МОДИФИКАЦИЯ ЭПОКСИДНЫХ ПОЛИМЕРОВ ГОРЯЧЕГО ОТВЕРЖДЕНИЯ НАНОПОРОШКАМИ РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ
, ,
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им.
СО РАН
РОССИЯ Новосибирск, /1
Сегодня полимерные композиционные материалы (КМ) широко используют с целью повышения эксплуатационных характеристик технологического оборудования различных отраслей промышленности. Широкое использование полимерных материалов определяется также и их ценными механическими свойствами и высокой прочностью в сочетании со способностью к большим обратимым деформациям. Создание новых полимерных материалов с заранее заданными функциональными свойствами является одной из главных проблем современной полимерной науки. Данные экспериментальные исследования относятся к полимерным композициям на основе эпоксидных связующих ангидридного отверждения, которые могут быть использованы в качестве клеев, покрытий, пропиточных составов, связующих для композиционных материалов.
Целью исследования являлось изучение влияния природы наномодифицирующих добавок на упруго-прочностные характеристики эпоксидного полимера. Исследования проводились на эпоксидном связующем DER-330, в качестве отвердителей использовались отвердитель ИМТГФА. Концентрация нанодобавок составляла от 0% до 4% от массы связующего.
Методика приготовления образцов. Для исследования влияния наночастиц на процесс отверждения и физико-химические характеристики модифицированных эпоксиангидридных полимеров использованы композиции эпоксидной диановой смолы D. E.R.330 и изометилтетрагидрофталевого ангидрида (ИМТГФА) В качестве катализатора использован N, N-диметилбензиламин (БДМА). Композит изготавливали в соотношение 100:86:1 смола, отвердитель, катализатор соответственно.
Известно, что вследствие высокой поверхностной энергии, вводимые наночастицы, практически всегда представлены в виде агрегатов, размер которых может достигать несколько микрометров. Для разбиения агломератов использовался ультрозвуковой диспергатор (УЗД). Анализ теоретических работ поставил вопрос о влияние порядка смешивания смеси.
ã , , 2014 |
Порошок обладает большой активной поверхностью и может адсорбировать на неё смолу или отвердитель, меняя тем самым стехиометрию в локальных областях. Для проведения исследований был приготовлен ряд образцов с разной последовательностью смешения компонент. В работе были рассмотрены возможные варианты диспергирования: эпоксидная смола;в смолу с отвердителем замешивался порошок и диспергировался с помощью УЗД; сначала диспергировали нанопорошок в отвердителе, менее вязком, затем добавляли смолу;порошок смешивали со смолой, затем добавляли отвердитель.
Данные по измерению модуля Юнга и разрывного натяжения представлены на рисунке 1.
Рис 1. Изменение модуля Юнга и разрывного натяжения от очередности введения наполнителя
Видно, что наилучшие результаты показывает диспергация нанопорошка Т-150 с помощью УЗ в отвердителе, с последующим добавлением смолы. Поэтому, навеску наполнителя растворяли в рассчитанном количестве ИМТГФА при нагревании до ~100 °C. Затем полученную гомогенную смесь охлаждали до температуры ~40 °C и добавляли к ней последовательно подогретую до той же температуры эпоксидную смолу D. E.R.330 и катализатор БДМА. Полученную смесь подвергали ультразвуковой гомогенизации в течение 4-6 мин, затем помещали в силиконовые или алюминиевые формы. Перед отверждением проводили дегазацию образцов в вакуумируемом термошкафу в течение 0.5 ч при 40 °C и остаточном давлении ~15 мм Hg. Отверждение проводили в ступенчатом режиме.
В качестве наполнителей выбраны 5 типов нанопорошков различной природы:
1. Аэросил 380 − гидрофильный порошок, SiO2 > 99.8 %, Al2O3 < 0.05 %, Fe2O3 < 0.003 %, TiO2 < 0.03 %, HCl < 0.025 %. Среднечисленный размер 7 нм, удельная площадь поверхности 380 м2/г.
2. Аэросил 200 − гидрофильный порошок, SiO2 > 99.8 %, Al2O3 < 0.05 %, Fe2O3 < 0.003 %, TiO2 < 0.03 %, HCl < 0.025 %. Среднечисленный размер 14 нм, удельная площадь поверхности 200 м2/г.
3. Окись алюминия, модифицированная винилтриметоксисиланом − Al2O3/Si(OMe)3C2H3. Среднечисленный размер 65-67 нм, удельная площадь поверхности (SSA) 22 м2/г.
4. Нановолокна окиси алюминия, модифицированные винилтриметоксисиланом − Al2O3/Si(OMe)3C2H3. Удельная площадь поверхности (SSA) 425 м2/г.
5. Нитрид алюминия (AlN), состав: AlN 82 %, Al(0) 3 %. Среднечисленный размер 40-50 нм, удельная площадь поверхности (SSA) 43 м2/г.
Экспериментальная часть. Прочностные характеристики исследованы в режиме трехточечного изгиба. Эксперименты проводили на машине для испытания материалов Zwick/Roell Z005. Эксперименты проведены по стандарту испытаний DIN 790. Эксперименты проводились до 8 % деформации.
Рис. 2. Зависимость модуля Юнга при трехточечном изгибе от массовой концентрации порошков
На рисунке 2 представлены концентрационные зависимости модуля Юнга эпоксидных композитов с различными наполнителями. Величина модуля Юнга базового образца составляет Е = 3.462 ГПа. Судя графику, характер зависимости мод, 3, 4 одинаков. При концентрации от 0.2 % до 1.2 % модуль упругости растет, достигая максимума, и затем плавно снижается. Максимальное значение 3.680 ГПа реализуется при использовании добавки Al2O3/Si(OMe)3C2H3 (3) в концентрации 1.2 %. Характер зависимости для композита с порошком нитрида алюминия (5) отличается от других: модуль упругости монотонно растет и достигает максимума при концентрации 3.2 % (Е=3.89 ГПа, увеличение на 12.4 % к базовому).
На рисунке 3 представлены графики зависимостей напряжения разрушения от концентрации порошков. Наибольшее положительное влияние оказывает нанодисперсный порошок диоксида кремния А-380. Напряжение разрушения для базовой композиции 155.4 МПа, при добавлении А-380 оно увеличивается на 30 %.
Рис. 3. Зависимость напряжения разрушения при трехточечном изгибе от массовой концентрации порошков
Таким образом, порошки типов 1-4 оказывают упрочняющее действие на эпоксидную композицию при концентрациях 0.4-1.2 %. Порошок AlN (5) положительно влияет на механические характеристики во всем исследованном диапазоне концентраций.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. , , Б. Технология получения наноструктуированных композиционных материалов. Ползуновский Вестник. 2007. № 3. С. 162-166.
2. Haiyan Li, Zhisheng Zhang, Xiaofei Ma , Ming Hu, Xiuyu Wang, Panfeng Fan. Synthesis and characterization of epoxy resin modified with nano-SiO2 and γ-glycidoxypropyltrimethoxy silane. Surface & Coatings Technology. 2007. № 000. P. 5269–5272
3. Взаимодействие наночастиц диоксида кремния с полимерами. Наноиндустрия, научно-технический журнал. 2013. № 1(39). С. 32-36.
