CC BY
26
УДК 678.5.046
В. М. Герасимова, Н. Г. Зубова, А. М. Захаревич,
Т. П. Устинова
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ВИСКОЗНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ НИТЕЙ
Ключевые слова: эпоксидные композиты, волокнистые армирующие системы, степень отверждения, эксплуатационные
характеристики.
Проведена оценка эксплуатационных свойств композиционных материалов на основе модифицированных вискозных технических нитей. Определены значения тепловых эффектов в процессе отверждения эпоксидной смолы в присутствии исследуемых волокнистых материалов. Методом инфракрасной спектроскопии установлено повышение физико-химического взаимодействия модифицированных вискозных технических нитей со связующим.
Keywords: epoxy-composites, fibrous reinforcing systems, degree of hardening, operational characteristics.
Assessment of operational properties of composite materials on the basis of the modified viscose technical threads is carried out. Values of thermal effects in the course of hardening of epoxy in the presence of the studied fibrous materials are defined. The method of infrared spectroscopy has established increase in physical and chemical interaction of the modified viscose technical threads with binding.
Введение
Расширение диапазона применения полимерных композиционных материалов на основе традиционных связующих и волокнистых наполнителей возможно благодаря внедрению новых разработок в технологии получения композитов. В настоящее время в этой области уделяется большое внимание исследованиям в направлении модификации волокнистых наполнителей водными растворами аппретирующих веществ [1, 2]. Данный вид модификации приводит к активному влиянию на физико-механические свойства, а также на адгезионные и структурные характеристики обработанных волокнистых систем, которые в свою очередь могут быть рекомендованы, в качестве наполнителей, для эпоксидных композитов [3].
Целью настоящей работы являлась оценка структурных особенностей и свойств композиционного материала на основе модифицированных вискозных технических нитей (ВТН) и эпоксидной матрицы (ЭД-20), отверждённой полиэтиленполиамином (ПЭПА).
Экспериментальная часть
В качестве модификаторов применялись: 3-аминопропилтриэтоксисилан (АГМ-9), 3-глицидоксипропилтриметоксисилан (Silquest A-187); 3-метакрилоксипропилтриметоксисилан
(Silquest A-174), смесь гликолевых эфиров жирных кислот (Duron OS 3151). Модификацию ВТН проводили аппретирующими добавками при концентрации 5% водного раствора, продолжительность обработки составляла 60 с.
Образцы полимерных композиционных материалов на основе исследуемых модифицированных ВТН и ЭД-20 характеризуются повышенными эксплуатационными свойствами (рис.1).
Результаты проведённых исследований показывают, что наибольшее влияние на изменение эксплуатационных свойств эпоксидной матрицы
оказывают ВТН, модифицированные А-187 и А-174. При этом разрушающее напряжение при растяжении образцов ПКМ на основе модифицированных водными растворами А-187 и А-174 ВТН возрастает на 30-42%; разрушающее напряжение при изгибе - на 55-34%; твёрдость по Бринеллю - на 28-37% по сравнению с исходной матрицей, что может быть связано с активным влиянием исследуемого волокнистого наполнителя на формирование эпоксидного композита.
РазрупРазрушающее Твердость по
напряжение при напр.жение при Еринеялю. МПа
растяжении. МПа изгибе, МПа
Рис. 1 - Эксплуатационные свойства разработанных композитов: 1 - ЭД-20; 2 - ЭД-20+ВТН; 3 - ЭД-20+ВТН+АГМ-9; 4 - ЭД-20+ВТН+А-187; 5 - ЭД-20+ВТН+А-174; 6 - ЭД-20+ВТН+Duron OS 3151
Для оценки влияния модифицированных ВТН на процесс отверждения эпоксидного связующего использовали метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК).
Значения теплового эффекта в процессе отверждения ЭД-20 в присутствии исследуемых волокнистых систем приведены в табл. 1.
Экспериментальные данные подтверждают, что вводимые в эпоксидное связующее волокнистые материалы, модифицированные исследуемыми аппретирующими добавками, оказывают активное влияние на процессы формирования матрицы, так как тепловой эффект химических реакций в процессе образования сетчатой структуры повыша-
Таблица 1 - Данные ДСК композиционных материалов
разработанных
Tип отверждаемой системы Параметры отверждения (Tн-Tк)/Tmax, 0С Tепловой эффект процесса отверждения AH, Дж/г
ЭД-20 + BTH (57,07-141,35)/93,87 315,183
ЭД-20 + BTH + АГМ-9 (60,49-150,70)/97,55 409,052
ЭД-20 + BTH + A-187 (51,96-147,33)/95,87 421,59
ЭД-20 + BTH + A-174 (52,74-146,06)/94,96 416,084
ЭД-20 + BTH + Duron OS 3151 (59,87-149,25)/96,43 411,03
ется на 30-35 %, что обеспечивает увеличение деформационно-прочностных свойств композита и свидетельствует о лучшей химической совместимости исследуемых модифицированных волокон с эпоксидной смолой. По данным,
представленным на снимках образцов композиционных материалов, полученных методом сканирующей электронной микроскопии (рис. 2), характер распределения матрицы на поверхности модифицированных ВТН подтверждает активное проникновение эпоксидной смолы в волокнистый наполнитель, что приводит к высокой адгезионной прочности в системе связующее/волокно.
Рис. 2 - Электронная микроскопия композиционных материалов при увеличении 8000 крат: а) ЭД-20+ВТН; б) ЭД-20+ВТН+АГМ-9; в) ЭД-20+ВТН+А-187; г) ЭД-20+ВТН+А-174; д) ЭД-20+ВТН+Duron OS3151
Для определения природы химических связей, которые, очевидно, образуются при формировании композиционного материала, использовали метод ИК-спектроскопии (ИКС) (рис. 3).
ä« ^v/ ^RMI " Vf-frc 1
VOH J^ 3
-- Ves. V» ó0 Ks /1 ¿SlOÍIIj s
с ^RiNH ^v/ ^R-VH""^
____ Уст /v/ V-^ VCH; ¿H;N„ 'K./ ; ¿RVH ^ OSIOCHj 4
2
---- \ у Veil. Von OStOÍ.H.
J50tt 1000 :IMÜ шо iíúo япо isao !MD SOQ о
Волновое число, см 1
Рис. 3 - ИК-спектры: 1 - ЭД-20+ВТН; 2 - ЭД-20+ ВТН +АГМ-9; 3 - ЭД-20+ ВТН +А-187: 4 - ЭД-20+ ВТН +А-174; 5 - ЭД-20+ ВТН +Duron OS 3151
Анализ данных ИКС свидетельствует о том, что для образца ЭД-20+ГЦВ+АГМ-9 (кривая 2) в области 945 см-1 отмечено появление пика, соответствующего деформационным колебаниям группы SÍOC2H5, а для образцов ЭД-20+ГЦВ+А-187 (кривая 3) и 4-ЭД-20+ГЦВ+А-174 (кривая 4) в области 800 см-1 и 850 см-1 характерно присутствие пиков, соответствующих деформационным колебаниям группы SiOCH3. Кроме того, спектральная картина композитов на основе модифицированных ВТН (кривые 2, 3, 4, 5) отличается от спектра композита на основе исходного волокна (кривая 1). Спектры образцов разработанных композитов (кривые 2, 3, 4, 5) характеризуются увеличением пиков поглощения в области 1650-1550 см соответствующих деформационным колебаниям группы R2NH, а также увеличением пиков в области 700 см-1, соответствующих деформационным колебаниям группы RNH, по сравнению со спектральной картиной образца на основе исходной ВТН. Наличие этих групп свидетельствует о наличии физико-химического взаимодействия модифицированных ВТН со связующим, следствием чего является повышение основных эксплуатационных свойств разработанных композиционных материалов.
Литература
1. Е.И Иващенко, Химическая технология, 9,1, 16-21 (2008).
2. Л.В. Корчина, Н.Г. Зубова, Т.П. Устинова, Вестник Саратовского государственного технического университета, 2, 86-89 (2014).
3. Л.В. Корчина, Н.Г. Зубова, Т.П. Устинова, Пластические массы 3-4, 8-10 (2014).
полос
1
© В. М. Герасимова - асп. каф. «Химические технологии», Энгельсский технологический институт (филиал) Саратовского госуд. технол. инта им. Гагарина Ю.А., gerasimova.victoria@yandex.ru, Н. Г. Зубова - канд. техн. наук, доц. каф. «Физика и естественнонаучные дисциплины», Балаковский инженерно-технол. ин-тут (филиал) Национального исслед. ядерного университета «МИФИ», zubova_aptech@mail.ru; А. М. Захаревич - канд. физ.-мат. наук, рук. лаб. Саратовского национ. исслед. госуд. ун-та им. Н.Г. Чернышевского, lab-15@mail.ru; Т. П. Устинова - д-р техн. наук, проф., зав. каф. «Химические технологии», Энгельсский технол. ин-тут (филиал) Саратовского госуд. технол. ин-та им. Гагарина Ю.А., eti@techn.sstu.ru.
© V. M. Gerasimova - postgraduate at the Department of "Chemical Technologies", Engels Technological Institute of Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, е-mail: gerasimova.victoria@yandex.ru, N. G. Zubova - Ph.D. of Engineering Sciences, Associate Professor at the Department of "Natural-science disciplines and chemical technologies", Balakovo engineering institute of technology (branch) of National research nuclear university "MIFI", zubova_aptech@mail.ru, A. M. Zakhrevich - Ph.D. of physical and mathematical sciences, the head of the laboratory "Diagnostics of nanomaterials and structures", the Saratov national research state university of N. G. Chernyshevsky, lab-15@mail.ru; T. P. Ustinova - doctor of Engineering Sciences, professor, head of the Department of "Chemical technologies", Engels Technological Institute of Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, eti@techn.sstu.ru.
