Структурные особенности формирования полимерных нанокомпозиционных материалов при твердофазном синтезе

• Автор: Максимкин, Алексей Валентинович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 157 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1 . Композиционные материалы. Обзор литературы
1.1 Полимерный материал СВМПЭ: свойства и методы переработки
1.2 Методы введения наполнителей в СВМПЭ
1.3 Основы создания высокопрочных нанокомпозитов. Типы взаимодействий междунаполнителем и полимерной матрицей
1.4 Механизмы упрочнения полимеров в результате их армирования
1.5 Нанокомпозиционные материалы армированные углеродными нанотрубками
1.5.1 Углеродные нанотрубки
1.5.2 Влияние УНТ на механические свойства нанокомпозитов на основе полиэтиленовой матрицы
1.5.3 Влияние УНТ на трибологические свойства нанокомпозитов
1.8 СВМПЭ в эндопротезировании суставов
1.9 Пути модифицирования СВМПЭ для использования в
эндопротезировании суставов
1.10. Постановка задач исследований
Глава 2 . Материалы и методы исследований
2.1 Используемые материалы
2.2 Исследование влияния деформационной обработки на структуру и механические свойства СВМПЭ
2.3 Методы введения наполнителей в СВМПЭ
2.4 Исследование эффекта памяти формы в СВМПЭ
2.5 Методы формования нанокомпозиционных материалов
2.6 Приготовление биосовместимых материалов
2.7 Методика проведения структурных исследований исходных материалов и полученных композиционных материалов
2.7 Методика проведения механических и трибологических испытаний
Глава 3 . Результаты исследований влияния деформационной обработки на свойства и структуру СВМПЭ. Эффект памяти формы
3.1 Влияние деформационной обработки на структуру и механические свойства СВМПЭ
3.2 Эффект памяти формы в СВМПЭ
Глава 4 . Результаты исследований полученных композиционных материалов
4.1 Изотропные нанокомпозиционные материалы СВМПЭ/МУНТ
4.2 Нанокомпозиционные материалы СВМПЭ/МУНТ с ориентированной структурой
4.3 Биосовместимые композиционные материалы СВМПЭ/ГАП
4.3.1 Заключение о проведении биологических исследований разработанных биосовместимых композиционных материалов СВМПЭ/ГАП
4.4 Обобщение результатов по полученным композиционным материалам
Выводы
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
В промышленности некоторые полимерные материалы получили большое распространение в качестве антифрикционных износостойких материалов, способных работать в условиях сухого терния и в агрессивных средах. Антифрикционные полимеры выступают в качестве заменителей таких традиционных материалов как бронза, латунь, сталь, антифрикционный чугун и др. Сочетание антифрикционных свойств с высокой биосовместимостью позволяет использовать полимерные материалы при создании имплантатов опорно-двигательного аппарата. Но полимерные материалы в первоначальном их виде обладают рядом недостатков, к которым относится низкая прочность и твёрдость, невысокая температура эксплуатации, что существенно ограничивает их применение. Для улучшения этих свойств исследователи предпринимают попытки армирования полимеров различными наполнителями и созданием на их основе композиционных материалов. Особым классом среди композиционных материалов являются нанокомпозиты, в которых за счёт использования наноразмерных частиц достигается более однородное распределение армирующего элемента в матрице и прочные межфазные взаимодействия между полимером и наполнителем. Наночастицы способны влиять на механизм кристаллизации полимеров, выступая в качестве нуклеирующего агента, на поверхности которого происходит зарождение кристаллической фазы. В зависимости от размеров, формы и нуклеационной плотности наночастиц возможно формирование различных надмолекулярных структур у полимеров.
Среди антифрикционных полимеров особое место занимает сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). СВМПЭ по своим трибологическим свойствам является конкурентом фторопласта, и значительно превосходит его по износостойкости, и согласно стандарту ИСО 5834-5:2005 является единственно разрешённым полимером для изготовления нагруженных элементов имплантатов в эндопротезировании. СВМПЭ, с изотропной
структурой, имеет самые низкие прочностные характеристики среди термопластов, что накладывает существенные ограничения на его применение. Но энергия связи полиэтилена С-С является самой большой среди гомоцепных полимеров, что свидетельствует о скрытом потенциале этого полимера. Ярким тому доказательством являются волокна из СВМПЭ, прочность которых достигает ~ 4 ГПа, что превосходит прочность параарамидных волокон (кевлар).
Для модифицирования свойств СВМПЭ в качестве перспективного наполнителя выступают углеродные нанотрубки (УНТ). УНТ обладают великолепными механическими свойствами, высокой теплопроводностью и электропроводностью, и попытки многих исследователей сводятся к переводу этих свойств в макрообъекты. Наполнение полимеров УНТ имеет большие перспективы, так как геометрические размеры нанотрубок сравнимы с размерами молекул полимеров. Близость геометрических размеров даёт возможность непосредственного встраивания УНТ в молекулы полимера, что открывает широкие возможности по формированию прочных межфазных взаимодействий между ними, и увеличение свойств полимеров может происходить при очень низких концентрация УНТ, от 0,1 масс. % 2 масс. %, что позволяет создавать относительно дешёвые нанокомпозиционные материалы.
УНТ обладают очень высокой предрасположенностью к агломерированию, что требует использования технологий направленных на их предварительное диспергирование (распутывание) перед введением в полимер. Введение УНТ в СВМПЭ дополнительно осложняется высокой вязкостью расплава полимера. СВМПЭ, вследствие обладания высокой молекулярной массой (1-10 • 106 г/моль), в расплавленном виде имеет резиноподобное состояние. Это обстоятельство накладывает серьёзные ограничения на использование методов введения наполнителей и усложняет процесс их диспергирования (традиционные методы введения дисперсных наполнителей в СВМПЭ здесь не работают). На сегодняшний день вопросы, связанные с методами введения УНТ и обеспечения их совместной работы с полимерной

Рисунок 1.6. - Поверхность износа а) не наполненного СВМПЭ и б) СВМПЭ/0,5%УНТ [75]
Если введение УНТ в полимерную матрицу всегда сопровождается увеличением износостойкости, то поведение коэффициента трения не однозначно. В некоторых работах отмечается увеличение коэффициента трения [75], в других работах отмечается его снижение [67, 68, 70-74], что, по-видимому, связано с двумя основными конкурирующими факторами, влияющими на коэффициент трения. Коэффициент трения имеет двойственную молекулярно-механическую природу, основанную на адгезионной и деформационной составляющих, каждая из которых вносит свой вклад. Адгезионная составляющая обусловлена атомно-молекулярным и межмолекулярным взаимодействием контактирующих поверхностей, различающихся по своей природе и дальнодействию. Эти адгезионные силы действуют не только в местах контакта поверхностей, но и на некотором расстоянии от них, где нет непосредственного соприкосновения, но расстояние между поверхностями контактирующих тел не превосходит радиуса действия молекулярного притяжения. Деформационная составляющая является результатом объёмного деформирования трущихся поверхностей, приводящая к увеличению площади контакта и увеличению зацеплений между неровностями поверхностей. Объемное деформирование всегда присутствует в той или иной степени, так как поверхности всегда волнисты, шероховаты и неоднородны по