ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОЙ ВОДОСТОЙКОСТИ И ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОЛИМЕР-ПОЛИМЕРНЫХ СВЯЗУЮЩИХ

АННОТАЦИЯ

В данной статье с целью повышения тепло-водостойкости и прочностных свойств рассматривается модификация мочевина-формальдегидных полимерных сведущих путем введения в их состав меламиновой и акрилонитловой смолы и реакционноспособные соединения. Показаны путем выявления оптимальных соотношений мочевиноформальдегидной, меламиновой и акрилонитриловой смолы и соответствующими реакционноспособными соединениями повышения тепло-водостойкости и прочности сдвига клеевых соединений на их основе, заменяющих дорогостоящего фенолформальдегидной смоль, применяемых при склеивании базальтовых волокнистых масс в производстве строительных теплоизоляционных листовых материалов.

ABSTRACT

In this article, in order to improve the heat-water resistance and strength properties, the modification of urea-formaldehyde polymeric materials is considered by introducing melamine and acrylonitic resins and reactive compounds into their composition. Shown by identifying the optimal ratios of urea-formaldehyde, melamine and acrylonitrile resins and the corresponding reactive compounds in increasing the heat-water resistance and shear strength of adhesive joints based on them, replacing expensive phenol-formaldehyde resins used in gluing basalt fibrous masses in the production of building heat-insulating sheet materials.

Ключевые слова: композиционные полимер-полимерные связующие, мочевиноформалдегидная смола, меламиновая смола, акрилонитрил, реакционноспособные соеддинениа, теплостойкость, водопоглощение, прочность сдвига клеевых соединений.

Keywords: composite polymer-polymer binders, urea-formaldehyde resin, melamine resin, acrylonitrile, reactive compounds, heat resistance, water absorption, shear strength of adhesive joints.

Введение. На сегодняшний день в мире большой спрос на строительных материалах, в том числе теплоизоляционных листовых материалов, где для их изготовления требуется недефицитные полимерные связующие с высокими физико-химическими, тепло-водостойкими и другими эксплуатационными свойствами. [1,2].

В связи с этим одна из важных задач в этом направлении является разработка композиционных полимерных связующих и клеевых материалов на их основе из местного и вторичного сырья с высокими тепло-водостойкими свойствами для получения строительных теплоизоляционных листовых материалов и других производств.

Как известно [3-14] клеи представляют собой индивидуальные вещества или смесь органических, элементоорганических или неорганических соединений, которые обладают хорошей адгезией, когезионной прочностью, достаточной пластичностью и долговечностью в условиях применения и способных утверждаться с образованием прочных клеевых соединений

В мире большое значение имеют научные исследования по созданию эффективных и дешёвых строительных материалов, в том числе композиционных полимерных связующих и клеевых материалов на их основе из местного сырья и отходов промышленных производств с высокими тепло-и водостойкими свойствами, применяемых при производстве строительных листовых теплоизоляционных и других материалов. Поэтому разработка и улучшение физико-химических свойствами и повышении качество композиционных полимерных связующих и клеев на их основе с высокими тепло-и водостойкими характеристиками, а также совершенствование технологии их получения на сегодняшней день приобретает особую важность.

В республике Узбекистан проводятся исследовательские работы и получены определенные результаты в области разработки композиционных полимерных связующих и клеевых материалов на их основе из местного сырья и отходов производств. Однако эти разработанные композиционные полимерные связующие недостаточно отвечают требованиям производства строительных теплоизоляционных листовых материалов, особенно на основе базальтовых волокнистых материалах выпускаемых в АО Узметкомбинате.

В этом аспекте разработка эффективных импортозамещающих композиционных полимерных связующих и клеевых материалов на их основе из местного и вторичного сырья и технологии их получения особенно тепло-и водостойкие, является актуальной проблемой.

Целью исследования является исследование возможности повышения тепло-и водостойкости мочевиноформальдегидных полимерных связующих и прочности при сдвиге клеевых соединений на их основе путем химической их модификации введениме её состав меламиновой и акрилонитриловой смолы, а также реакционноспособных соединений.

Обекты и методики исследования. Обьектом являются мочевиноформальдегидная, меламиновая и акрилонитриловая смолы, едкий натрий, хлористый цинк, уротропин, хлористый аммоний, и композиции на их основе, а также клея К-153.

Физико-механичесие теплостойкость водопоглошение а прочности на сдвих клеевых соодиноний, свойства разработываемых композиционных полимерных связующих были определены обще известными методами [4-8], разрешенных в страна к СНГ.

Результаты и обсуждение исследования. Для проведения исследования в области химической модификации с целью повышения тепло-и водостойкости мочевиноформальдегидного полимерного связующего нами были выбран акрилонитрилов смоля, имеющие высокие теплостойкости, и меламиновая смола, имеющие высокие водостойкости, а также реакционноспособные соединения.

В соответствии с развиваемыми представлениями необходимо было выяснить влияние меламина и полиакрилонитрила на процесс структурообразования композиции и, в конечном счете, на тепло-водостойкость мочевиноформальдегидного полимерного связующего.

Далее с целью выявления эффективного отвердителя были исследованы теплостойкости разрабатываемых полимер-полимерных композиций., отвержденных различными реакционноспособными соединениями, на примере мочевиноформальдегидной и полиакрилонитриловой композиции. Теплостойкость полимерных композиций были исследованы по методики [1,2].

На таблице 1 приведение значение теплостойкости полимер-полимерных связующих- клеев в зависимости от соотношения мочевино-формальдегидной смолы (МФС) и полиакрилонитрила (ПАН) отвержденных при различными реакционноспособными соеденениями.

Как видно из таблицы 4.4 теплостойкости композиционных связующих с увеличением содержание полиакрилонитрила в составе мочевина-формальдегидной смели монотонно повышается. Высокие значение теплостойкости полимер-полимерных композиций наблюдается в следующем соотношениях мочевиноформальдегидной смолы и полиакрилонитрила от соотношения 50:50 до соотношения 10:90. При соотношении 50:50 композиции имеет 250 ⁰С-256 ⁰С ; при 40:60 - 260 ⁰С- 275 ⁰С; при 30:70 - 286 ⁰С-292 ⁰С; при 20:80 - 292 ⁰С-306 ⁰СС; при 10:90 -300⁰С 326⁰С, что в полнее отвечает требованием производства теплоизоляционных листовых материалов на основе базальтовых волокнистых материалов.

Таблице 1.

Теплостойкость рассматриваемых композиционных полимер-полимерных связующих в зависимости от соотношения мочевино-формальдегидной смолы (МФС) и полиакрилонитрила при различны отвердителей

При этом можно отметить, что теплостойкости у вес рассмотренных полимер-полимерных композиционных связующих-клеев, отвержденных различными реакционноспособными соединениями катализаторами, незначительными изменениями находится, в основнем, в одинаковых пределах. Однако необходима отметит, что по стои мости они существенно различается. Так, цена 1 кг едкой натрия стоит 19,500 сум или 150 руб (flagma.uz), хлористый цинк-80,000 сум или 400 руб (flagma.uz), уротропин-40,000 сум или 200 руб (flagma.uz), хлорисый аммоний-20,000 сум или 100 руб (flagma.uz) на 10.07.2022 год.

Учитывая экономической точки зрения для получения мочовно-полиакрилонитрил-формальдегидных композиционных полимерных связующих-клеев нами были в дальнейшем использованы в качестве отвердителя катализатора при отверждении хлористый аммоний. (температуре 120⁰С и время 2 ч).

Исследованием установлено, что наилучшие и теплостойкие свойства, а также низкие водопоглошение у композиционных материалов на основе мочовино-формалдигиной смолы и полиакрилонитрила наблюдутся при их соотношении 50 на 50 и 60 на 40 масс.ч а также композиционные связущие на основе мочовино-формалдигиной смолы и меламиновой смоль в 100 на 6 соотношениях, косвенные названные МФС-ПАН-1, МФС-ПАН-2 и МФС-МС-1.

В связи с этим нами в дальнейшем при длительном действии повышенной температуры были исследованы теплостойкости разрабатываемых композиционных материалов марок МФС-ПАН-1, МФС-ПАН-2, МФС-МС-1 и общеизвестного клея К-153, российского производства.

В таблице 2 показаны сравнительные данные теплового старения композиционных клеевых соединений на основе клея К-153 и разрабатываемые нами композиционные полимер-полимерные связующие клея МФС-ПАН-1, МФС-ПАН-2 и МФС-МС-1.

Таблица 2.

Сравнительные данные теплового старения клеевых соединений в композиционных полимер-полимерных клеях при температурах эксплуатации до 60⁰С

При рассмотрении композиционных клеев, как видно из таблицы 1, при температуре 60⁰С в течение 500 часов, наилучшие результаты показали созданные нами композиционные полимер-полимерные связующие клеи марки МФС-ПАН-1 и МФС-ПАН-2.

Так прочность на сдвиге К-153 при исходном состоянии находится в пределах 9,7 МПа, а клея МФС-ПАН-1 составляется 18,0 МП. Композиционные полимер-полимерные клеи МФС-ПАН-1 и МФС-ПАН-2 находятся в пределах 31,0 МПа и 30,0 МПа. До и после испытания в переделах минусового градуса -60 ⁰С и плюсового +60 ⁰С теплостойкость незначительно снижается.

Например, при испытании +60 ⁰С теплостойкость клея К-153 находится в 8,9 МПа, а МФС-ПАН-1-16,2 МПа. Прочность на сдвиге разработанных композиционных полимер-полимерных клеев МФС-ПАН-1 и МФС-ПАН-2 находится в пределах 30 МПа и 28 МПа соответственно. Это вполне  может отвечать требованиям производства теплоизоляционных базальтовых листовых материалов в условиях АО «Узметкомбината».

Следует отметить, что при длительном действии повышенной температуры на клеевые соединения происходит изменение прочности вследствие термической или термоокислительной деструкции, или же вследствие действия термических напряжений из-за разности коэффициентов линейного расширения склеиваемых материалов и клея. Последние обстоятельство является большей частью решающим при эксплуатации клеевых соединений в условиях низких температур или резкого температурного перепада. Если склеиваемые материалы при действии температуры высыхают и при этом деформируются, то также возникают напряжения (влажностные), которые могут быть более губительными, чем термические. Поэтому очень важно выяснить преимущественный механизм старения.

Общие закономерности, проявляющихся при тепловом старении клеевых соединений, сводятся в основном к следующему.

Жесткие сильно сшитые полимеры наиболее стойки к термокислотному  но в процессе теплового старения испытывают наибольшие перенапряжения, что позволит к значительному снижению прочности при малой потере массы. Более редкие или эластичные связи способствуют релаксации перенапряжений. То же эффект достигается при нанесении под жесткий клей эластичных полимерных грунтов.

При длительном действии повышенной (а иногда пониженной) температуры может изменяться характер поверхности склеиваемых материалов.

Были также исследованы водопоглощения разрабатываемых полимер-полимерных композиций в зависимости от времени делительного пребывания в воде.

На рисунке 1 приведены результаты исследований зависимость водопоглощения разработанных модифицированных полимер-полимерных композиционных связующих-клеев от продолжительности времени длительного пребывания их образцов в воде в течение 40 суток.

Рисунок 1. Зависимость водопоглощения полимер-полимерных композиций от времени пребывание образца в воде при различных соотношениях мочевиноформальдегидной смолы и полиакрилонитрила

Соотношение мочевиноформальдегидной смолы с полиакрилонитрилом в следующем: 1-90:10; 2-70:30; 3-50:50; 4-40:60; 5-10:90; 6-100 масс.ч МФС:6 масс.ч меламин

Как видно из рисунка 1 у всех рассмотренных образцов 90:10; 70:30; 50:50; 30:70 и 10:90 наблюдается, что вода поглощение повышается при увеличении времени выдержки образцов в воде. При этом наименьшие водопоглощение наблюдает у образцов при соотношении МФС и ПАН 50:50; 40:60 и 10:90.

Как видно из кривых 3,4,5,6 рисунка 1 степень водопоглощения образцов во всех случаях увеличивается и в течении 30 дней . При дальнейшем пребывании в воде водопоглощение образцов сильно замедляется и практически сохраняется на этом уровне до 40 дней пребывания в воде, то есть увеличение водопоглощения не происходит.

Для сравнения параллельно была исследована водостойкость композиции при соотношении МФС и ПАН под номером 1 и 2 .Как видно из кривых 1 и 2 водопоглощение у этих образца резко отличается от модифицированных образцов и находится в области 30% и 22 % соответственно.

Были исследованы клеевые способности полимерных композиции МФС-ПАН-1, МФС-ПАН-2, МФС-МС-1 и клея К-153.

В таблице 2 приведены изменения прочности при сдвиге клеевых соединений на указанных полимерных композиционных связующих со стеклом после выдержки в воде 30 суток при нормальной температуре 20 -22⁰С в складских условиях в течение 5 месяцев и на открытой площадке в течение также 5 месяцев при температуре испытания 20-22 ⁰С.

Таблица 2.

Изменение прочности при сдвиге клеевых соединений стекла после выдержки 30 суток в воде, в складе

Как видно из таблицы 2, что порочность присдиге при нормальных температурах 20⁰-22С клеевые соединения на основе К-153 и модифицированные композиционные полимерные клеев МФС-ПАН-1, МФС-ПАН-2 и МФС-МС-1 в течение 30 суток в воде снижается на 20% и 10%, 6% и 5% соответственно. Отсюда видно, что прочности сдвига композиции МФС-ПАН-1, МФС-ПАН-2 и МФС-МС-1 лучше сохранятся в воде по сравнению клея  К-153, а в складских условиях и на открытой площадке у композиций МФС-ПАН-1 и МФС-ПАН-2 прочности при сдвиге несколько лучше чем клея  К-153.

Выводы

Были исследованы влияние различных реакционноспособных соединении (едкий натрий, хлористый цинк, уротропин и хлористый аммонии) на процессе отверждение композиционных связующих на основе мочевина-формальдегидной смолы и полиакрилонитрила при различных их соотношениях. При этом установлен, что теплостойкость полимер-полимерные композиционные связующие-клее, отверженные указанными отвердителями, незначительными изменениями находится, в основном, в одинаковых пределах. Учитывая экономической точки здания для проведения дальнейшего исследования в качестве отвердителя нами были выбраны хлористой аммоний.

Установлено, что при длительном действии повышенной температуры на клеевых соединений на основе полимерных связующих К-153, МФС-МС-1, МФС-ПАН-1, МФС-ПАН-2 наилучшие результаты показали композиционные полимер-полимерные связующие-клеи на основе МФС-ПАН-1 и МФС-ПАН-2

Были исследованы водостойкости рассматриваемых полимерные связующие на основе полимерного связующего МФС-ПАН при их различных соотношениях. При этом наименьшее водопоглощение наблюдается у образцов полимерных композиционных связующих при их соотношении МФС и ПАН 50:50, 40:60 и 10:90.

Установлено, что среды исследованных композиционных полимерных клеевых соединений со стеклом при выдержки 30 стук в воде прочности сдвига композиции на основе МФС-ПАН-1 и МФС-ПАН-2 и МФС-МС-1, лучше сохранятся в воде по срыванию клея К-153, а в складских условиях и на открытой площадке у композиций МФС-ПАН-2 и МФС-МС-1 прочности при сдвиге таких несколько лучше чем клея К-153.

Таким образом, экспериментальным исследованием установлено, что среди композиционных полимер-полимерные связующих марка клеев на основе модифицированных мочевина-формальдегидных смолы и клея К-153 наилучшие тепло-и водостойкости и прочности на сдвиге в воде разработанные композиционные связующих клеи марки МФС-ПАН-2, МФС-ПАН-1 и МФС-МС-1.

Список литературы:

1. Сухарев М.Ф. Производство теплоизоляционных материалов и изделий. Учебник для подготовки рабочих на производстве М., «Высшая школа»,1969, 304 с.;
2. Горяйнов К.Э., Коровникова В.В. Технология производства полимерных и теплоизоляционных изделий. М., «Высшая школа»,1975, 296 с.
3. Иванова З.Г.,Соболевский М.В.В кн.: Клеи и технология склеивания. Под ред Д.А. Кардашова. М., Оборонгиз.1980,с.98
4. Саболевский М.В., Кардашов Д.А., Хрипунов М.А. В кн.: Клеи и технология склеивания, Под ред. Д.А.Кардашова М., Оборонгиз.1980,с.139
5. Соловьева В.Н., Кардашов Д.А В кн.: Клеи и технология склеивания. Под ред Д.А. Кардашова. М., Оборонгиз.1980,с.115
6. Вабаоя Ю.Ф., Кийслер К.Р. В кН.: Синтез феноло-формальдегидных клеевых смол и старение клеевого соединения. Таллин, изд. Таллинского политехнического института, 1981, -.56 с.
7. Темкина Р.З. Технология синтетических смол и клеев. М., «Лесная промышленность», 1985. - 287 с.
8. Кардашов Д.А. В кн.: Феноло-формальдегидные смолы и клеи на их основе. Таллин, изд.Таллинского политех. Ин-та, 2004, - 412 с.
9. Бурындин В.Г., Глухих В.В. Синтез, свойства и применение карбамидоформальдегидного предконденсата: моногр. / Урал. гос. лесотехн. унт. Екатеринбург, 2010. - 77 с.
10. Романов Н. М. Химия карбамидо- и меламиноформальдегидных смол / Н. М. Романов. - М.: ООО «АдванседСолюшнз», 2016. - 528 с.
11. Tadashi Ashida & Mitsukazu OchiStructure and adhesive properties of epoxy resins modified with acrylicparticles // Journal Of Adhesion Science And Technology. V. 11, 2007 - Issue 4, pp. 519-530.
12. Abolfazl Tutunchi, Rahman Kamali & Abbas Kianvash. Adhesive strength of steel–epoxy composite joints bonded with structural acrylic adhesives filled with silica nanoparticles // Journal Of Adhesion Science And Technology.  V. 50, 2015 - Issue 4, рр.564-572.
13. M.G. Babakhanova, K.S. Negmatova, S.U. Sultonov, M.A. Babakhanovа, Investigation of the influence of fillers on the adhesive properties of composite polymer coatings Thematics Journal of Chemistry ISSN 2250-382X Vol. 6 No. 1 (2022)  SJIF 2022: 4.582 C:12-16 https://doi.org/10.5281/zenodo.6562755