Эпоксидные композиционные материалы и их влияние физико-механические свойства полимеров

АННОТАЦИЯ

В данной статье авторами проводится анализ наполнителей для полимеров, в частности, резинового порошка в качестве дополнения к смеси наполнителей, а также приводятся основные параметры создания полимерных вяжущих вязкоупругого слоя, приведены физико-механические совйства термореактивных полимеров, которые могут входит в состав наполнителей такого рода.

ABSTRACT

In this article, the authors analyze the fillers for polymers, in particular rubber powder as an addition to the mixture of fillers, as well as the main parameters for creating polymer binders of a viscoelastic layer are given, the physicomechanical properties of thermosetting polymers that can be included in the fillers of such kind of.

Ключевые слова: полимеры, структура, вибропоглащающие покрытия, наполнители, эпоксидная смола, резиновый порошок, механические свойства, прочность, композиция, полиэтиленполиамин.

Keywords: polymers, structure, vibration-absorbing coatings, fillers, epoxy resin, rubber powder, mechanical properties, strength, composition, polyethylene polyamine.

За годы независимости в Узбекистане были реализованы комплексные меры, направленные на развитие химической промышленности, особое внимание уделяется ввозу нового оборудования по производству полимерных композиционных материалов, были построены десятки предприятий государственного масштаба для обеспечения внутреннего рынка всеми необходимыми видами химической, пищевой и нефтяной продукции. Развиваются сферы по переработке полимеров, пищевых и других продуктов.

Поскольку химическая промышленность является одной из важных отраслей национальной экономики, то в утвержденной стратегии развития экономики по усилению и развитию потенциала государства на 2017–2021 годы были особо отмечены несколько отдельных направлений, касающихся развития данной отрасли.

Эта стратегия развития ускорит выход на международный рынок, увеличит экспортный потенциал страны, приведет к повышению качества продукции и ее конкурентоспособности. Новые технологии и оборудование обеспечат рынок прежде всего качественной продукцией, сделают процесс производства и переработки малоотходным, а в некоторых направлениях и вовсе безотходным, а также упростят производство, удешевят его, не допуская расхода сырья [2].

Вибродемпфирующие свойства полимеров, как и другие свойства, в первую очередь зависят от структуры полимеров. Так, например, на релаксационном спектре эпоксидного полимера (ЭД-16) обнаружен максимум, связанный размораживанием подвижности сегментов в глобулярных образованиях при 404 К, а при 413 К – вторичный максимум механических потерь, связанный с подвижностью сегментов в более упорядоченных симметрических образованиях [1]. Наличие двух максимумов механических потерь, по-видимому, обусловлено наличием гетерогенных областей в структуре эпоксидного полимера. Такое наполнение довольно широко применяется в промышленности, а также является наиболее эффективным способом для того, чтобы направленно регулировать свойства эпоксидных полимеров. В результате наполнение позволяет изменить показатели механической прочности и жесткости, химической стойкости, теплостойкости, диэлектрических свойств в лучшую сторону. Иначе говоря, наполнение полимеров – это их сочетание с любыми другими – твердыми, газообразными – веществами. Наполнители равномерно распределяются в объеме композиции и имеют четко выраженную границу раздела с непрерывной полимерной фазой (матрицей).

Для получения наполненных полимерных композиций в большинстве случаев применяют твердые тонкодисперсные наполнители с частицами сферической (стеклянные микросферы, золы-уноса), зернистой (сажа, кремнезем, древесная мука, мел, каолин), пластинчатой (тальк, графит, слюда), игольчатой (оксиды, соли, силикаты) формы, а также волокнистые наполнители (хлопок, стекловолокно, асбест, целлюлоза).

Широкий спектр наполнителей классифицируется по разным признакам, в том числе и по химическому, – органические (сажа, графит, целлюлоза, древесная мука); минеральные (каолин, кварц, асбест, оксиды металлов, мел, известняк); металлические (цинковая пыль, железный и медный порошок).

Для разработки вибропоглощающих покрытий используются различные полимеры с высокой степенью кристалличности, например, полиэтилен, политетрафторэтилен. Эпоксидные смолы, фурано-эпоксидные смолы и прочие [3].

Выбор вяжущего для вязкоупругого слоя вибропоглощающих покрытий. Теоретические исследования показали, что демпфирующие свойства вибропоглощающего покрытия определяются вибропоглощающими свойствами вязкоупругого слоя, демпфирующие свойства вязкоупругого слоя, в свою очередь, определяются свойствами полимерной матрицы. Полимерные вяжущие для вязкоупругого слоя должны отличаться рядом особенностей: они должны иметь хорошую адгезию, обеспечивать получение постоянно вязкой мастики. Температура стеклования должна располагаться в заданной температурной области работы материала. Высокая стойкость к различным агрессивным средам, для мастичных отверждаемых материалов это еще и прочность образуемого покрытия.

Физико-механические свойства некоторых термореактивных полимеров представлены в таблице 1.

 Таблица 1.

Физико-механические свойства термореактивных полимеров

Выявлено, что из всех эпоксидных смол наиболее эффективна для вибропоглощающих покрытий эпоксидная смола ЭД-20. Поэтому в качестве связующего использовали эпоксидную смолу марки ЭД-20 (ГОСТ 10587–76).

В качестве отвердителя использовали полиэтиленполиамин (ПЭПА), а в качестве наполнителей – резиновые порошки (РП), измельченные различными методами, графит, каолин, тальк, имеющие чешуйчатые структуры.

Введение наполнителей изменяет и усложняет структуру полимера, вызывая изменение всех его свойств, улучшая или ухудшая их показатели по сравнению с исходными материалами.

Анализ данных, приведенных на рисунке, показывает, что дополнительное добавление к наполненным минеральными наполнителями композициям полимерного наполнителя резинового порошка вызывает, как следовало ожидать, снижение у_А системы.

Установлено, что полимерный наполнитель – резиновый порошок уменьшает адгезионную прочность эпоксидных композиций во всем диапазоне соотношений. Судя по графикам на рис. 1, можно увидеть, как изменяется относительное удлинение при разрыве композиционных материалов с добавлением резинового порошка.

Следует отметить, что добавление в эпоксидный полимер одинарного наполнителя резинового порошка в любом количестве способствует уменьшению композиции. Это обусловлено тем, что частицы порошкообразного эластомера, обладая меньшей поверхностной энергией, чем минеральные наполнители, не оказывают влияния на процессы образования сетчатой структуры эпоксидного полимера, а, наоборот, ухудшают адсорбционное взаимодействие связующего с подложкой, и вследствие этого у_А система снижается. 

Рисунок 1. Зависимость адгезионной прочности композиции на основе олигомера ЭД-20 от содержания резинового порошка:

1 – РП; 2 – бетонит-20 + РП; 3 – каолин-20 + РП; 4 – РП + Графит-20 мас.ч.

Таким образом, показано, что влияние твердой поверхности наполнителя сопровождается уменьшением числа возможных конформаций макромолекул в межфазном слое, изменением времени релаксации, повышением или понижением температуры, а также увеличением плотности упаковки молекул.

Список литературы:
1. Аркадский А.А. Деформация полимеров. – М. : Химия, 1973. – 448 с.
2. Влияние наполнителей на физико-механические свойства эпоксидных композиционных материалов / С.С. Негматов, З.У. Мухаммаджанов, М.М. Садыкова [и др.] / Материалы международной Узбекско-Белорусской научно-технической конференции. – Ташкент, 2020. – С. 81–83.
3. Mohan T.P. Thermal. Mechanical and vibration characteristics of epoxy-clay nanocomposites / T.P. Mohan, M. Ramesh Kumar, R. Velnrirugan // Journal of materials science. – 2006. – Vol. 41. – P. 5951–5925.