Разработка и исследование композитов на основе полиимидов, содержащих бинарный нанонаполнитель «оксид металла – наноуглерод»

Оптимизированы технологические режимы приготовления дисперсий наночастиц (НЧ) оксидов переходных металлов (ZrO2, TiO2 и ZnO) и углерода (нановолокна (CNF), многостенные нанотрубки (CNT)). Отработаны методики приготовления НЧ оксидов металлов (ОМ) из разных прекурсоров и различного размера. Разработаны методики введения НЧ в полимерную матрицу (форполимер) по растворной технологии. Из полученных нанокомпозитных (НК) растворов изготовлены пленки на основе ряда полиимидов (ПИ), включающие один тип нанонаполнителя (либо ОМ, либо наноуглерод). Методами ИК-спектроскопии (ИКС), сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), атомно-силовой микроскопии (АСМ) и рентгенофазового анализа (РФА) исследованы структура и морфология полученных образцов. Проведена оценка размеров НЧ и их агрегатов. Методами ИКС, РФА и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) исследованы структура и размер исходных НЧ ОМ. Установлено, что наличие НЧ не сказывается на конверсии форполимеров в ПИ, но влияет на взаимодействия между полимерными цепями или фрагментами макромолекул. Несмотря на определенную агрегацию НЧ довольно равномерно распределены по объему ПИ в пленках. Показана зависимость морфологии поверхности НК пленок от способа синтеза, размера и концентрации НЧ. Введение НЧ не вызывает кристаллизацию матричных ПИ. С помощью термогравиметрического (ТГА) и дифференциального термического анализа (ДТА) исследованы процессы термодеструкции ненаполненных и НК образцов в различных атмосферах. Установлено, что устойчивость к термоокислению НК материалов зависит как от типа и характеристик НЧ, так и от структуры ПИ. Так, введение НЧ ОМ в ПИ, содержащего SO2-группы, в большинстве случаев приводит к замедлению процессов термоокислительной деструкции, а термостойкость ПИ без SO2-групп зависит от природы, метода приготовления, размера и концентрации вводимых НЧ ОМ. Показано, что НЧ ОМ практически не влияют на термостойкость материалов в инертной атмосфере. Показано, что при введении в матрицу ПИ наноуглерода можно добиться некоторого увеличения термостойкости НК при определенной концентрации наполнителя, но положительный эффект от их введения, как правило, менее проявлен по сравнению с эффектом от НЧ ОМ. Получены данные о влиянии НЧ на механические свойства ПИ. Показано, что введение НЧ ОМ определенного размера и концентрации может приводить к росту жесткости получающихся НК материалов и увеличению их предела текучести и прочности. Введение в ПИ наноуглерода привело к значительному росту жесткости и увеличению предела пластичности исследуемых полимеров. С помощью термомеханического (ТМА) определены температуры стеклования Tg и текучести Tfl в ненаполненных и НК пленочных образцах. Также Tg были определены с помощью ДТА. Установлено, что независимо от их типа, размера и концентрации НЧ ОМ вызывали снижение Tg всех ПИ. Продемонстрировано влияние НЧ МО на поведение ПИ при температурах выше Tg. Для полугибкого ПИ показана зависимость формы ТМ кривой от размера и концентрации НЧ ОМ: введение НЧ может приводить к увеличению жесткости ПИ после «расстекловывания», что потенциально может расширить температурный диапазон его применимости. В случае гибкоцепного ПИ введение НЧ МО вызвало значительное снижение Tfl материалов. С практической точки зрения такое влияние на податливость ПИ выше Tg может быть использовано для снижения температуры формования ПИ схожей структуры. При этом НЧ МО слабо влияют на величину коэффициента термического расширения матричных ПИ. Методом диэлектрической спектроскопии исследовано влияние НЧ ОМ на электрические свойства ПИ. Показано, что для всех образцов при низких частотах область альфа-перехода совпадает с областью стеклования ПИ, определенной с помощью ДТА и ТМА. Установлено, что введение НЧ ОМ не приводит к значительному изменению сегментальной подвижности в области альфа-перехода, но в НК наблюдался сдвиг максимума зависимости в область более низких температур, что согласуется с данными ДТА и ТМА. В НК в стеклообразном состоянии при низких частотах для некоторых составов наблюдался заметный рост диэлектрических потерь наряду с изменением положения максимума бета-процесса, что говорит о влиянии НЧ на молекулярную подвижность фрагментов ПИ. При высоких частотах поведение кривых tgδ = f(T) для всех исследованных образцов совпадало, что говорит о схожести механизмов диэлектрических потерь в этой области у всех материалов. Исследовано влияние углеродных наночастиц на удельные объемное ρv и поверхностное ρs сопротивления ПИ. Установлено, что введение CNT практически не изменяет величин ρv и ρs ПИ, а CNF существенно понижают эти значения. Слабый отклик ρv на введение CNT объясняется наличием функциональных групп на поверхности CNT, что существенно уменьшает проводимость самих НЧ. Изменение ρs при добавлении CNT связано скорее с изменением структуры поверхности пленки, поскольку поверхность диэлектрика в большей степени подвержена воздействию внешних факторов.