Метод конечных элементов

Этим методом предполагается изучение механики деформирования композита «каучуковая матрица – приграничный слой – частица АН» на полуфеноменологическом уровне (каждый из трех указанных структурных элементов композита рассматривается как континуум с определенными свойствами без привлечения понятия «макромолекула»). Основная задача метода конечных элементов (МКЭ) – получить зависимость свойств композита от свойств матрицы, приграничного слоя, потенциалов взаимодействия между АН и каучуковой матрицей, функцией распределения частиц АН по размерам и степенью наполнения композита. Кроме того, с помощью МКЭ можно оценить адекватность той или иной феноменологической модели, определяющей зависимость плотности энергии деформации от инвариантов тензора больших деформаций, а также вид ядра интегрального оператора для описания нелинейных термовязкоупругих свойств композита.

Помимо МКЭ, решение задач этого уровня может быть осуществлено с использованием трехфазных моделей структурной наномеханики. В этом подходе, в отличие от МКЭ, деформация каждой фазы вынужденно принимается однородной, что заведомо не соответствует действительности. Однако возможность аналитического описания основных соотношений механики деформирования композита оправдывает такой подход, поскольку он позволяет не только на качественном, но и на количественном уровне моделировать влияние различных структурных факторов на свойства композита.

Создание активных нанонаполнителей из неактивных

Для экспериментальной проверки разработанных теоретических представлений и результатов компьютерного моделирования был выбран минерал шунгит. Такой выбор диктовался следующими соображениями. Во-первых, шунгит до сих пор считался неактивным наполнителем, и получение на нем эффекта усиления подтвердило бы правильность теории. Во-вторых, шунгит – относительно дешевый минерал, и его использование как активного наполнителя может принести ощутимый экономический эффект.

Шунгит в настоящее время применяется в рецептуре шинных резин в качестве добавки не более 10%. Шунгиты как Зажогинского месторождения (новокарбон), так и казахстанский (таурит) являются неактивным наполнителем, т.к. размеры частиц слишком велики – в среднем 5–10 микрон. Исходя из представлений, которые развиваются в НТЦ «НИИШП» и в ИПРИМ РАН, активным может быть практически любое вещество, имеющее размеры частиц около 10 нм. Это связано с высокой кривизной поверхности и неизбежной дефектностью структуры материала, что приводит к большой величине поверхностного потенциала (потенциал Гамакера).

Для получения наночастиц шунгита использовалась планетарно-шаровая мельница фирмы Retsch (Германия). Неколлоидный планетарный помол осуществляется сухим способом, что способствует относительно быстрому дроблению. Однако, чтобы добиться субмикронных, или коллоидноразмерных, частиц, перемол должен проводиться в жидком состоянии. В таких случаях обычно используют спирт и другие растворители, в том числе и воду. Наличие жидкости приводит к лучшей дисперсии и, таким образом, снижает количество агломератов меньших частиц, которые препятствуют перемолу. Для максимальной степени измельчения используется большее количество маленьких (обычно 3 мм) перемалывающих шаров. Маленькие шарики выбраны для того, чтобы увеличить контактирующую поверхность мόлящего агента и материала. С тем чтобы уменьшить агломерирование наночастиц шунгита, а также повысить их взаимодействие с каучуком, осуществляли модификацию поверхности частиц.

Модификация поверхности частиц наполнителя

Модификацию осуществляли физическую и химическую. Химическая состояла в том, что на поверхность наночастиц шунгита в процессе измельчения «пришивали» органосиланы – вещества, применяемые для белой сажи, позволяющие существенно снизить взаимодействие между частицами наполнителя. Была надежда, что это позволит уменьшить агломерирование наночастиц шунгита.

Физическая модификация проводилась посредством добавления в раствор при помоле некоторых веществ, которые должны были мономолекулярным слоем осесть на поверхность наночастиц шунгита и перейти в псевдостеклообразное состояние. Предполагалось, что этот слой в качестве экрана уменьшит межчастичное взаимодействие и, как следствие, агломерирование. Но этот слой не должен снижать взаимодействие между наполнителем и макромолекулами каучука.

Для проверки качества смешения использовали атомно-силовой микроскоп.