Наполнение является одним из наиболее распространённых способов физического модифицирования полимеров с целью придания им специфических свойств (теплостойкости, механической прочности, сопротивления усталости, уменьшения усадки, абразивной способности, магнитной восприимчивости). Традиционный способ получения таких композиций заключается в механическом смешении расплава или раствора полимера с дисперсными наполнителями на специальном оборудовании [31]. Однако получение высоконаполненного полимерного композиционного материала с хорошими механическими свойствами прямым смешением полимера с наполнителем затруднено из-за неравномерного распределения малых количеств высоковязкого полимера в большом объёме дисперсной фазы [32]. Поэтому особый интерес представляет разработка эффективных технологий получения и переработки ПКМ в различные изделия. Такими способами создания полимерных высоконаполненных и армированных композиций являются методы микрокапсулирования частиц наполнителя в полимерном связующем [2-10,33,34].

На кафедре химической технологии разработан и запатентован новый альтернативный метод получения ПКМ с улучшенными свойствами ─ поликонденсационное наполнение. Сущность поликонденсационного метода заключается в проведении процесса синтеза полимерного связующего из мономеров непосредственно в структуре и на поверхности волокнистых и дисперсных наполнителей. Вероятности взаимодействия способствует пропитка волокон мономерами, в результате чего достигается более глубокое проникновение молекул мономеров через аморфизированную часть, капилляры, пустоты и дефекты в структуру волокон.

Если учесть, что макроструктура химических волокон характеризуется наличием внутреннего ядра и внешней оболочки, имеющей большую плотность упаковки макромолекул, степень ориентации и прочность, то естественно проникновение олигомеров (фенолформальдегидных, эпоксидных, полиэфирных) в оболочку затруднено и ограничивается только приповерхностными слоями. В случае же пропитки мономерами проникновение их молекул происходит относительно равномерно по всему поперечному сечению волокна, что и подтверждается экспериментальными данными оптической и электронной микроскопии[11,36].

В ряде работ [11,12,36] доказаны преимущества поликонденсационного наполнения. При создании ПКМ различного функционального назначения на 20 % возрастает устойчивость к удару и изгибу и на 50% адгезионная прочность, увеличивается водостойкость, снижается горючесть (КИ возрастает в 1,4 раза).

Несомненными преимуществами альтернативной технологии ПКМ являются интенсификация технологического процесса, малостадийность (число стадий сокращается с 10 до 3), снижение материальных, энергетических и трудовых затрат, а также уменьшение экологической напряженности (исключение легколетучих органических растворителей) [2,9].

Полимерные композиционные материалы, полученные поликонденсационным способом, значительно отличаются от материалов традиционного формования на основе полимерного связующего. Формирование более плотной и в большей мере сшитой структуры отражается и на поведении композиций при воздействии внешних факторов. Так, заметно повышается устойчивость материала к воздействию динамического нагрева и устойчивость к горению. Например, потери массы при горении уменьшаются в 3 ÷ 5 раз, продолжительность самостоятельного горения близка к нулю.

Ещё в большей степени устойчивость к горению повышается при введении антипирена (триполифосфата натрия). Влияние антипирена усиливается при введении его с волокном, а не со связующим, и с увеличением содержания его с 5 до 30%: потери массы при этом уменьшаются в 6 раз, а кислородный индекс возрастает в 1,4 раза и равен 39,5% [12].

Способом поликонденсационного наполнения разработаны материалы для очистки промышленных стоков с различными загрязнениями, применение которых высокоэффективно и экономически целесообразно [12].

Разработанный способ эффективен при получении металлонаполненных композиций; сформированные магнитопласты обладают эксплуатационными характеристиками на уровне лучших отечественных и зарубежных образцов и по теплостарению находятся на уровне мировых стандартов.

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).

Характерной особенностью магнитопластов поликонденсационного наполнения является резкое увеличение электропроводности (табл. 2). В магнитопластах на основе Nd-Fe-B удельное объёмное электрическое сопротивление ρv снижается в 2,5 раза по сравнению со смесевым способом, а на основе Bao×6Fe2O3 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 ДМП, 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 (табл.3). Магнитопласты поликонденсационного наполнения не деструктируют вплоть до 300 0С ─ 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 [40].

Таблица 3

Термогравиметрический анализ магнитопластов на основе Nd-Fe-B