В настоящее время в различных отраслях промышленности широко используют полимерные композиты на эпоксидной основе. Механические свойства таких композитов зависят от рационального выбора исходных компонентов, технологии их совмещения и температурно-временных режимов формирования, что обеспечивает интенсивные межфазные процессы при сшивании материалов. Для повышения показателей адгезионных, физико-механических, антикоррозионных свойств и износостойкости материалов в связующее вводят модификаторы, наполнители различной дисперсности и природы. При этом важное значение имеет исследование механизма структурообразования модифицированной эпоксидной матрицы. Именно процессы межфазного взаимодействия при сшивании матрицы, как одного из основных компонентов полимера, являются определяющими при формировании структуры материалов и, как следствие, их физико-механических свойств [1].
Следует отметить, что при разработке полимерных композиционных материалов (ПКМ) и формировании защитных покрытий из них, использование химических модификаторов является одним из наиболее эффективных способов повышения эксплуатационных характеристик композитов.
В связи с этим целью настоящей работы являлось изучение структурных особенностей и свойств композиционных материалов на основе эпоксидного связующего и гидратцеллюлозного волокна, модифицированного АГМ-9 и Duron OS 3151. Объектами исследования являлись гидратцеллюлозное волокно (ГЦ) – ГОСТ 10546-80; композиционный материал на основе эпоксидной смолы марки ЭД-20 (ГОСТ 10587-93), отверждённый полиэтиленполиамином (ПЭПА) – ТУ 6-02-594-85. В качестве модификаторов использовали: АГМ-9 (3-аминопропилтриэтоксисилан) ТУ 6-02-724-77; Duron OS 3151 (смесь гликолевых эфиров жирных кислот). В работах [2-4] были представлены данные об активном влиянии исследуемых модификаторов на физико-механические свойства ГЦ волокон, а также на адгезионные и структурные характеристики обработанных волокнистых систем. На основании проведённого анализа для дальнейших исследований были выбраны следующие режимы обработки ГЦ волокон водными растворами модификаторов: концентрация в ванне 5%, продолжительность модификации 60 секунд.
В работе [5] приведена сравнительная оценка технологических свойств полимерного композиционного материала, полученная на основе химических особенностей отверждения термореактивного связующего ЭД-20 в присутствии модифицированных ГЦ волокон. При этом анализ данных показываетактивное влияние модифицированных волокон на процессы структурообразования в полимерной матрице, очевидно, за счёт введения новых функциональных групп.
Для определения природы химических связей, которые возникают при структурообразовании матрицы, использовали метод ИК-спектроскопии (рис.1) [6-7].
Рис.1 ИК-спектры: 1- ЭД-20 + ГЦ волокно; 2-ЭД-20+ГЦ волокно+DuronOS 3151;
3-ЭД-20+ГЦ волокно+АГМ-9
Исходя из результатов приведённых исследований установлено, что в ИК спектрах образцов ПКМ на основе модифицированных волокон наблюдается уменьшение пика, который соответствует валентным колебаниям групп – ОН в области 3407 см-1 (кривая 2, 3) по сравнению с образцами ПКМ на основе исходного ГЦ волокна (кривая 1).
В спектре ЭД-20+ГЦ волокно+DuronOS 3151 в области 1300 см-1 наблюдается наличие пика, соответствующего деформационным колебаниям функциональной группы СОО (кривая 2), а для спектра ЭД-20+ГЦ волокно+АГМ-9 характерно наличие интенсивного пика в области 800-850 см-1, соответствующего деформационным колебаниям функциональной группы SiOCH3 (кривая 3).
Наличие функциональных групп, подтверждённых данными ИКС, способствует улучшению физико-химической совместимости в системе ЭД-20-модифицированное ГЦ волокно, что и обеспечивает повышение эксплуатационных свойств разработанных композитов (таблица 1).
Таблица 1
Сравнительная оценка прочностных свойств ПКМ на основе модифицированных ГЦ волокон
|
Состав композита |
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа |
Разрушающее напряжение при изгибе, МПа |
Твердость по Бринеллю, МПа |
|
ЭД-20 ненаполненная |
20 |
70 |
50 |
|
ЭД-20+ГЦ |
80 |
205 |
190 |
|
ЭД-20+АГМ-9 |
86 |
223 |
228 |
|
ЭД-20+ГЦ+Duron OS 3151 |
97 |
227 |
234 |
Сравнительная оценка прочностных свойств показывает, что введение в эпоксидное связующее ГЦ волокон, модифицированных АГМ-9, способствует увеличению разрушающего напряжения при растяжении на 6 МПа, разрушающего напряжения при изгибе – на 18 МПа, твёрдости по Бринеллю – на 38 МПа. Армирование ЭД-20 модифицированным DuronOS 3151 ГЦ волокном повышает разрушающее напряжение при растяжении - на 17 МПа, разрушающее напряжение при изгибе - на 22 Мпа, твёрдости по Бринеллю – на 44 Мпа.
Кроме того, при армировании ЭД-20 исследуемыми волокнистыми системами наблюдается равномерное распределение ГЦ волокон в связующем, что подтверждается данными оптической микроскопии (рис.2).
а) б) в) г)
Рис.2 Микрофотографии образцов а) ЭД-20; б) ГЦ волокно+ЭД-20; в) ГЦ волокно+АГМ-9+ЭД-20; г) ГЦ волокно+DuronOS 3151+ЭД-20
Таким образом, модифицирование ГЦ волокон исследуемыми модификаторами АГМ-9 и Duron OS 3151 обеспечивает улучшение структурных и прочностных свойств разработанных композитов.
Литература:
- Влияние поверхностной обработки армирующей стеклоткани на свойства стеклопластиков на основе термопластичной матрицы. II. Неполярная полиэтиленовая матрица / Ю.Н. Смирнов и др. // Пластические массы.-2002.-№10.-С.29-32.
- Изучение влияния параметров модификации на свойства ГЦ-волокон и нитей, используемых для армирования полимерных композитов / В.М. Герасимова, Н.Г. Зубова, Т.П. Устинова // Международная научно-практическая конференция «Проблемы и перспективы развития химии, нефтехимии и нефтепереработки», посвящённая 50-летию Нижнекамского химико-технологического института, Нижнекамск, 2014 г.- С. 94-96.
- Регулирование свойств ГЦ-волокон при модифицировании кремнийсодержащим аппретом / В.М. Герасимова, Н.Г. Зубова, Т.П. Устинова // IV Международная научно-инновационная молодёжная конференция «Современные твёрдофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент», г. Тамбов, 2014 г.-С.257-258.
- Изучение физико-механических и адгезионных свойств модифицированных ГЦ волокон/ В.М. Герасимова, Н.Г. Зубова, Т.П. Устинова // Всероссийская научно-практическая конференция «Получение и модифицирование синтетических волокон и нитей для инновационных материалов, композитов и изделий» («Волокна и композиты-2015»), г. Плёс Ивановская обл.,2015 г.-С.57-58.
- Сравнительный анализ эксплуатационных свойств эпоксидных композитов на основе ГЦ волокон/ В.М. Герасимова, Н.Г. Зубова // XI Международная научно-практическая конференция «Новые полимерные композиционные материалы», г. Нальчик, 2015 г.-С. 92-94.
- Инфракрасная спектроскопия полимеров / А.Н. Дель Фанти. Пер. с англ. Б.Н. Тарасевич [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.biblus.ru/Default.aspx?book=1b466g1b1 < 14.03.2014 >
- Тарасевич, Б.Н. ИК-спектры основных классов органических соединений / Б.Н. Тарасевич [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.biblus.ru/Default.aspx?book=1b466g1b1 < 14.03.2014
