С бурным развитием науки и техники полимеров, общество предъявляет все более высокие требования к полимерным материалам. Одиночные полимерные материалы зачастую не в состоянии удовлетворить этим требованиям, поэтому необходимо модифицировать полимерные материалы методами сплавов, смешения, композитов (сокращенно a bc), чтобы максимально использовать свойства каждого компонента и придать материалам свойства, которыми не обладают отдельные материалы. Исследование и разработка высокоэффективных композитных материалов стали важной частью современных высоких технологий, а также важной тенденцией развития полимерных материалов, которая направлена на повышение удельной прочности, удельного модуля упругости, вязкости, термостойкости, коррозионной стойкости, износостойкости и других свойств. Среди них полимерные композиционные материалы, которые одновременно обладают повышенной вязкостью и прочностью, стали горячей точкой исследований модификации конструкционных пластмасс. Однако с точки зрения материаловедения, прочность и вязкость являются двумя особенно важными, но противоречивыми механическими свойствами конструкционных материалов, и проблема одновременного повышения прочности и вязкости материалов остается одной из важных нерешенных проблем науки о полимерных материалах. Как правило, заполнение полимерной матрицы жесткими частицами эффективно повышает прочность, жесткость и размерную стабильность материала, но одновременно легко приводит к увеличению хрупкости полимера. При использовании эластомеров для повышения вязкости термопластов, при повышении вязкости, показатели жесткости, прочности, температуры эксплуатации и др. значительно снижаются. Механическое смешение жестких частиц и эластомера с образованием трехфазного композитного материала полимер/эластомер/наполнитель может в определенной степени сбалансировать противоречие между жесткостью и вязкостью материала, но не может одновременно обеспечить получение высокопрочного полимерного материала с высокими характеристиками. Поэтому, начиная с 80-х годов, был предложен новый путь модификации полимеров с использованием неэластомеров (жестких частиц) для повышения вязкости. В рамках государственного гранта Российского фонда фундаментальных исследований, наша лаборатория первой в стране начала фундаментальные и прикладные исследования по повышению вязкости полимеров с помощью неэластомеров. За много лет работы мы провели систематические и углубленные исследования по замещению резины неорганическими жесткими частицами для повышения вязкости полимерных композитных материалов и их механизма повышения вязкости, добившись прорывного прогресса. Теоретически, было показано, что для повышения вязкости полимера неорганическими жесткими частицами, помимо требований к размеру частиц и их распределению, необходимо выдвинуть новые требования к структуре межфазной области, а именно, ввести гибкую межфазную область с хорошей адгезией и определенной толщиной вокруг равномерно распределенных жестких частиц, чтобы при разрушении материала вызывать образование стрижений и прекращать распространение трещин, а также при определенных морфологических структурах вызывать сдвиговую текучесть матрицы, тем самым рассеивая большое количество энергии удара. Однако вышеупомянутые структуры межфазной области образуются в процессе реакционной экструзии, свойства материала нестабильны, цикл работы длительный и трудно контролируемый, поэтому трудно перевести разработанные в лаборатории высокопрочные и высоковязкие полимерные композиционные материалы на стадию промышленного производства. В связи с этим, при поддержке государственного проекта «863» было выдвинуто предположение о создании высокоэффективных композитных материалов с использованием наполненного композита, повышающего прочность и вязкость, и под руководством этой концепции был успешно разработан наполненный композит для полипропилена, повышающий прочность и вязкость, и модификатор вязкости для нейлона. Разработка наполненного композита, повышающего прочность и вязкость, затрагивает множество смежных дисциплин: молекулярный дизайн интерфейса, физико-химическая модификация поверхности наполнителя и полимера, характеризация поверхностных свойств, синтез совместителей для интерфейса, взаимодействие интерфейса, реологическое поведение, скорость и степень дисперсии наполнителя, поведение кристаллизации полимера, механические свойства материалов, механизм повышения прочности и вязкости, поэтому это очень сложная и очень важная задача. После изучения взаимосвязи между свойствами поверхности неорганических частиц, микроструктурой дисперсной фазы и механическими свойствами материала, мы сформулировали четыре основных принципа получения высокоэффективных полимерных композитных материалов с использованием наполненного композита, повышающего прочность и вязкость, и творчески решили ключевую техническую проблему противоречия между равномерным распределением и межфазным соединением неорганических частиц. Благодаря использованию высокоэффективных модификаторов межфазной области и применению метода реакционной экструзии, удалось реализовать идею in situ смачивания и покрытия неорганических жестких частиц небольшим количеством каучука, и был успешно разработан новый тип наполненного композита, повышающего прочность и вязкость, с «ядро-оболочка» структурой полимер/неорганические частицы, имеющий в качестве ядра монодисперсные неорганические частицы и в качестве оболочки небольшое количество эластомера. Наполненный композит, повышающий прочность и вязкость, обладает следующими характеристиками: 1. Добавление наполненного композита не только значительно улучшает реологические свойства полимера при переработке, но и обеспечивает быстрое и равномерное перераспределение в полимерной матрице, поэтому процесс компаундирования наполненного композита и полимера может быть упрощен с вторичной обработки до первичной. 2. Добавление наполненного композита одновременно повышает модуль и вязкость полимерного композиционного материала, то есть модуль и вязкость материала превышают значения самого полимера, в результате получается композиционный материал, который одновременно является прочным и вязким. Эффект повышения прочности и вязкости наполненного композита для полипропилена: Данные по механическим свойствам материала из полипропилена, модифицированного наполненным композитом (содержание 40 мас. %) Немодифицированный полипропилен Наполненный полипропилен Немодифицированный сополимер полипропилена Наполненный сополимер полипропилена Ударная вязкость по Шарпи (Дж/м) 20 80-90 150 300-400 Прочность при растяжении (МПа) 30 25-30 25 20-25 Прочность при изгибе (МПа) 35 40-50 30 30-36 Модуль упругости при изгибе (ГПа) 1,0 2,0~2,5 0,8 1,5-2,0 Среди многочисленных имеющихся на рынке и описанных в литературе наполненных композитов, до настоящего времени не было сообщений о высокодисперсных наполненных композитах, одновременно повышающих прочность и вязкость полимерных материалов. Успешная разработка этого наполненного композита внесла вклад в усовершенствование структурной модели межфазной области полимера, усиленного неорганическими жесткими частицами, и в повышение уровня проектирования и контроля межфазной области композиционных материалов. Это также откроет новые пути для перевода отечественных универсальных пластмасс большого тоннажа в конструкционные пластмассы и дальнейшего повышения их характеристик, расширит области применения полимерных материалов и обеспечит соответствующую социальную и экономическую эффективность. В настоящее время наполненный композит, повышающий прочность и вязкость, может использоваться для модификации полипропиленовых и полиэтиленовых пластмасс, одновременно повышая жесткость и вязкость материала, расширяя область их применения. Например, модифицированные полиолефиновые материалы могут применяться в автомобилестроении и производстве деталей для транспортных средств, в изготовлении корпусов бытовой техники, электрических инструментальных ящиков и т.д.