характеристик [21]. Структура ПП, образующегося на поверхности наполнителя, во многом определяется природой наполнителя, условиями приготовления катализатора и проведения процесса. Графит, используемый как наполнитель, позволяет получить ПП с наибольшей степенью изотактичности (до 94-96%).
Исследование электрической проводимости полипропиленграфитовых композиций показало, что полимеризационное наполнение – новый перспективный путь получения тепло- и электропроводящих композиций. Композиты, полученные методом полимеризационного наполнения имеют гораздо большую электрическую проводимость, чем механические смеси ПП и графита. Различия в проводимости особенно существенны (в 107 раз) при низких объёмных концентрациях наполнителя С ≤ 8%. Для получения путём механического смешения композиций с такой же проводимостью необходимо ввести 30% графита, что приводит к снижению прочности при растяжении и сжатии в 1,55 раза композиты на основе ПП и графита обладают высокой однородностью.
Композиты на основе ПП и графита обладают ещё одним замечательным свойством – сохраняют пластичность и механическую прочность после многократных циклов охлаждения и нагревания от 300 до 4,2 К. изучение поверхности прессованных образцов таких норпластов показало, что норпласт (при одинаковых размерах частиц исходного графита) содержит частицы графита меньших размеров, равномерно распределённые в полимерной матрице, чем механические смеси, и расстояние между частицами наполнителя в норпласте значительно меньше.