Химия и химические технологии/

Пластмассы, полимерные и синтетические материалы, каучуки,

резино-технические изделия, шины и их производство

Аспирант Криушенко С.С., д.т.н., профессор Чухланов В.Ю.

Владимирский государственный университет

имени А.Г. и Н. Столетовых (г. Владимир, Российская Федерация)

Изучение влияния тетраэтоксисилана и полиметилфенилсилоксана на эластичные пенополиуретаны

Одной из наиболее быстро развивающихся областей химической промышленности является производство полимерных и композиционных материалов. Быстро растущая потребность в новых материалах, которая не удовлетворяется даже современными объёмами производства, является одной из приоритетных задач, которые стоят перед отраслью. Рост и потребление многих полимерных материалов в различных областях сдерживается из-за ряда серьёзных недостатков, присущих таким материалам (низкая атмосферостойкость, влагостойкость, термическая стабильность и др.), поэтому постоянно осуществляется модификация материалов с целью повышения их определённых свойств, а также поиску новых свойств и областей применений уже известных материалов.

Одним из наиболее перспективных материалов в полимерной отрасли является полиуретан. Вспененные полиуретаны называются пенополиуретанами (ППУ). Такие материалы обладают низкой плотностью, достаточной прочностью, низкой теплопроводностью (жёсткие ППУ), эластичностью (эластичные ППУ), определённой жёсткостью [1]. Благодаря своим специфическим свойствам такие материалы получили широкое применение в строительстве, энергосберегающих технологиях, мебельной промышленности и др. [2].

Для мебельной промышленности активно используются эластичные пенополиуретаны, обладающие высокими показателями жёсткости материала и прочности на разрыв. Особо важное свойство - повышенная жёсткость - достигается благодаря использованию полимер-полиолов, что является достаточно дорогим продуктом [3].

В данной работе основной целью было выявить возможность модификации рецептуры для эластичных ППУ кремнийорганическими веществами, способным к образованию надмолекулярных сеток в полимерных материалах (тетраэтоксисилан и полиметилфенилсилоксан), выявить совместимость материалов, а также оценить допустимую концентрацию модифицирующей добавки [4].

В стандартную рецептуру, состоящую из полимер-полиола, простого полиэфира, катализатора (третичного амина), креймнийорганического ПАВ, вспенивающего агента (химический вспениватель) и оловооргранического катализатора добавляли малое количество тетраэтоксисилана (ТЭОС) и полиметилфенилсилоксана (ПМФС) и проверяли влияние модифицирующей добавки на внешний вид ППУ и некоторые физико-механические свойства.

Оказалось, что ввод 0,5 м.ч. ПМФС приводит к изменению внешнего вида ППУ: наблюдается усадка пены, укрупнение ячеек (очевидно, что добавка ПМФС приводит к микроколлапсу структуры), пена становится более рыхлая по сравнению со стандартным образцом, легко рвётся при надавливании. Добавление же 1 м.ч. ПМФС (без уменьшения стандартного кремнийорганического ПАВ) приводит к образованию неустойчивого пенополиуретана. Такой полимер характеризуется большой усадкой, крупными ячейками, рыхлостью. При надавливании пальцем пена легко рвётся.

При вводе тетраэтоксисилана не наблюдается такого сильного воздействия на структуру пены. Наоборот малое количество ТЭОС положительно влияет на качество ППУ. Так, при вводе 0,5 м.ч. ТЭОС наблюдали характер подъёма ППУ схожий со стандартным, но после горячего отверждения в термошкафу при 110 ⁰С образец пены оставался немного липким, что не наблюдается для стандартной рецептуры (это говорит о необходимости увеличения времени выдержки образца в термошкафу) и была отмечена небольшая усадка образца. При вводе в рецептуру 1 м.ч. ТЭОС наблюдали характер подъёма пены, схожий со стандартным, однако после сильного вздоха у образца отмечена усадка. Несколько изменилась морфологическая структура пены – ячейки стали более мелкими. Для каждого из образцов с ТЭОС такие параметры вспенивания, как время старта и подъёма были на том же уровне что и у стандартного образца. После выдержки в течение 48 часов образцы подвергались некоторым физико-механическим испытаниям, результаты которых приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты физико-механических испытаний образцов

Показатель	Стандартный образец	Модифициро-ванный 1	Модифициро-ванный 2
Содержание ТЭОС, м.ч.	-	0,5	1,0
Кажущаяся плотность, кг/м^3 (ГОСТ 409-77)	23,64	26,02	27,08
Напряжение сжатия при 40% деформ., кПа (ГОСТ 26605)	6,151	6,807	7,917
Коэффициент упругости	39,80	43,30	41,21
Коэффициент комфортности SAG	2,14	2,26	2,22
Эластичность по отскоку, % (ISO 8307:1990(Е))	29,4	33	30,5
Остаточная деформация сжатия при деформации 50%, % (ГОСТ 29089-91 метод А)	9,06	11,31	13,5
Условная прочность при разрыве, кПа (ГОСТ 29088-91)	126,51	130,57	136,16
Относительное удлинение при разрыве, % (ГОСТ 29088-91)	110,65	117,28	125,66

Как видно из приведённых результатов, усадка образца приводит к увеличению плотности ППУ. Повышается напряжение при 40 %-ном сжатии, что говорит об упрочнении материала. Это же подтверждается и значениями коэффициента упругости материала. Добавление 0,5 м.ч. ТЭОС приводит к повышению эластичности по отскоку, что свидетельствует о повышении эластичности при малых концентрациях ТЭОС, а при содержании ТЭОС 1 м.ч. эластичность снижается, что свидетельствует о нелинейности этой зависимости и требует её дальнейшего более широкого рассмотрения в этом диапазоне концентраций. Нелинейную зависимость имеет и фактор комфортности SAG, который является отношением нагрузки при 65 %-й деформации к 25 %-ной и характеризует упругость материала, а также комфортность его эксплуатации. При 0,5 м.ч. ТЭОС показатель SAG характеризует ППУ как высокоупругий материал. Однако повышение концентрации ТЭОС приводит к большей остаточной деформации материала после статического сжатия.

Интересной особенностью является повышение таких показателей как относительное удлинение и прочность при разрыве. Эти показатели также свидетельствуют о возможности образования надмолекулярной сетки, что ведёт к упрочнению материала при испытаниях на разрыв.

Таким образом, в данной работе было рассмотрена возможность модификации эластичных пенополиуретанов такими кремнийорганическими соединениями, как тетраэтоксисилан и полиметилфенилсилоксан. Выявлено положительное воздействие малых концентраций ТЭОС на свойства ППУ, а также показано негативное влияние ПМФС на структуру эластичных ППУ на основе полимер-полиолов.

Литература

1. Саундерс Дж. Х., Фриш К. К. Химия полиуретанов (перевод с английского) – М.: Химия, 1968. – 470 с.

2. Конрад Улиг. Открытие полиуретанов. – Мюнхен, Carl Hancer, 1999. – 108 с

3. Пат. РФ № 2385886, МПК C08G65/329 (2006.01) Способ получения полиольной композиции и полиольная композиция, опубликован 10.04.2010

4. Функциональные наполнители для пластмасс./Под ред. М. Ксантоса. Пер. с англ. под ред. Кулезнева В.Н. – СПб.: Научные основы и технологии, 2010. – 462 с.