Исследование на основе металлосодержащих эпоксидных связующих для композиционного материала

На сегодняшний день эпоксидные олигомеры и композиционные материалы на их основе широко применяются в строительстве и в транспортной промышленности в качестве клеев и полимерных композиций. Однако при высокой температуре и в присутствии огня эти материалы приходят в негодное состояние [2, с. 6-8]. Для увеличения огнестойкости, тепло- и термостойкости полимерных композиционных материалов на основе эпоксидных олигомеров нужно модифицировать эти эпоксидные соединения с фосфор- и азотсодержащими антипиренами [3, с. 339-340].

Выбор модифицирующих соединений для реакционноактивных олигомеров является одной из важных задач при разработке связующих. Полимеркомпозиционные материалы на основе модифицированных эпоксидных смол должны обладать высокими эксплуатационными и физико-механическими свойствами, при этом вклад полимерной матрицы является существенным, поскольку связан с ее способностью диссоциировать механическую нагрузку, накладываемую на полимеркомпозиционные материалы [1, с. 31-33].

Поэтому с целью получения полимерных матриц с высокими прочностными свойствами, а также с высокой теплостойкостью перспективным является применение гибридных связующих, с образованием полу- или взаимопроникающей сетчатой структуры.

В работе использовались физико-химические методы определения новых полифункциональных металлосодержащих эпоксидных связующих на основе мочевины, эпихлоргидрина и диоксиметилена кальция и ее композитов в высоконаполненных полимерных строительных материалах.

Изучен синтез новых металлосодержащих эпоксидных связующих, определены оптимальные режимы получения олигомеров и их ИК-спектры.

Физико-химические свойства синтезированного олигомера на основе эпихлоргидрина с диоксиметиленом кальция марки МФЭ показаны в таблице 1.

Таблица 1.

Физико-химические показатели олигомера МФЭ

Как видно на ИК-спектре, полосы поглощения в области 2850 см-¹ принадлежат валентным колебаниям связей металлосодержащего олигомера, а также имеются полосы поглощения в области 1340см-¹, подтверждающие наличие -СН₂-групп, соответствующие углерод- и водородсодержащим группам.

Наилучшим доказательством наличия амина является появление в спектре широкой сильной аммонийной полосы в интервале 3000-2200см^-1 после обработки этого соединения минеральной кислотой, появляются полосы поглощения в интервале 3350-3300см-¹, соответствующие R-NH-R-содержащим группам.

Полосы поглощения в области 1650см-¹ подтверждают наличие в свободном состоянии –СОNH₂-групп и полосы поглощения в интервале 3300-3440см-¹, соответствующие вторичным –СОNHR-группам. ИК-спектр содержит полосы поглощения в интервале 3000-3300см-¹, соответствующие эпоксидному кольцу, и полосы поглощения в интервале 750-950 см-¹, асимметричные валентным колебаниям кольца. Полосы поглощения в областях 800 и 1600см^-1 подтверждают наличие –NH₂-групп. Кроме того, на ИК-спектре в областях 800 см^-1 и 1460 см^-1 появляются узкие малоинтенсивные полосы, содержащие связи металла (рис. 1).

Рисунок 1. ИК-спектр эпоксидного олигомера на основе металлосодержащих олигомеров марки МФЭ

Создание новых эффективных эпоксидных смол остается актуальным. Синтезированы новые полифункциональные эпоксидные олигомеры на основе металлосодержащих олигомеров марки МФЭ, при совместном введении которых в олигомерные связующие наблюдается синергический эффект.

Для получения композиционного материала на основе эпоксидных олигомеров использовался минерал каолин из разных месторождений, измельченный на шаровой мельнице до фракции ≤ 50 мкм, в качестве связующего использовали металлосодержащие олигомеры марки МФЭ и полиэтилен низкой плотности (ПЭВД) марки F-0220S. Количество наполнителя в композиции составляло 40 масс. ч., данное количество является оптимальным для композиций на основе МФЭ и полиэтилена, что доказано в данных работах. Влияние наполнителя каолином оценивали по изменению физико-механических и химических характеристик.

Оценка реологических свойств, полученных с помощью показателя текучести расплава (ПТР), показала, что текучесть композиции повышается и разработанные композиции можно перерабатывать методом литья под давлением (табл. 2).

Таблица 2.

Результаты исследования показателя текучести расплава композиции в зависимости от ее состава

Полученная на основе каолина и МФЭ с ПЭНП композиция исследована с помощью электронно-микроскопического и элементного анализов. Количество каолина составляет в композиции 40% от массы связующего. С помощью электронной микроскопии можно наблюдать структурирование.

И еще, с помощью электронной микроскопии можно определить распределение каолина в структуре композиции. При испытании образец сначала был закреплен в держатель, потом образец покрыли до 5 нм золотым порошком. Для определения был использован прибор QUORUM Q150 RS.

Получены композиции на основе каолина и МФЭ с полиэтиленом низкой плотности, которые характерны для соединений с металлосодержащими олигомерами марки МФЭ. На рисунке 2 видно, что на структуре полимерной композиции можно наблюдать расположение и распределение разных элементов в одинаковых слоях. На рисунке показаны результаты электронно-микроскопических анализов композиций на основе металлсодержащих полимеров.

Рисунок 2. Результаты электронно-микроскопического анализа

На рисунке 3 можно наблюдать отдельное и совместное распределение металла на поверхности полиэтилена, а также хорошую смешиваемость композиций. Результаты электронной микроскопии и элементного анализа показывают, что композиции обладают наилучшей смешиваемостью с полимерами. В связи с этим можно сделать вывод, что полиэтиленовая композиция, полученная с добавлением металлсодержащих эпоксидных олигомеров, имеет наилучшие результаты по сравнению с другими композициями.

Рисунок 3. Результаты элементного анализа

На рисунке 3 можно видеть количество элементов, содержащихся в полученной нами композиции. Разнообразие и количество металлов объясняются наличием каолина в композиции. Количество кальция в композиции определяется двумя компонентами – каолином и диоксиметиленом кальция в МФЭ, так как оба компонента содержат в себе кальций, большая часть которого принадлежит МФЭ.

Вывод. Выявлена возможность применения каолина в качестве наполнителя для металлосодержащих эпоксидных олигомеров и полиэтиленовой матрицы. Определено, что получение композитов на основе каолина и МФЭ с полиэтиленом низкой плотности позволяет повысить весь комплекс физико-химических и эксплуатационных характеристик, а также улучшить показатели тепло-, термо- и огнестойкости композиций.