1. Вступ
Еластомери є незамінними матеріалами в багатьох галузях промисловості, однак їхня практична експлуатація часто вимагає покращення базових властивостей, таких як міцність, зносостійкість, термостійкість або спеціальні функціональні характеристики. Одним із найефективніших методів модифікації еластомерів є введення в їхню матрицю дисперсних неорганічних наповнювачів, серед яких провідне місце посідають оксиди металів. Такі оксиди, як ZnO, SiO₂, TiO₂ та Fe₂O₃, активно використовуються в якості активних наповнювачів, пігментів, стабілізаторів та каталізаторів процесів структурування. Метою роботи є систематизація даних щодо порівняльної ефективності різних оксидів металів та визначення наукових підходів до проектування оптимальних еластомерних композитів для експлуатації в специфічних умовах.
2. Класи оксидів металів та їх роль у формуванні властивостей еластомерів
Оксиди металів являють собою бінарні сполуки металу з киснем, які можуть мати іонну або ковалентну природу зв'язку, що значною мірою визначає їхню хімічну активність та взаємодію з полімерною матрицею [1, c. 3562]. В контексті модифікації еластомерів їх можна класифікувати за функціональним призначенням.
а) активні наповнювачі та активатори вулканізації. Класичним представником цієї групи є цинк оксид (ZnO). Він широко застосовується в гумовій промисловості для активації органічних прискорювачів вулканізації, що дозволяє значно прискорити процес формування зшитої мережі еластомера та покращити його еластичні характеристики. Крім того, ZnO проявляє антибактеріальні властивості та здатність до блокування УФ-випромінювання, що розширює сферу його застосування до виробів медичного призначення та зовнішньої експлуатації.
б) структурні модифікатори та армувальні агенти. Діоксид кремнію (SiO₂) належить до найважливіших наповнювачів для створення еластомерів із покращеними механічними властивостями. Дослідження на системі етилен-α-олефінового сополімеру продемонстрували, що гідрофільний діоксид кремнію (A200) формує в матриці розвинену мережеву структуру, що забезпечує вищий модуль пружності та міцність у порівнянні з гідрофобним аналогом (R974) [2, c. 42]. Це підтверджує, що поверхнева природа частинок оксиду є вирішальним фактором для їх дисперсності та, як наслідок, армувального ефекту.
в) функціональні модифікатори. Інші оксиди металів надають еластомерам спеціальних властивостей. Наприклад, діоксид титану (TiO₂) використовується як агент для підвищення міцності електричного пробою діелектричних еластомерів, що є критично важливим для їх застосування в сенсорах [3, c. 46300]. Оксиди заліза (Fe₂O₃), будучи низькосортними пігментами, можуть використовуватися для надання магнітних властивостей.
Таблиця
Порівняльний аналіз впливу оксидів металів на властивості еластомерів [4, c. 16787]
3. Головні фактори ефективності систем "оксид-еластомер"
Ефективність застосування оксиду металу залежить не лише від його хімічної природи, але й від низки морфологічних та технологічних факторів.
а) морфологія частинок та ступінь дисперсності. Ефективність наповнювача, такого як SiO₂, безпосередньо пов'язана з розміром частинок, їхньою формою та здатністю утворювати в полімерній матриці об'ємну перколяційну структуру. Агрегація частинок, як у випадку з гідрофільним SiO₂, може сприяти формуванню міцнішої мережі, що позитивно впливає на модуль пружності, але може погіршити деформаційні характеристики [5, c. 105178].
б) поверхнева модифікація. Хімія поверхні частинок оксиду визначає їх сумісність з гідрофобною полімерною матрицею. Як показано в дослідженні [6, c. 151402], гідрофобний SiO₂ демонструє кращу дисперсність, але менш виражений армувальний ефект порівняно з гідрофільним аналогом. Таким чином, для досягнення оптимального результату часто необхідна поверхнева модифікація оксидів за допомогою силанів або інших агентів, які покращують адгезію на межі поділу фаз.
в) концентрація наповнювача. Існує оптимальний діапазон концентрації кожного оксиду, за якого досягається баланс між покращенням цільових властивостей (наприклад, міцності) та збереженням еластичності матеріалу. Надмірне наповнення може призвести до зростання жорсткості, зниження опору руйнуванню та ускладнення технологічності композиту.
4. Висновки та перспективи подальших досліджень
Проведений аналіз літератури дозволяє зробити низку висновків щодо використання оксидів металів в еластомерах.
Кожен оксид металу має унікальний механізм впливу на еластомерну матрицю, що зумовлює його ефективність для вирішення конкретних завдань – від хімічної модифікації (вулканізації) до структурного армування та надання функціональних властивостей.
Ключовим фактором, що визначає успіх модифікації, є не лише вибір типу оксиду, але й контроль дисперсного стану частинок та міцності адгезії між неорганічною поверхнею і органічною матрицею.
Найбільш перспективним напрямом є використання нанорозмірних оксидів металів, які завдяки високому співвідношенню поверхні до об'єму можуть надавати матеріалам унікальних транспортних властивостей та значно поліпшувати ефективність енергоперетворення та функціональні можливості пристроїв на основі еластомерів [7, c. 680].
Для подальшого прогресу в галузі необхідно інтенсифікувати дослідження в галузі створення гібридних наповнювачів, розробки нових методів поверхневої модифікації та вивчення синергетичних ефектів від комбінування різних оксидів в одній еластомерній матриці.
Список літератури
1. Zhi Y. et al. Stretchable composites with high oxide loading. Nature Communications. 2025. Vol. 16. №. 1. P. 3562.
2. Hakhiri S. M. et al. The Effects of Moisture in Metal Oxide on the Mechanical and Electric Properties of Dielectric Elastomer Composites. Materials Science Forum. 2020. Vol. 981. P. 40-44.
3. Zhao X. et al. Excellent mechanical performance and enhanced dielectric properties of OBC/SiO 2 elastomeric nanocomposites: effect of dispersion of the SiO 2 nanoparticles. RSC Advances. 2017. Vol. 7. №. 73. P. 46297-46305.
4. Cai D., Yu Y. Deformation-tolerant linkage of silicone rubbers and carbon-based elastomers via chemical and topological adhesion. Journal of Materials Chemistry C. 2025. Vol. 13. №. 32. P. 16787-16795.
5. Sahu D., Sahu R. K. Review on the role of intrinsic structure on properties of dielectric elastomers for enhanced actuation performance. Materials Today Communications. 2023. Vol. 34. P. 105178.
6. Yang L. et al. Large deformation, high energy density dielectric elastomer actuators: Principles, factors, optimization, applications, and prospects. Chemical Engineering Journal. 2024. Vol. 489. P. 151402.
7. Ersoy A., Atalar F., Hiziroğlu H. A study on particle size effect of polyurethane-mica composites. IEEE Access. 2023. Vol. 12. P. 679-688.
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter