CC BY
525
УДК 678:678.043
В.Г. ПЕТРОВ, Ю.В. ВИНОКУРОВ, Е.Г. ЗИНОВЬЕВА
ИССЛЕДОВАНИЕ КЛЕЕВЫХ И ПОЛИМЕРНЫХ СОСТАВОВ НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНОЙ СМОЛЫ ЭД-20 С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕНЗАМА АБА В КАЧЕСТВЕ ОТВЕРДИТЕЛЯ
Эпоксидные смолы и композиции на их основе занимают ведущее место среди массы разнообразных полимерных материалов по причине уникальности физико-механических свойств и широких технологических возможностей. На их основе изготавливают самые разнообразные изделия, используемые во многих отраслях промышленности, науки и техники [1-4]. Массовое применение эпоксидные смолы нашли в электротехнике, авиации, космонавтике, электронике, автомобиле- и судостроении, производстве спортивного инвентаря и строительстве. Незаменимыми порой они являются при ремонте сложного оборудования, приборов, трубопроводов в нефте-, газо- и теплоснабжении и даже в таких специфических областях, как ортодонтия и ортопедия в стоматологии [5]. Однако, как и в любой науке и технологии, существуют нерешенные задачи в области новых достижений, повышения производительности труда и снижения себестоимости готовой продукции. Очевидно, для эпоксидных полимеров это связано с поиском новых отвердителей и катализаторов, которые способны решать поставленные задачи. Для олигомеров с эпоксидными группами разработано множество типов отвердителей различных классов соединений ( аминов и амидов, кислот и ангидридов, оснований Маниха, кислот Льюиса, а также их солей, феноло-, мочевино-, меламиноформальдегидных смол и др.) Наибольшее распространение среди них получили алифатические амины, ангидриды двухосновных кислот и фенольные смолы [6]. Однако алифатические амины используются преимущественно в эпоксидных композициях холодного или комнатного отверждения, имеют низкую жизнеспособность и невысокие физикомеханические показатели отвержденных продуктов. Фенольные смолы и их аналоги преимущественно являются твердыми продуктами и отверждают эпоксидные смолы при высоких температурах 180-240° С, поэтому малопригодны для производства заливочных компаундов и требуют значительных энергетических затрат при производстве армированных композиционных материалов. Ангидридные отвердители, обычно представляющие собой жидкие эвтектические смеси, широко применяются при производстве электротехнической аппаратуры и их элементов, стекло- и органопластиков, так как имеют низкую вязкость, значительную жизнеспособность при нормальных условиях и быстро отверждаются при нагревании в присутствии катализаторов. Однако их стоимость превосходит таковую для эпоксидных смол в 1,5-2 раза и существенно сказывается на стоимости готовой продукции, так как количество необходимого отвердите-ля доходит иногда до массы отверждаемой смолы. Из сказанного следует, что
необходимы дальнейшие исследования по поиску новых отвердителей, отвечающих требованиям современного производства.
В настоящей работе представлены результаты экспериментов по испытанию полимерных составов на основе эпоксидной смолы ЭД-20 с отверди-телем «Бензамом АБА», который представляет собой вязкий олигомерный продукт конденсации анилина с формальдегидом и содержит в своем составе не менее 90% ароматических диаминов [7]:
п = 1-3
При этом изучались следующие показатели: прочность при отрыве для стальных образцов (оадг) по ГОСТ 14760-69; прочность при сдвиге для стальных образцов (осд) по ГОСТ 14759-69, прочность при растяжении (разрыве) (стрр) по ГОСТ 11262-80; относительное удлинение при разрыве (£отн,) по ГОСТ 11262-80; модуль упругости при растяжении (Ераст) по ГОСТ 9550-81; теплостойкость по Вика ГОСТ 15088-83; жизнеспособность при комнатной температуре в соответствии с методикой [8, с. 785], время гелеобразования при 150° С также в соответствии с методикой [8, с. 594-596, 786].
Кроме того, для определения сравнительных характеристик были исследованы эпоксидные составы с ЭД-20, где в качестве отвердителя использовали метафенилендиамин (МФДА) в количестве 20% и изометилтетрагидрофтале-вый ангидрид (изо-МТГФА) в количестве 40% от массы смолы ЭД-20, которые широко применяются в эпоксидных клеевых и полимерных составах.
Первоначально Бензам АБА брали в нижеследующих массовых % от смолы ЭД-20 - 5, 10, 15, 20,30,40 и 50, а отверждение проводили в 2 режимах: 1) 130°С х 5 ч, 2) 150°С х 5 ч. Однако, как было обнаружено, зависимости физико-механических показателей от содержания Бензама имеют ярко выраженные максимумы по ряду параметров, и поэтому в дальнейших экспериментах шаг изменения составов пришлось сократить до 3 массовых %. Сравнительные данные таких экспериментов представлены в табл. 1 и на рис. 1-3.
Рассматривая полученные данные, легко можно выделить область максимальных значений показателей по всем приведенным параметрам от содержания отвердителя. Максимальные показатели адгезии (клеевых свойств) лежат в области 26-29 % содержания Бензама от эпоксидной смолы. Максимальная же прочность самого материала, полученного после отверждения, смещена в область большего содержания Бензама АБА, порядка 35-40 %, где возрастают показатели аразрыва, относительного удлинения и модуля упругости. Следует отметить определенную закономерность изменения характера
отрыва после прохождения максимума прочности при отрыве, т.е. во всех случаях характер отрыва с когезионного меняется на адгезионный, что можно связать с увеличением внутренних напряжений пространственно сшитого эпоксидного полимера при возрастании доли отвердителя.
Следует отметить определенную закономерность изменения характера отрыва после прохождения максимума прочности при отрыве, т. е. во всех случаях характер отрыва с когезионного меняется на адгезионный, что можно связать с увеличением внутренних напряжений пространственно сшитого эпоксидного полимера при возрастании доли отвердителя. Кроме того, при сравнении всех трех отвердителей (мета-фенилендиамина, изометилтетра-гидрофталевый ангидрида и Бензама АБА) можно отметить, что последний отличается более высокими физико-механическими показателями, дающими определенное преимущество при его использовании.
Таблица 1
Физико-механические показатели полимерных композиций ЭД-20 + Бензам АБА
№ АБА, % Режим отверждения к р Ь £ ё
130оСх5 ч, (Годг, МПа 150 оСх5 ч, <тааг, МПа 150 оСх5 ч, ОCпБига, МПа
Оср характер отрыва Оср характер отрыва Оср характер отрыва
1 20 21,7 по клею 17,7 по клею 2,6 от стали образцы разрушаются
2 23 26,7 -«- 33,5 -«- 4,4
3 26 56,6 -«- 73,3 -«- 22,4 8,5 - -
4 29 71,7 -«- 74,4 -«- 22,7 37,5 23,3 239
5 32 56,0 от стали 56,8 -«- 15,9 44,8 27,6 228
6 35 62,8 -«- 53,7 от стали 13,7 47,0 29,1 243
7 38 52,2 -«- 43,9 -«- 11,2 58,1 27,8 319
8 41 51,3 -«- 55,0 -«- 11,4 43,7 24,5 307
9 44 47,4 -«- 59,5 -«- 12,9 43,0 19,6 382
10 47 55,6 -«- 51.8 -«- 9,4 35,2 27,6 252
11 1 25,8 -«- 33,6 -«- 9,0 19,4 18,0 122
12 - АФ оФ к Ь 2 5,7 по клею 18,5 по клею 15,3 образцы разрушаются
Рис. 1. Зависимости прочности при отрыве (1, 2), прочности при сдвиге (3) для стальных образцов и прочности при разрыве (4) эпоксидных составов от содержания Бензама АБА. Режим отверждения: 1 - 130°С х 5 ч, 2-4 - 150°С х 5 ч
£ 35 1 30 25 -20 -15 -
20
—I—
30
-1—
40
АБА
50
Рис. 2. Зависимость относительного удлинения от содержания Бензама АБА в клее с ЭД-20, %
АБА,%
Рис. 3. Зависимость модуля упругости Е от содержания Бензама АБА в клее с ЭД-20
Далее в работе были исследованы такие важные технологические характеристики, как жизнеспособность, время гелеобразования и теплостойкость по Вика, которые представлены в табл. 2 и рис. 4.
Анализируя полученные результаты, необходимо отметить, что жизнеспособность эпоксидных составов с Бензамом АБА составляет значительную величину, достигающую несколько суток для оптимальных соотношений с отвердителем. Время гелеобразования, характеризующее скорость отверждения составов, находится в пределах 13-20 мин при 150о С. Такие технологические параметры вполне пригодны для многих производств, где используются эпоксидные заливочные составы или применяются в производстве композиционных материалов. Обращая внимание на такой важный параметр, как теплостойкость, отражающий верхний предел температурной эксплуатации, можно отметить, что он составляет довольно значительную величину порядка 120-130оС для оптимальных составов, что позволяет эксплуатировать полученные изделия при повышенных температурных и тепловых нагрузках, что очень важно для элементов радио- и электротехники: трансформаторов, дросселей, печатных плат и т.п.
Таблица 2
Жизнеспособность, гелеобразование и теплостойкость для композиций ЭД-20+Бензам АБА
№ п/п АБА, % Показатели
жизнеспособность при 20°С, ч время гелеобразования при 150оС, мин теплостойкость по Вика, оС
1 20 150 30,5 не обнаруживается
2 23 117 21,0 66
3 26 100 19,5 79
4 29 90 17,0 101
5 32 84 15,5 117
6 35 80 14,5 125
7 38 76 14,0 131
8 41 74 13,5 122
9 44 72 13,0 116
10 47 70 12,5 111
20 ЗО 40 50
АБА, %
Рис. 4. Зависимость времени гелеобразования (1) (ч) и жизнеспособности при комнатной температуре (2) (мин.) от содержания Бензама АБА в клее с ЭД-20 при 150оС
Таким образом, проведенные исследования эпоксидных составов на основе смолы ЭД-20 с Бензамом АБА показывают, что Бензам является хорошим и эффективным отвердителем для эпоксидных смол и вполне может заменить многие и относительно дорогие отвердители марок УП, изо-МТГФА, ДДМ и др.
Литература
1. Эпоксидные смолы и полимерные материалы на их основе. Каталог / НИИТЭХИМ. Черкассы, 1989. 56 с.
2. Чернин И.З., Смехов Ф.М., ЖердевЮ.В. Эпоксидные полимеры и композиции. М.: Химия, 1982. 232 с.
3. Зайцев Ю.С. и др. Эпоксидные олигомеры и клеевые композиции. Киев: Наукова думка, 1990. 200 с.
4. ЛиХ., Невилл К. Справочное руководство по эпоксидным смолам. М.: Энергия, 1973. 416 с.
5. МакаровК.А., ШтейнгартМ.З. Сополимеры в стоматологии. М.: Медицина, 1982. 248 с.
6. Справочник по пластическим массам / Под ред. В.М. Катаева и др.: В 2 т. М.: Химия, 1975. Т. 2. С. 568.
7. Химические добавки к полимерам: Справочник. 2-е изд., перераб. М.: Химия, 1981. 264 с.
8. Энциклопедия полимеров / Под ред. Кабанова В. А.: В 3 т. М.: Советская энциклопедия, 1972. Т 1. 1224 с.
ПЕТРОВ ВЛАДИМИР ГЕННАДЬЕВИЧ родился в 1952 г. Окончил Чувашский государственный университет. Ведущий инженер, старший преподаватель кафедры физической химии и высокомолекулярных соединений Чувашского университета. Имеет более 50 работ в области химии и физикохимии полимеров.
ВИНОКУРОВ ЮРИЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ родился в 1951 г. Окончил Чувашский государственный университет. Начальник лаборатории научно-исследовательского центра ОАО «Химпром» г. Новочебоксарск. Имеет около 20 публикаций в области органической химии и химической технологии
ЗИНОВЬЕВА ЕЛЕНА ГЕННАДЬЕВНА. См. с. 26._________________________
