Влияние света на эпоксидную смолу

МОУ «Лицей № 43»

(естественно-технический)

ВЛИЯНИЕ СВЕТА НА ЭПОКСИДНУЮ СМОЛУ

       

Коннов Дмитрий

11 класс

Саранск

2015

Аннотация к работе

1. Название представляемой работы: Влияние облучения на эпоксидную смолу

2. Ф. И.О. автора работы:

3. Ф. И.О. руководителя работы:

4. Полное наименование образовательной  организации,  в  которой  выполнена работ: МБОУ «Лицей № 43»

5. Краткое описание работы: Проведено экспериментальное исследование влияния облучения эпоксидной смолы на ее механические свойства. Исследование проводилось в лаборатории МГУ им. . Были изготовлены образцы в форме прямоугольника размером 5*8*150 мм. Измерение механических характеристик смолы проводили на универсальной испытательной машине Shimadzu Autograph AG-X Series. Определялись предел прочности, эффективный модуль и гистерезисные потери при испытании на растяжение.

Так как измерения на машине проводятся в автоматическом режиме, то задача автора работы заключалась в подготовке образцов, обработке и анализе экспериментальных данных.

6. Основные характеристики работы: В работе проведен полный цикл исследования от получения образцов до анализа полученных экспериментальных данных и выводов.

7. Техническая и научная новизна работы: Получены новые экспериментальные данные для конкретного материала - смолы ЭД-20. Эпоксидная смола используется в качестве основы для получения композиционных материалов, используемых в электротехнике, строительстве и других технических областях. Показано отрицательное влияние облучения на механические свойства смолы.

Обнаружен эффект увеличения демпфирующих свойств смолы в результате воздействия на нее солнечного света.

8. Название номинации: энергетика и электротехника

9. Техническое и программное обеспечение,  необходимое  для  защиты  работы: Проектор для показа презентации

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение        3

ОБЗОР        5

ОРИГИНАЛЬНАЯ ЧАСТЬ        8

Методика исследования        8

Результаты исследования        8

Вывод        14

Список использованной литературы        14

Введение

Эпоксидная смола — олигомеры, содержащие эпоксидные группы и способные под действием отвердителей образовывать сшитые полимеры. Наиболее распространенные эпоксидные смолы — продукты поликонденсации эпихлоргидрина с фенолами, чаще всего — с бисфенолом А.[1]

На основе эпоксидных смол производятся различные материалы, применяемые в разных областях промышленности. Композит на основе ЭС используются в крепёжных болтах ракет класса земля-космос. ЭС с кевларовым волокном — материал для создания бронежилетов.

Зачастую эпоксидные смолы используют в качестве эпоксидного клея или пропиточного материала — вместе со стеклотканью для изготовления и ремонта различных корпусов или выполнения гидроизоляции помещений, а также как самый доступный способ в быту изготовить продукт из стекловолокнита, как сразу готовое после отливки в форму, так и с вероятностью дальнейшего разрезания и шлифовки.

Из стеклоткани с ЭС делают корпуса плавсредств, выдерживающие очень сильные удары, различные детали для автомобилей и других транспортных средств. Также эпоксидные смолы используются в строительстве [2].

Детали, изготовленные из эпоксидных материалов, часто работают в естественных природных условиях, в том числе под прямыми солнечными лучами. Известно, что полимерные материалы под действием облучения, особенно ультрафиолетом, заметно меняют свои свойства. Поэтому изучение вопроса о влиянии солнечного света на эпоксидную смолу необходимо.

Цель нашей исследовательской работы заключается в изучении пользы (или вреда) влияния солнечного света на эпоксидную смолу.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

Познакомиться с литературными источниками по проблеме исследования. Определить форму, методы и методику эксперимента. Провести эксперименты; проанализировать полученные данные. Сделать вывод о характере влияния (плохое, хорошее, отсутствует) света на эпоксидные смолы.

ОБЗОР

Впервые эпоксидная смола была получена французским химиком Кастаном в 1936 году. Эпоксидную смолу получают поликонденсацией эпихлоргидрина с различными органическими соединениями: от фенола до пищевых масел, скажем соевого. Такой способ носит название «эпоксидирование» [1].

Внешне эпоксидная смола представляет собой прозрачную жидкость, чаще всего, желто-оранжевого цвета. После затвердения она представляет собой коричневую твердую массу [3].

Для практического применения смолы нужен отвердитель. Отвердителем может быть полифункциональный амин или ангидрид, иногда кислоты. Также применяют катализаторы отверждения — кислоты Льюиса и третичные амины, обычно блокированные комплексообразователем наподобие пиридина. После смешения с отвердителем эпоксидная смола может быть отверждена — переведена в твердое неплавкое и нерастворимое состояние. Если это полиэтиленполиамин (ПЭПА), то смола отвердеет за сутки при комнатной температуре. Ангидридные отвердители требуют 10 часов времени и нагрева до 180 °C в термокамере (и это ещё без учёта каскадного нагрева со 150 °C).

Эпоксидная смола, отверждённая строго согласно технологии, является безвредной, но полностью безопасным материалом она не считается. Применение смолы сильно ограничено, поскольку при отверждении в промышленных условиях в ней остаются растворимые остатки, вредные для здоровья. Смола не может быть использована для склеивания посуды для пищевых продуктов. В жидком виде эпоксидная смола является достаточно ядовитой, поэтому при работе с ней следует использовать резиновые перчатки и противопылевые респираторы [4, 5].

Эпоксидные материалы широко распространены во всем мире с середины прошлого века. В последние годы характер их применения претерпел значительные изменения, но остается традиционным использование в следующих областях:

Для пропитки стеклоткани или стеклонити. В качестве пропиточного средства для стеклоткани и для склеивания деталей эпоксидные составы используют в электротехнике, радиоэлектронике, автомобильной и авиационной отраслях промышленности, при производстве стеклопластика в строительстве, корабле - и машиностроении, в мастерских по ремонту лодочных корпусов и кузовных элементов автомобиля.

Покрытия для гидроизоляции. Эпоксидная смола нашла эффективное применение для гидроизоляции пола и стен подвальных помещений и бассейнов.

Химически стойкие покрытия. Краски и материалы для внутренней и наружной отделки зданий. Пропитки для повышения прочности и гидроизоляции пористых материалов: бетон, дерево и другие.

Прозрачный твердый материал, получаемый способом заливки в формы с последующей механической обработкой, путем резания и шлифовки. Применяется для изготовления стеклопластиковых изделий в строительстве, электронной промышленности, дизайнерских работах, домашнем хозяйстве.

Может возникнуть вопрос - а зачем вообще нужны эпоксидные смолы? Если не вдаваться в детали - у эпоксидных смол выше прочность клеевого соединения (как клей они идеальный материал), у них меньше усадка, в отвержденном состоянии они меньше фильтруют влагу, лучше противостоят абразивному износу и обладают лучшими физико-механическими свойствами. Существует бесконечное множество комбинаций и вариаций эпоксидных смол и для узкоспециальных целей производители имеют возможность предложить составы с такими характеристиками, достичь которых полиэфирные смолы не смогут никогда

Все эти достоинства эпоксидных смол тем не менее не отменяют их недостатков, когда речь заходит о производстве стеклопластика. В первую очередь имеется в виду рост затрат. Эпоксидные смолы требуют более аккуратного обращения (хотя можно оспорить данный пункт после изучения вредностей полиэфирных смол). Эпоксидные смолы медленнее полимеризуются, и это тормозит производственный процесс (одна из главных причин, почему производители их сторонятся), они сложнее в обработке, в особенности при изготовлении на болване.

Другая проблема эпоксидных смол связана с их свойством терять вязкость при повышении температуры в ходе экзотермического отверждения. Это создает трудности при работе со смолой на вертикальных и наклонных поверхностях и в паре с медленным отверждением делает работу по ламинированию в таких условиях крайне утомительной. Эпоксидные смолы используются для приклеивания тканых материалов к заполнителям типа пенопластов, однако применение большинства видов эпоксидных смол для пропитки стекломата обычно лишено смысла - мат потребляет огромное количество смолы и стоимость обычного ламината будет значительно выше, чем с применением полиэфирной смолы. Можно возразить, что лучшая адгезия эпоксидной смолы позволяет избавиться от использования стекломата между слоями тканых материалов и (вероятно) получить в результате стеклопластик с более высокими характеристиками. Однако для большинства лодок подобное "улучшение" не оправдывает связанного с этим роста проблем и затрат. Несмотря на то, что клеящие свойства эпоксидной смолы выше чем у полиэфирной, прочность эпоксидного стеклопластика выше не в пропорциональной степени.[3]

Эпоксидные смолы поддаются модификации. Различают химическую и физическую модификацию.

Первая заключается в изменении строения сетки полимера путём добавления соединений, встраивающихся в состав оной. Как пример — добавление лапроксидов (простых полиэфиров спиртов, содержащих глицидиловые группы, например ангидрида глицерина) в зависимости от функциональности и молекулярной массы придаёт отверждённой смоле эластичность, за счёт увеличения молекулярной массы межузлового фрагмента, но понижает её водостойкость. Добавление галоген - и фосфорорганических соединений придаёт смоле большую негорючесть. Добавление фенолформальдегидных смол позволяет отверждать эпоксидную смолу прямым нагревом без отвердителя, придаёт большую жёсткость, улучшает антифрикционные свойства, но понижает ударную вязкость.

Физическая модификация достигается добавлением в смолу веществ, не вступающих в химическую связь со связующим. Как пример — добавление каучука позволяет увеличить ударную вязкость отверждённой смолы. Добавление коллоидного диоксида титана увеличивает её коэффициент преломления и придаёт свойство непрозрачности к ультрафиолетовому излучению.

Существенное различие в механизмах электрического старения полимеров и кристаллов (поликристаллов) заключается прежде всего в том, что старение полимеров более интенсивно происходит в переменном поле, причем долговечность изменяется обратно пропорционально частоте. В кристаллах и поликристаллах, напротив,электрическое старение протекает преимущественно при постоянном напряжении.

Вследствие дробных разрядов возникает эрозия — уменьшение толщины пленки в области воздействия разрядов. Эрозия сопровождается газовыделением, причем на поверхности полимера в области эрозии обнаруживаются как жидкие, так и кристаллические продукты электрохимических реакций. При исследовании инфракрасных спектров полимеров, подвергнутых ионизационному старению, обнаруживается появление новых полос поглощения. Все это говорит о том, что при старении полимеров происходит изменение их структуры— деструкция. Скорость развития деструкции зависит от интенсивности дробных разрядов, которая повышается с частотой. Поэтому с ростом частоты испытательного напряжения долговечность изделий из полимера уменьшается.  

Сложность проблемы старения состоит в том, что химическая природа полимеров различна, поэтому и механизмы процессов деструкции и структурирования молекулярных цепей не идентичны. Различие в природе и химических свойствах мономерных звеньев полимерных материалов настолько велико, что влияние факторов среды становится неоднозначным. Незначительное изменение в структуре, появление новой функциональной группы или ингредиента может резко изменить стабильность полимера. Такие же колебания стабильности полимеров возможны при изменении факторов среды (температуры, влажности, загрязнения поверхности и т. п.).  

Наибольший объем занимают процессы атмосферною старения полимеров в результате влияния таких факторов, как свет, воздух, влага, темперагура и др. Значительный вклад в эффект повреждаемости вносит фактор света.

Преобладающий механизм электрического старения (деградации) полимеров зависит от химического состава и строения полимера, а также от геометрических размеров и формы образцов и изделий, применяющихся в качестве электрической изоляции.

Старение приводит к изменениям химических и физических свойств полимеров, что способствует проникновению гифов грибов в материалы и использованию низкомолекулярных продуктов деструкции как источника питания. С другой стороны, накопление продуктов метаболизма стимулирует процесс старения по механизму химического, окислительного и других видов разрушения.

При длительном воздействии ультрафиолета на эпоксидную смолу прозрачная пленка мутнеет, после чего следует меление, растрескивание и отслоение [6]. Первые признаки воздействия ультрафиолета на эпоксидную смолу проявляются под южным солнцем на горизонтальных поверхностях уже спустя 6 месяцев. При тех же условиях полное ее разрушение наступает спустя 15 месяцев. Это единственное, что я  нашел, в ходе поиска информации. Поэтому новизна этого вопроса ясна.

Деструмкция полимеров — разрушение молекул полимеров под действием тепла, кислорода, света, механических напряжений, биологических факторов. В процессе деструкции происходит разрыв химических связей в макромолекулах, уменьшается степень полимеризации и молекулярная масса полимера. Изменение строения полимера приводит к изменению его физических и химических свойств, то есть к старению полимеров. Воздействующий на полимер фактор определяет вид деструкции: термическая, термоокислительная, фотохимическая, гидролитическая, радиационная. Обычно в полимере одновременно протекают несколько видов деструкционных процессов.

Термической деструкцией называют процесс разрушения макромолекул полимера под воздействием высоких температур в отсутствии кислорода, протекающий по радикально-цепному механизму. При разрушении полимеров при термической деструкции в некоторых случаях образуются короткие цепи различного строения (например, при термической деструкции полиэтилена, полипропилена), в других случаях происходит образование мономера. Процесс деструкции может также включать в себя радикальные, ионные и молекулярные реакции (термодеструкция поливинилхлорида).

Термоокислительная деструкция наблюдается при одновременном воздействии на полимеры повышенных температур и кислорода, который заметно снижает стойкость полимеров к действию тепла. В результате термоокислительной деструкции образуются различные низкомолекулярные кислородсодержащие вещества: вода, кетоны, альдегиды, спирты, кислоты. При фотохимической деструкции макромолекулы полимера разрушаются под воздействием света. Фотохимическая деструкция является радикально-цепным процессом, в полимере, помимо разрыва химических связей, происходят сшивание, образование двойных связей и свободных радикалов. Наиболее сильно фотохимическая деструкция происходит под воздействием ультрафиолетовых лучей. Однако в силу малой проникающей способности фотоизлучения, фотохимическая деструкция происходит преимущественно в поверхностных слоях полимера.

Радиационная деструкция происходит под воздействием на полимеры жесткой ионизирующейрадиации, а также под воздействием ускоренных электронов и ионов. При радиационной деструкции происходит отщепление водорода и небольших боковых групп (типа СН3, С2Н5) от молекул полимера. При этом деструкция может сопровождаться сшиванием макромолекул. Механическая деструкция происходит при воздействии на твердые полимеры постоянных или переменных механических нагрузок или при перемешивании расплавов и растворов полимеров. Механическая деструкция происходит в том случае, когда энергия механических напряжений превышает энергию связей атомов в полимере. Она может возникнуть при его переработке.

При химической деструкции разрушение макромолекул полимера происходит в результате воздействии химических агентов. Такая деструкция характерна для многих гетероцепных полимеров, содержащих в основной цепи группы, способные к химическим превращениям. Химическую деструкцию различают в зависимости от действующего агента: окислительная (кислород), озонная, гидролитическая (одновременное воздействие воды и кислот или щелочей). Биологическая деструкция происходит под воздействием ферментов, выделяемых микроорганизмами, организмами высших растений и животных. Для борьбы с деструкцией используются разнообразные методы стабилизации. Деструкционный процесс (контролируемая деструкция) используют при механосинтезе сополимеров, при пластикации каучуков, для получения из природных полимеров ценных низкомолекулярных веществ (например, глюкозы).

ОРИГИНАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Методика исследования

Образцы для исследования получали по методике, близкой к технологии получения строительных композиционных материалов на основе эпоксидной смолы: смешивание смолы ЭД-20 с отвердителем ПЭПА (полиэтиленполиамин) в соотношении 10:1, заливка в форму, выдерживание в течении 24 часов при комнатной температуре.

Облучение проводилось прямым солнечным светом при ясной погоде в течение 1 часа 31 марта 2015 г.

Исследование механических свойств смолы ЭД-20 проводили на универсальной испытательной машине Shimadzu Autograph AG-X Series [7]. Использованы образцы прямоугольной формы с размерами рабочей части (между захватами машины) 5*8*50 мм. Управление процессом испытаний и предварительная обработка данных, получаемых на этой машине,  производятся с помощью программного обеспечения TRAPEZIUM X *1 [8].

Измерения проводились с постоянной скоростью перемещения активного захвата, равной 10 мм/мин.

Результаты исследования

На рис. 1 и 2 показаны кривая растяжения образцов смолы, не повергнутой и подвергнутой облучению солнечным светом. Из этих рисунков можно сделать следующие выводы.

1. Зависимости между механической нагрузкой и степенью деформации исходной и облученной смолы качественно одинаковы.

2. Облучение солнечным светом приводит к небольшому уменьшению предела прочности и максимальной деформации при разрыве смолы.

3. На кривых зависимости между удлинением и величиной нагрузки можно выделить несколько характерных участков. Первый практически прямолинейный участок соответствует чисто упругой деформации, описываемой законом Гука. При напряжении порядка 10ч12 МПа происходит резкое уменьшение наклона кривой, что свидетельствует об изменении механизма деформации.

В работе [9] сделано предположение, что соответствующее этой точке механическое напряжение играет роль «спускового механизма» – преодолевается некоторый потенциальный барьер и происходит достаточно быстрая перестройка структуры. Молекулы перестраиваются таким образом, что исчезают «стопоры», существовавшие в исходном материале, и не дававшие развиваться процессам, обусловливающим деформацию на следующем нелинейном участке (участке bc  на рис. 1). Возможно, что при действии механических напряжений на стеклообразный полимер сегменты его макромолекул приобретают определенную подвижность, следствием чего является ориентация макромолекул вдоль направления вытяжки [9].

Рис. 1. Диаграмма растяжения смолы, не подвергнутой воздействию облучения.

Рис. 2. Диаграмма растяжения смолы, подвергнутой воздействию облучения.

На участке bc наклон зависимости у(е) увеличивается по мере растяжения, что нехарактерно для простых кристаллических веществ, например, металлов. Авторы [5] полагают, что это связано с протекающими в полимерной матрице процессами перестройки ее внутримолекулярной структуры и последовательным включением новых механизмов деформации.

Интересные данные были получены при циклическом изменении нагрузки: три последовательных цикла нагружение – разгрузка с одной и той же скоростью (рис. 3-6). Характерной чертой полученных зависимостей у(е) является наличие гистерезиса, особенно сильного в первом цикле. При максимальных нагрузках кривая разгрузки более крутая, чем кривая нагружения, при малых нагрузках – наоборот, так что зависимости  Е(у), полученные при нагружении и при разгрузке, будучи нанесены на один график, пересекаются. Эта особенность сохраняется и в последующих циклах. Отсюда можно сделать вывод, что на начальных стадиях разгрузки (большие напряжения) превалируют процессы релаксации напряжений, а на заключительных (малые напряжения) – процессы релаксации деформации.

Рис. 3. Диаграмма циклического нагружения исходной смолы до 500 Н.

Рис. 4. Диаграмма циклического нагружения исходной смолы до 700 Н.

Рис. 5. Диаграмма циклического нагружения до 500 Н смолы, подвергнутой воздействию облучения.

Рис. 6. Диаграмма циклического нагружения до 700 Н смолы, подвергнутой воздействию облучения.

На рис. 7 показана зависимость гистерезисных потерь от числа циклов деформирования для исходной и облученной смолы. Во-первых, величина потерь энергии уменьшается с ростом числа циклов как для исходного, так и для облученного образцов. Следовательно, состояние материала в ходе деформации заметно изменяется. Можно сказать, что он становится более «жестким». Во-вторых, потери в облученном материале намного больше, чем в исходном его состоянии.

Как известно, при работе многих машин их детали работают в условиях сильной вибрации, что приводит к их преждевременному выходу из строя. Поэтому предпринимаются средства для уменьшения вибраций, в том числе подбираются материалы, способные гасить вибрацию за счет поглощения энергии колебаний, перехода их энергии во внутреннюю. Такие материалы называют демпфирующими.

Рис. 7. Гистерезисные потери при циклировании.

Обнаруженный в нестоящей работе эффект увеличения гистерезисных потерь при облучении солнечным светом эпоксидной смолы означает, что облученная смола проявляет значительные демпфирующими свойствами

Выводы

Облучение солнечным светом приводит к небольшому уменьшению предела прочности и максимальной деформации при разрыве смолы. Гистерезисные потери существенно возрастают в результате облучения смолы солнечным светом и уменьшаются при механическом циклировании. Обнаруженный эффект может быть использован для получения материалов с повышенными демпфирующими свойствами.

Список использованной литературы

1.Эпоксидная смола [Электронный ресурс]. Режим доступа:

https://ru. wikipedia. org/wiki/Эпоксидная_смола

2. , , и др. Технология полимерных материалов / Под ред. — СПб.: Профессия, 2008. — 544 с.

3. Эпоксидная смола, применение и свойства [Электронный ресурс]. Режим доступа:

http://recn. ru/epoksidnaya-smola-primenenie-i-svojstva

4. Понятие затвердевания эпоксидной смолы [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www. carbon-info. ru/info/art4/

5. Краткая инструкция по работе с эпоксидными смолами. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www. epoksid. ru/instruct. html

6. Влияние ультрафиолетового излучения и других факторов на полимерные изделия.  [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www. globalcolors. ru/?page_id=559

3. Autograph AG-X Series. [Электронный ресурс] Режим доступа : http://www. ssi. /products/literature/Testing/C224-E045.pdf

4. Trapezium X Materials Testing Software. [Электронный ресурс] Режим доступа : http://www. ssi. /products/product. cfm? product=trapeziumx

5. , , Механическое циклирование твердой эпоксидной смолы // Физика и химия обработки материалов. 2015. – № 5. –  С. 66-71.