Химия и химические технологии /1.Пластмассы, полимерные и синтетические материалы, каучуки, резино-технические изделия, шины и их производство

К. т.н. Костромина Н.В., к.т.н. Олихова Ю.В., Тхуан Ф.К.

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Россия

Создание многокомпонентных высоконаполненных материалов на основе эпоксидных смол

Требования, предъявляемые потребителями к композиционным материалам весьма разнообразны: высокая прочность при статических и динамических нагрузках, низкий и стабильный коэффициент трения, высокая износостойкость повышенная теплостойкость и теплопроводность, ударопрочность, электропроводимость. Поэтому безуспешными оказались попытки создания универсальных материалов. Однако это породило и другую крайность – множество материалов, зачастую с высокой себестоимостью и труднодоступных для массового производства. В связи с этим вопрос создания новых композиционных материалов для самых разнообразных условий эксплуатации остаётся актуальным. В настоящее время существует спрос на материалы для ремонтных работ, специальные составы требуются в строительстве. Для создания износо- абразивостойких композитов как наполнитель в работе использовали корунд, а также металлические мелкодисперсные порошки: медь и олово.

Известно, что введение в эпоксидную смолу эластомеров с реакционноспособными группами позволяет снизить внутренние напряжения системы, повысить ударные характеристики без ухудшения термостойкости [1]. Поэтому в работе использовалось связующее на основе смолы ЭД-20, модифицированной маленизированным полибутадиеновым каучуком, в качестве отвердителя использовались линейные полиамины. В работе проведена сравнительная оценка металлических, минеральных наполнителей, в том числе и алюмосиликатного наполнителя – глипол.

Адгезия металлов к полимерам может быть обусловлена как физическими, так и химическими взаимодействиями между ними. При использовании порошков металлов в качестве наполнителей необходимо учитывать, что на границе раздела полимер-металл протекают сложные физико-химические и физические процессы, включающие окисление поверхности металла, насыщение поверхности металла атомами, входящими в состав полимера, активируемое поверхностью металла, структурообразование. Усиление эпоксидной смолы связано с изменением надмолекулярной структуры. Под влиянием наполнителей происходит частичная фибрилляция глобулярной структуры отвержденной смолы и её самоармирование в процессе отверждения. Важно также наличие у поверхности атомов переходных металлов (Cu) низкоэнергетических d- орбиталей. Это позволяет связать активность поверхности Cu с возможностью образования поверхностных комплексных соединений.

Добавление олова в композицию практически не влияло (рис.1) на адгезионную прочность. Видимо, при такой концентрации (2,5 масс. ч.) частицы олова лишь служили дефектами в полимерной матрице. К тому же олово менее склонно к взаимодействию с полимерами, чем медь.

1 - без наполнителя; 2 - Sn; 3 - Cu; 4 - корунд; 5 - глипол+корунд;

6 - глипол + жидкое стекло

Рис. 6. Адгезионная прочность композиционных материалов

на основе ЭД-20

Введение 5 масс. ч. меди приводило к значительному увеличению (до 240%) адгезионной прочности. Для повышения износостойкости полимерную матрицу наполняли корундом, что также положительно сказывалось и на адгезии полимера к металлу. Значительного повышения адгезионной прочности удалось достичь при введении в систему до 5 масс. ч. глипола (288%). Модифицирование жидким стеклом [Na₂O(SiO₂)n] дает еще более ощутимое возрастание адгезии - 355% по сравнению с ненаполненной системой.

Исходя из представленных данных можно утверждать, что в системе наполненной глиполом происходит интеркаляция полимера между слоями глины. В случае с сырьем, модифицированным жидким стеклом, возрастает емкость катионного обмена и интеркаляция проходит более глубоко. По-видимому, при введении глипола процесс формирования нанокомпозита протекает через ряд промежуточных стадий. На первой стадии происходит образование тактоида – полимер окружает агломераты органоглины. На второй стадии происходит проникновение полимера в межслойное пространство органоглины, в результате чего происходит раздвижение слоев. На третьей стадии происходит дезориентация слоев органоглины [2].

Возникновение внутренних напряжений в наполненных системах может быть обусловлено двумя причинами. В процессе отверждения материала его объем уменьшается за счет процессов структурирования, что вызывает появление напряжений, действующих против сил адгезии.ТВторая составляющая внутренних напряжений – термические напряжения, вызванные различием коэффициентов линейного термического расширения связующего и наполнителя. Они могут возникать в результате нагревания или охлаждения. Введение металлического наполнителя увеличить теплопроводность материала. Увеличение теплопроводности способствует снижению внутренних напряжений, обусловленных неоднородным термическим расширением и сжатием. Как видно из рис. 2, введение глипола не вызывает повышения остаточных напряжений, они остаются на уровне ненаполненной системы, что связано, по-видимому, с интеркаляцией макромолекул между слоями глипола.

1 - без наполнителя; 2 - Sn; 3 - Cu; 4 - корунд; 5 - глипол+корунд;

6 - глипол + жидкое стекло

Рис. 2. Изменение внутренних напряжений композиционных материалов на основе ЭД-20 в процессе отверждения при Т= 60⁰С

Результаты данной работы показывают возможность получения и нанокомпозитных материалов функционального назначения с улучшенными характеристиками на основе эпоксидного олигомера ЭД-20 и различных систем наполнителей. Материалы имеют хорошие технологические и эксплуатационные свойства, высокую адгезию, что позволяет использовать их для компаундов, клеев и покрытий.

Литература:

1. Осипчик В.С., Аристов В.М., Костромина Н.В., Лизунов Д.А., Савельев Д.Н.

Исследование адсорбционного взаимодействия на границе раздела фаз эпоксидный олигомер-наполнитель. Пластические массы. 2011. № 12. С. 16-18.

2. Ильин С.О., Горбунова И.Ю., Плотникова Е.П., Кербер М.Л. Реологические и механические свойства эпоксикомпозитов, модифицированных наночастицами монтмориллонита. Пластические массы. 2011. № 3. С. 56-60.