Отчет по практике: Магнитопласты

Предлагаемый способ получения магнитных композиционных материалов заключается в пропитке магнитного дисперсного наполнителя мономерами ─ фенолом, формальдегидом в присутствии катализатора с последующим синтезом фенолформальдегидного олигомера на поверхности магнитного наполнителя, сушке при повышенной температуре. В качестве магнитных наполнителей использовали порошок феррита бария и интерметаллический сплав железо-неодим-бор (Fe-Nd-B).

Для сравнения были изготовлены магнитопласты из тех же магнитотвёрдых наполнителей с эквивалентным количеством фенолформальдегидного связующего по традиционной смесевой методике. Отпрессованные образцы намагничивались в импульсивном магнитном поле напряжённостью 10-30 КЭ и оценивали плотность, остаточную индукцию, максимальное энергетическое произведение, прочность при слоевом сдвиге (табл. 1).

Таблица 1

Эксплуатационные характеристики магнитопластов

Способ получения	Показатели
	Остаточная магнитная индукция Br , Тл	Плотность, кг/м3 ×10-3	Прочность при межслоевом сдвиге, МПа
Поликонденсационный	0,18 / 0,6	3,8 / 6,7	36 / 8,9
Традиционный	0,11 / 0,4	3,6 / 5,8	18 / 5,0

Примечание: числитель ─ на основе феррита бария,

знаменатель ─ на основе сплава Nd-Fe-B [29].

Характерной особенностью магнитопластов поликонденсационного наполнения является увеличение электропроводности ~ d 2.5 раза. В магнитопластах на основе Nd-Fe-B удельное объёмное электрическое сопротивление ρ_v снижается в 2,5 раза по сравнению со смесевым способом, а на основе Bao×6Fe₂ O₃ на 1,5 порядка. В последнем случае это связано с более значительной удельной поверхностью феррита бария, которая в 2 раза превышает удельную поверхность сплава Nd-Fe-B. Такая аномалия с электрическим сопротивлением связана с тем, что при одноосном сжатии при давлении формования изделия 300 ÷ 500 МПа и сдвиговыми деформациями образуются тонкие прослойки полимерной матрицы между частицами магнитного наполнителя, которые препятствуют инжекции электронов из металла в зону проводимости диэлектрика. Наблюдается также повышение термостойкости материала, о чём свидетельствуют значительно меньшие (в 2 – 4 раза) потери массы материала в области термоокислительной деструкции. Магнитопласты поликонденсационного наполнения не деструктируют вплоть до 300⁰ С ─ потери массы не превышают 1%. В тех же условиях воздействия потери массы для магнитопластов смесевого наполнения составляют 3,5% за счёт деструкции «толстых» прослоек полимера между частицами [27].

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.