В статье описывается методика проведения и результаты реализованного оптимального эксперимента по определению рационального состава компонентов полиуретановой системы. Выявлены наиболее управляемые факторы варьирования и даны практические рекомендации по формированию полимерных композиций.
Ключевые слова: технологические параметры, полиэфир, модификатор, полиуретан, экспериментальные исследования.
В современном строительстве, машиностроении и в других областях народного хозяйства постоянно увеличивается ассортимент полимерных композиций. Сочетание высокой стойкости к различным агрессивным средам (в том числе полярным органическим растворителям), термическим и механическим нагрузкам присуще главным образом полимерам на основе полиуретанов. Однако достижение всего выше перечисленного в сочетании с экономической составляющей возможно путём химической модификации полимеров, позволяющей получать продукты с необходимыми целевыми свойствами путем варьирования количеством и типами компонентов-модификаторов [1,2].
Структуру и свойства композитов на основе полиуретанов можно менять в широких пределах путем подбора соответствующих исходных веществ: изоцианатного и гидроксильного компонентов, модификаторов и пластификаторов. Полиуретаны относятся к числу полимеров, у которых возможно направленно регулировать количество продольных и поперечных связей, гибкость полимерных молекул и характер межмолекулярных связей. Что дает возможность получить на ПУ основе ценные технические материалы: жёсткие и эластичные пенопласты, антикоррозионные покрытия (Пк), синтетические клеи, компаунды, каучуки, герметики и резины, плёнки и волокна, армированные и наполненные пластики [3].
В полиуретанах помимо уретановых и мочевинных групп и сшивок часто присутствуют различные аллофанатные, биуретовые, а также изоцианураты.
Получаемый в рамках работы полиэфирный компонент помимо традиционных соединений, свойственных полиэфирам, имеется ряд сложно учитываемых активных групп таких, как свободные гидроксилы эпоксидного олигомера и вновь образовавшихся гидроксилов, в результате раскрытия эпоксидного цикла, самих эпоксидных циклов, аминных соединений МОКА и полиметилсилазана. Поэтому для выявления наиболее рационального соотношения отвердителя полиизоцианата (ПИЦ)/Модифицированный полиэфир были проведены экспериментальные исследования [3,4,5]. Для выявления оптимального количества отвердителя при различном количестве эпоксидного модификатора проводилось математическое планирование эксперимента с последующей обработкой данных на ЭВМ.
В качестве варьируемых переменных были приняты:
х1 — соотношение ПИЦ/Модифицированный полиэфир;
х2 — количество ЭД-20, масс.ч;
Для определения функциональной зависимости типа
(1)
было использовано ортогональное центральное композиционное планирование эксперимента с варьированием каждой независимой переменной на трех уровнях. Пределы варьирования факторов представлены в табл. 1
Таблица 1
Пределы варьирования переменных
|
Варьируемый фактор |
Кодовое обозначение |
Натуральные значения переменных, соответствующие кодовым |
||
|
-1 |
0 |
+1 |
||
|
ПИЦ/Модифицированный полиэфир |
х1 |
1,1/1 |
0,9/1 |
0,7/1 |
|
Количество ЭД-20, масс.ч. |
х2 |
0 |
15 |
30 |
При этом используется матрица планирования, общий вид которой приведен в таблице2. В качестве выходного параметра был исследован предел прочности при одноосном сжатии.
Таблица 2
План эксперимента определения оптимального количества ПИЦ
|
№ состава |
Матрица планирования |
Функции отклика |
|
|
Х1 |
Х2 |
R |
|
|
1 |
0 |
0 |
55,1021 |
|
2 |
1 |
1 |
49,0044 |
|
3 |
-1 |
1 |
46,8195 |
|
4 |
-1 |
-1 |
61,0922 |
|
5 |
1 |
-1 |
53,8604 |
|
6 |
1 |
0 |
54,6937 |
|
7 |
0 |
1 |
48,9159 |
|
8 |
-1 |
0 |
51,2491 |
|
9 |
0 |
-1 |
61,2445 |
Предполагаем, что зависимость предела прочности при растяжении от исследуемых факторов представлена в виде полинома второй степени. Расчет коэффициентов уравнения регрессии и их статистический анализ проводился на ЭВМ.
После обработки экспериментальных данных получены математические модели изменения предела прочности при одноосном сжатии от количества ЭД-20 модифицированного полиэфира и соотношения ПИЦ/Модифицированный полиэфир.
Уравнение полученной зависимости имеет вид:
R=55,2156–0,2671X1–5,2429X2–2,3010X1 2 + 2,3542X1X2–0,1921X22, (2)
Приемлемость полученных уравнений подтверждена проверкой гипотезы адекватности по критерию Фишера.
Результаты планирования представлены на рисунке 1.
Рис. 1. Изменение предела прочности при растяжении полиуретановых композитов с разным количеством ЭД-20 от количества ПИЦ
Экспериментально установлено, что при варьировании (в пределах оптимальной зоны) количеством отвердителя — полиизоцианата приводит к изменению физико-механических свойств отвержденных полиуретанов, в частности предела прочности при одноосном сжатии. Выявлено, что оптимальное количество отвердителя (ПИЦ) составляет 80…110 % от количества модифицированного полиэфира. Введение большего количества полиизоцианата приводит к избытку изоцианатных групп, которые в конечном итоге реагируя с влагой окружающей среды, приводят к снижению прочностных характеристик. Меньшее количество ПИЦ приводит к образованию непрореагировавших, то есть свободных гидроксильных и эпоксидных соединений, которые негативно влияют на прочностные характеристики композита, а в последствии являясь активными и неустойчивыми соединениями, снижают химическую стойкость. При этом на одну масс часть полиэфира модифицированного эпоксидной смолой требуется меньшее количество ПИЦ, чем на масс часть полиэфира без эпоксидного олигомера.
Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что варьирование соотношением компонентов — увеличение количества эпоксидного олигомера и уменьшение количества полиэфира приводит к увеличению более разветвленных и хрупких эпоксиуретановых соединений, что приводит к снижению прочности и относительного удлинения при растяжении. Таким образом, модифицирование простого полиэфира эпоксидной смолой не позволило добиться повышения эксплуатационных характеристик полиуретановых систем. Так же использование ЭД-20 привело к снижению таких технологических параметров как время хранения, при хранении полиэфиров модифицированных эпоксидной смолой происходит её отверждение аминосодержащими веществами, необходимыми для пеногашения, и вязкости. При введении 20 масс частей ЭД-20 к 100 масс частям Лапрола 805А модифицированного МСН 7–80 происходит увеличение относительной вязкости с ≈120 до ≈160секунд.
Литература:
1. Саундерс Дж. Х., Фриш К. К. Химия полиуретанов. Пер с англ. М: «Химия», 1968. — 470 с.
2. Технология пластических масс / Под ред. Брацыхина Е. А. Издательство «Химия», 1982. 325 с.
3. Зубарев П. А. Производственный процесс получения защитных полиуретановых покрытий [Текст] / П. А. Зубарев, А. В. Лахно, Е. Г. Рылякин // Молодой ученый. — 2014. — № 5. — С. 57–59.
4. Зубарев П. А. Защитные износостойкие покрытия на основе модифицированных полиуретанов / Автореф. дис. … канд. техн. наук / П. А. Зубарев — Пенза, 2014. — 16 с.
5. Петренко В. О. Моделирование оптимальной концентрации компонентов ремонтного клеевого состава./ Петренко В. О., Лахно А. В., Новиков Е. В. Международный технико-экономический журнал. 2011. № 3. С. 110–112.
