ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭПОКСИУРЕТАНОВОГО ПОЛИМЕРА

АННОТАЦИЯ

В статье изучено влияние температуры на реологические и деформационные свойства уретан-эпоксидной бикомпонентной полимерной системы. Применен термомеханический метод анализа для определения температуры размягчения, температуры перехода на высокоэластическое состояние и температурного интервала инверсии деформации уретан-эпоксидного полимера.

ABSTRACT

The article studies the effect of temperature on the rheological and deformation properties of a urethane-epoxy bicomponent polymer system. A thermomechanical analysis method was applied to determine the softening temperature, the transition temperature to the highly elastic state, and the temperature range of strain inversion of the urethane-epoxy polymer.

Ключевые слова: эпоксиуретановый полимер, термореактивный полимер, термомеханика реактопласта.

Keywords: epoxyurethane polymer, thermosetting polymer, thermomechanics of thermoplastic.

В настоящее время возрастает значение полимерных композиционных материалов в производстве деталей конструкций со специальными свойствами. В качестве основы или матрицы таких материалов целесообразно использовать термореактивные форполимеры [10; 13]. Благодаря тому что термореактивные полимеры имеют трехмерную тканую надмолекулярную структуру, они отличаются высокой термостойкостью, стойкостью к химическим воздействиям, ударопрочностью, стойкостью к агрессивным средам от термопластичных полимерных материалов [2; 14]. Композиционные полимерные материалы на основе реактопластов часто применяются на местах, где повышенная температура. Поэтому возникает необходимость изучать зависимость механических свойств этих полимеров от температуры. Одним из способов изучения механических свойств полимеров при высоких температурах является термомеханический анализ.

Термомеханический анализ термореактивных полимеров позволит понять надмолекулярную структуру полимера, изменение или перемещение межмолекулярных фрагментов, входящих в термореактивную надмолекулярную структуру, позволяет проследить типы межмолекулярных фрагментов надмолекулярной системы термореактивного полимера при повышении температуры [1]. Термомеханический анализ более наглядно демонстрирует эксплуатационные свойства деталей из реактопластов или композиционных материалов на основе термомеханических полимеров. Термомеханические анализы выполняются путем получения термомеханических кривых в термомеханическом анализаторе [4].

В настоящее время на научно-технической базе Ташкентского научно-исследовательского института химической технологии проводятся термомеханические анализы образцов эпоксидных полимеров, полиуретанов, уретан-эпоксидных двухкомпонентных полимерных систем и других полимерных композиций термореактивного или термопластичного структурного характера [18; 5]. В институте также синтезированы уретан-эпоксидные двухкомпонентные полимерные системы, обладающие высокими свойствами адгезии, механической прочности, химической стабильности эпоксидных полимерных материалов, а также высокой упругой деформацией, стойкостью к трению и истиранию уретановых полимеров. Полученные полимерные системы взаимозаменяемы с органическими и неорганическими наполнителями [17; 16]. Способ получения олигомеров, содержащих уретановые группы, исключает применению ди- или полиизоцианатов в качестве основного сырья для получения уретановых групп [3; 7]. Ди- или полиизоцианаты являются высокотоксичными химическими веществами, так как для получения этих веществ применяется фосген [9; 11]. В отличие от этого традиционного способа, новый безизоцианатный способ особо отмечается тем, что он является экологически безвредным и безопасным для человеческой жизни [6].

Целью данной работы является исследование термомеханических свойств уретан-эпоксидной бикомпонентной полимерной системы, синтезированной в Ташкентском научно-исследовательском институте химической технологии. Для достижения поставленной цели необходимо провести термомеханическое исследование образцов эпоксиуретанового полимера и построить термомеханическую кривую по полученным данным.

Исследование термомеханических свойств эпоксиуретанового полимера проведено на консистометре Хепплера [12]. Использованы образцы в виде цилиндров диаметром 10 мм и высотой 15 мм. Образцы нагружены усилием 40 Н. Скорость нагрева образца установлена 2 К/мин.

На рисунке 1 показана термомеханическая кривая образца уретан-эпоксидной бикомпонентной полимерной системы. Образец нагревается до 185 °С под постоянным усилием 0,5 Н/мм².

Рисунок 1. Термомеханическая кривая эпоксиуретанового полимера

Т – температура, °С; l – деформация, мкм; а – точка начала размягчения, мкм; б – точка перехода в высокоэластическое состояние; в – точка начала инверсии деформации; г – конец обратной деформации

Проведенный термомеханический анализ эпоксиуретанового полимера, позволявший снять термомеханическую кривую, показывает, что образец начинает размягчаться при температуре 72 °С. Начало размягчения образца отражается в точке а термомеханической кривой. При температурном интервале 72–135 °С образец деформируется, величина деформации составляет 130 мкм. Продолжение повышения температуры приведет к переходу образца эпоксиуретанового полимера в высокоэластическое состояние. Очередным температурным переходом термопластичного полимера при продолжении повышения температуры после приобретения образца размягченного состояния является температура плавления образца. Но в отличие от термопластичного полимера у термореактивных полимеров следующий температурный переход термореактивного полимера при продолжении повышения температуры после приобретения образца размягченного состояния является температура перехода образца в высокоэластическое состояние [8]. Этот переход от размягченного в высокоэластическое состояние на образце эпоксиуретанового полимера происходит при температуре 135 °С. Этот переход состояния образца отражается в точке б термомеханической кривой на рисунке 1. Между точками б и в происходит повышение температуры от 135 до 154 °С, но при этом наблюдается неизменность деформации образца при повышении температуры. Это значит, что при температурном интервале 135–154 °С эпоксиуретановый полимер будет в высокоэластическом состоянии. Сам участок между точками б и в термомеханической кривой называется платом высокоэластики [15].

Следующий участок термомеханической кривой – это интервал между точками в и г. На этом участке происходит отклонение кривой от плато высокоэластики, то есть наблюдается инверсия деформации образца. Величина инверсии деформации составляет 40 мкм, или 28%. Это значит, что образец эпоксиуретанового полимера, деформированный под постоянной нагрузкой и при высокой температуре, восстанавливает первоначальную форму на 28%. Инверсия деформации образца происходит при температурном интервале 154–185 °С.

В таблице 1 изложены полученные данные по термомеханическому исследованию эпоксиуретанового полимера. Проведение термомеханического анализа дало возможность установить величины температурных характеристик синтезированного эпоксиуретанового полимера.

Таблица 1.

Термомеханические параметры эпоксиуретанового полимера

По итогам экспериментов получены данные, которые показали зависимость деформационных свойств уретан-эпоксидного двухкомпонентного полимера от температуры его окружающей среды. Построенная термомеханическая кривая по полученным данным термомеханического анализа показала, что у нового эпоксиуретанового полимера переход на размягченное состояние начинается с 72 °С. Наличие плато высокоэластики на термомеханической кривой свидетельствует о том, что новый полимер имеет густосетчатую надмолекулярную структуру, то есть полимер имеет термореактивный характер.

Список литературы:

1. Блазнов А.Н., Атясова Е.В., Самойленко В.В. Анализ методов термомеханических испытаний композитных материалов и сравнение результатов // Южно-Сибирский научный вестник. – 2017. – № 1. – С. 54–69.
2. Бурдонов А.Е. Кинетические особенности вспенивания термореактивных полимеров при получении теплоизоляционных материалов в присутствии минерального наполнителя // Инженерно-строительный журнал. – 2014. – № 3. – С. 9–16.
3. Джалилов А.Т., Киёмов Ш.Н. Уретан-эпоксидные термореактивные полимерные системы в качестве антифрикционного материала // Булатовские чтения. – 2020. – Т. 5. – С. 76–78.
4. Загальская А.Я., Крючков А.А., Степанова Т.А. Термомеханический анализ как метод определения степени сшивания полиэтилена // Кабели и провода. – 2017. – № 4. – С. 16–19.
5. Киёмов Ш.Н., Джалилов А.Т. Адгезия эпоксиуретанового полимера по металлу // Universum: технические науки. – 2020. – № 9-2 (78). – С. 78–80.
6. Киёмов Ш.Н., Джалилов А.Т. Трибология эпоксиуретанового полимера // Universum: технические науки. – 2019. – № 6 (63). – С. 87–90.
7. Киёмов Ш.Н., Джалилов А.Т. Уретановый олигомер ОУ-400 // Universum: технические науки. – 2020. – № 7-2 (76). – С. 68–71.
8. Крыжановский В.К. Физические и технологические аспекты использования термомеханических кривых полимеров // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). – 2015. – № 31 (57). – С. 59–63.
9. Насырова Ю.М. Получение полиуретана неизоцинатным способом // Инновационная наука в глобализующемся мире. – 2017. – № 1. – С. 65–68.
10. Осипчик В.С., Костромина Н.В. Разработка термореактивных полимерных связующих для композитов с улучшенными эксплуатационными свойствами // Актуальные вопросы теории и практики применения композитной арматуры в строительстве. – 2016. – С. 10–14.
11. Получение полиуретановой пены и исследование ее плотности и пенообразующей способности в зависимости от содержания жидкости / А.Е. Яковлева [и др.] // Воронежский научно-технический вестник. – 2014. – Т. 3, № 3. – С. 102–105.
12. Прикладная физика полимерных материалов / В.К. Крыжановский, В.В. Бурлов. – СПб. : СПбГТИ (ТУ), 2001. – 261 с.
13. Способ переработки отходов, содержащих термореактивные полимеры / В.С. Загайнов [и др.]. – 2016.
14. Утилизация термореактивных полимеров на основе эпоксидной смолы путем термического сольволиза в среде каменноугольного пека с получением химического сырья / А.С. Кабак [и др.] // Химия в интересах устойчивого развития. – 2018. – Т. 26. – С. 135–140.
15. Improved method for determining the glass transition temperature of highly cross-linked polymers by thermomechanical means / V.K. Kryzhanovskii [et al.] // Polymer Science Series D. – 2012. – Т. 5, № 3. – P. 190–194.
16. Jalilov A.T., Kiyomov S.N., Kiyomova N.N. Adhesion of epoxyurethane reactoplasts // Scientific Bulletin of Namangan State University. – 2020. – Т. 2, № 5. – P. 46–51.
17. Jalilov A.T., Tillayev A.T., Kiyomov S.N. Materials for friction units based on urethan-epoxy bicomponent systems // Scientific Bulletin of Namangan State University. – 2020. – Т. 2, № 7. – P. 42–46.
18. Lavrov N.A., Kiyomov S.N., Kryzhanovsky V.K. Properties of filled epoxy polymers // Plasticheskie massy. – 2019. – № 1–2. – P. 37–39.