Коллектив российских и китайских учёных посредством компьютерного моделирования исследовал структурные свойства нанокомпозита, состоящего из полиимида и наночастиц кремния с модифицированной поверхностью. В результате было обнаружено, что путём варьирования длины молекул и поверхностной плотности модификатора можно управлять свойствами композитов.

«Уникальные свойства полимерные нанокомпозиты приобретают благодаря тому, что, в силу малости размера наночастиц, граница раздела двух фаз очень большая, – пояснил корреспонденту STRF.ru один из авторов исследования, старший научный сотрудник лаборатории физической химии полимеров Института элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова РАН Павел Комаров. – Как следствие, значительная часть матрицы находится под влиянием поверхности частиц, на которой свойства полимера претерпевают значительные изменения, например возрастает плотность вещества, снижается мобильность сегментов, увеличивается температура стеклования».

Межфазная граница матрицы и наполнителя – а точнее, тонкий переходный слой (интерфейс) между ними – во многом определяет свойства композитного материала. Чем сильнее поверхность наночастицы взаимодействует с окружающим её веществом, тем интенсивнее изменяются свойства матрицы. Величину переходного слоя можно увеличить путём использования модификатора – прикреплённых к наночастице молекул, которые изменяют характеристики её поверхности и улучшают совместимость частиц с композитом. Кроме этого, поверхностный модификатор также позволяет изготавливать композиты из компонентов, которые в чистом виде плохо смешиваются друг с другом.

«Специальные молекулы модификатора, прикреплённые к частице, способны предотвратить их слипание внутри полимера, – отмечает Павел Комаров. – Это позволяет добиться равномерного распределения частиц в матрице, и именно в этом случае можно получить материал с комбинированными свойствами».

Интерфейс служит тем звеном, через которое физические свойства наночастицы передаются матрице. «Фактически в зоне интерфейса полимер находится в иной фазе, чем на больших расстояниях от поверхности. Поэтому изучение переходного слоя – отдельная и важная задача», – говорит исследователь.

К сожалению, на данный момент не существует общей теории, описывающей механизм воздействия наночастиц на свойства композита. Такая ситуация возникает из-за слишком большого количества исходных параметров: формы наночастиц, свойств поверхности, их распределения в объёме. Поэтому исследователям зачастую приходится заниматься экспериментальным поиском – смешивать различные частицы с широко используемыми в промышленности материалами и наблюдать за изменением характеристик.

Относительно не так давно учёные обнаружили, что физические свойства ультратонких полимерных плёнок, заключённых между двумя твёрдыми поверхностями, подобны композитам с наночастицами. Это объясняется тем, что в обоих случаях большая доля полимера находится под влиянием поверхностных сил твёрдой фазы. Модель, основанную на данном подобии, при изучении свойств композита использовали исследователи Института элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова РАН, Тверского государственного университета, Научно-исследовательского института промышленных технологий (Тайвань). Такое упрощение существенно облегчило моделирование физических явлений, происходящих в переходном слое.

В качестве материалов, образующих нанокомпозит, учёными были выбраны известные и доступные составляющие: полиимид – полимерная матрица, наполнитель – диоксид кремния, а поверхностный модификатор – алкилсиланил. Расчётными параметрами приняты поверхностная плотность и длина цепи молекул модификатора.

В результате компьютерного моделирования было обнаружено, что

переходный слой между матрицей и модифицированной поверхностью SiO₂ формируется за счёт взаимной диффузии молекул. Если длина молекул модификатора и их поверхностная плотность достаточно большие, то из них может сформироваться отдельная фаза.

Как говорят сами исследователи, это косвенно указывает на то, что при несовместимости молекул модификатора и полимерной матрицы в нанокомпозите может произойти нежелательная агрегация частиц в процессе плавления или отвердевания материала. В то же время наибольшее взаимопроникновение модификатора в матрицу, а следовательно, и лучшая интеграция частиц в полимер, происходит при невысоких значениях поверхностной плотности привитых молекул.

Таким образом исследователи показали, что

длина молекул и плотность модификатора служат отличными параметрами, с помощью которых можно изменять поверхностные свойства наночастиц и управлять характеристиками нанокомпозитов.

Источник информации:

П. В. Комаров, И. В. Михайлов, Ю.-T. Чиу, Ш.-M. Чен Строение межфазной границы в полимерных нанокомпозитах, содержащих наночастицы с модифицированной поверхностью: атомистическое моделирование. – Российские нанотехнологии. – № 3–4. (март 2012 года).