CC BY
46
УДК 667.64:678.026
Севаева Г.С., Андреев А.Н., Олихова Ю.В.
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНОЙ СМОЛЫ И ФРАКЦИЙ ПОЛИЭТИЛЕНПОЛИАМИНОВ
Севаева Галина Степановна, студент 1 курса магистратуры кафедры технологии переработки пластмасс, e-mail: galka-sevaeva@bk.ru;
Андреев Александр Николаевич, студент 4 курса бакалавриата кафедры технологии переработки пластмасс, e-mail: alex.dergunow@gmail.com;
Олихова Юлия Викторовна, к.т.н., доцент кафедры технологии переработки пластмасс, e-mail: yuolihova@muctr.ru;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; Россия, 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9.
В работе изучаются композиции на основе эпоксидной смолы марки ЭД-20 и фракций полиэтиленполиаминов, полученные путём перегонки под вакуумом. В ходе исследований было установлено, что применение отдельных фракций полиэтиленполиаминов в качестве отвердителей позволяет получать материалы с более высокими прочностными характеристиками, чем при отверждении исходным отвердителем.
Ключевые слова: полиэтиленполиамин, диэтилентриамин, триэтилентетрамин, эпоксидные смолы, перегонка, ударная вязкость, теплостойкоть.
THE STUDY OF THE PROPERTIES OF COMPOSITE MATERIALS BASED ON EPOXY RESIN AND FRACTIONS OF POLYETHYLENEPOLYAMINE
Sevaeva G.S., Andreev A.N., Olihova Yu.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Epoxy materials based on epoxy resin ED-20 and fractions of polyethylene polyamines, obtained by distillation under vacuum, are investigated. During the studies it was found that the fractions of polyethylenepolyamines, used as hardeners of epoxy resin provide materials with higher strength characteristics, then cured withinitial hardener.
Key words: polyethylenepolyamine, diethylenetriamine, triethylenetetramine, epoxy resin, distillation, impact strength, heat resistance
Чертой, отличающей полимерные материалы на основе эпоксидных смол, является уникальное сочетание прочностных, диэлектрических, адгезионных, теплофизических, влагозащитных и других свойств. За счет этих показателей полимерные материалы на основе эпоксидных смол используются в качестве основы для клеев, лакокрасочных покрытий, компаундов и армированных пластиков. Все приведенные свойства вместе с удобным для эксплуатации в технических целях и агрегатным состоянием композиций, обусловили их широкое применение в различных отраслях промышленности, на транспорте, в строительстве и сельском хозяйстве[1].
Отверждение эпоксидных смол происходит за счет наличия в их молекулах двух видов функциональных групп - эпоксидных и гидроксильных. В качестве отвердителей используют органические, неорганические и элементоорганические соединения. На протяжении длительного времени, вследствие своей доступности и дешевизны, одними из наиболее часто применяемых отвердителей являются технические полиэтиленполиамины (ПЭПА)[2,3]. Отвердитель
ПЭПА представляет собой смесь линейных и разветвленных алифатических и ароматических аминов, а также аминоспиртов различной молекулярной массы [4].
Согласно литературным данным фракции ПЭПА содержат: первая - воду (2-5 масс. %), во всех остальных фракциях содержатся амины, причем во фракциях с более низкой температурой кипения преобладают линейные амины невысокой молекулярной массы - диэтилентриамин, триэтилентетрамин, а с повышением температуры кипения в составе фракций начинают преобладать ароматические и разветвленные амины[5].
В качестве объектов исследования выступали композиции, полученные отверждением
эпоксидиановой смолы ЭД-20 различными фракциями ПЭПА. Разделение отвердителя ПЭПА на фракции проводили путем перегонки под вакуумом. Перегонку ПЭПА осуществляли в вакууме (20-27 мм рт. ст.) при продувке азотом, в интервале температур 20-200 °С. В результате вакуумной перегонки было получено 5 фракций, характеристика которых представлена в таблице 1.
Таблица 1. Фракционный состав отвердителя ПЭПА
Номер фракции Внешний вид Температурный интервал, °С Содержание фракции, масс. % рН
1 Прозрачная бесцветная низковязкая жидкость 55-75 2,07 7
2 Прозрачная бесцветная низковязкая жидкость 75-110 1,70 11
3 Светло-желтая прозрачная низковязкая жидкость 120-160 14,20 10
4 Прозрачная низковязкая жидкость желтого цвета 165-172 17,28 9,5
5 Слабовязкая прозрачная жидкость желтого цвета 182-200 9,50 9
Кубовый остаток Высоковязкая жидкость темно-коричневого цвета > 200 54,42 9
Смешение эпоксидной смолы с отвердителем производилось в соотношении 10 массовых частей (м.ч.) отвердителя на 100 м.ч. ЭД-20. Выбор одинакового соотношения компонентов, независимо от вида отвердителя, был обусловлен необходимостью сравнения свойств отвержденных композиций. Для исследования были изготовлены серии образцов с фракциями 2,3,4 и 5, полученными при вакуумной перегонке ПЭПА.
Критериями оценки служили разрушающее напряжение при изгибе, ударная вязкость и деформационная теплостойкость образцов, определяемые по стандартным методикам.
Прочность полученных образцов при изгибе определяли методом двухопорного изгиба по ГОСТ 4648-2014. В таблице 2 приведены полученные данные о прочности при изгибе образцов отвержденных связующих.
Таблица 2. Прочность при изгибе исследуемых образцов
Композиции Прочность при изгибе МПа
ЭД-20 (100 м.ч.) + отвердитель ПЭПА (10 м.ч.) 5,6
ЭД-20 (100 м.ч.) + отвердитель ФРАКЦИЯ 2 (10 м.ч.) 21,8
ЭД-20 (100 м.ч.) + отвердитель ФРАКЦИЯ 3 (10 м.ч.) 9,8
ЭД-20 (100 м.ч.) + отвердитель ФРАКЦИЯ 4 (10 м.ч.) 24,1
ЭД-20 (100 м.ч.) + отвердитель ФРАКЦИЯ 5 (10 м.ч.) 22,2
Испытания образцов на изгиб относятся к статическим, при которых поглощение энергии материалом происходит медленно. На практике материалы поглощают энергию намного быстрее, например, в результате падения предметов, столкновений и других ударных воздействий. Испытания образцов на прочность при ударе имитируют данные условия. Ударную вязкость образцов определяли на приборе Динстат, расчеты производили по ГОСТ 14235-69. Данные об ударной вязкости образцов представлены в таблице 3.
Таблица 3. Ударная вязкость исследуемых образцов
Композиции Ударная вязкость, кДж/м2
ЭД-20 (100 м.ч.) + отвердитель ПЭПА (10 м.ч.) 1,9
ЭД-20(100 м.ч.) + отвердитель ФРАКЦИЯ 2 (10 м.ч.) 2,8
ЭД-20(100 м.ч.) + отвердитель ФРАКЦИЯ 3 (10 м.ч.) 4,1
ЭД-20(100 м.ч.) + отвердитель ФРАКЦИЯ 4 (10 м.ч.) 5,2
ЭД-20(100 м.ч.) + отвердитель ФРАКЦИЯ 5 (10 м.ч.) 4,7
Определение параметров сетчатой структуры и изучение деформационной теплостойкости исследуемых композиций проводили методом термомеханического анализа на консистометре Хепплера. На рисунке 1 приведены термомеханические кривые отвержденных образцов.
Рис. 1. Термомеханические кривые ЭД-20, отвержденной различными отвердителями
В таблице 4 приведены параметры сетчатой структуры отвержденных композиций, к которым относятся молекулярная масса отрезка цепи, заключенного между узлами сшивки (Мс) и плотность сетки (пс), а также значения модуля высокоэластичности (Ев) и температуры стеклования (Тс), характеризующей деформационную теплостойкость композиций.
Таблица 4. Параметры сетчатой структуры исследуемых образцов
Состав Мс, г/моль Пс*10-3, моль^м3 Ев, MПа Т 1 с, °с
ЭД-20 (100 м.ч.) + ПЭПА (10 м.ч.) 6230 0,21 1,76 65
ЭД-20 (100 м.ч.) + ФРАКЦИЯ 2 (10 м.ч.) 1260 0,97 8,3 71
ЭД-20 (100 м.ч.)+ ФРАКЦИЯ 3 (10 м.ч.) 2000 0,63 5,9 107
ЭД-20 (100 м.ч.) + ФРАКЦИЯ 4 (10 м.ч.) 9150 0,14 1,2 66
ЭД-20 (100 м.ч.) + ФРАКЦИЯ 5 (10 м.ч.) 11360 0,11 0,88 58
В результате хромато-масс-спектрометрического и газохроматографического анализа фракций ПЭПА было установлено, что фракция 1 представляет собой воду, основным компонентом фракции 2 является диэтилентриамин (более 90 масс. %), являющийся алифатическим амином линейного строения. Фракция 3 состоит более, чем на 98 масс. % из диэтилентриамина и аминоэтилпиперазина в соотношении 6:4. Фракции 4 и 5, также, как и фракция 3, содержат смесь алифатических и ароматических аминов различного строения. Во фракциях 3-5 имеются в различных соотношениях первичные, вторичные и третичные, алифатические и ароматические амины, которые, как известно, обладают неодинаковой отверждающей
способностью. Очевидно этим, а также не оптимальным соотношением эпоксидной смолы и отвердителя, объясняется низкая плотность сшивки эпоксидных композиций, отвержденных фракциями 4 и 5.
Таким образом, можно заключить, что образцы, отвержденные фракциями ПЭПА, обладают более высокими деформационно-прочностными
свойствами. Применение фракции 2 в качестве отвердителя позволяет получить густосетчатые образцы; наибольшей теплостойкостью обладают
композиции, отвержденные фракцией 3 ПЭПА. Для создания материалов с улучшенным комплексом свойств требуется проведение дальнейших работ по оптимизации соотношения «смола-отвердитель». Следует также рассмотреть возможность комбинации отдельных фракций ПЭПА.
Список литературы
1.Кербер М.Л., Виноградов В.М., Головкин Г.С, Горбаткина Ю.А. и др. Полимерные композиционные материалы: структура свойства, технология. - СПб: ЦОП «Профессия». - 2014. - 560 с.
2.Михайлин Ю. А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. Научные основы и технологии. 2008. - 822 с.
3.Еселев А. Д., Бобылев В. А. Отвердители для клеев на основе эпоксидных смол // Клеи. Герметики. Технологии. - 2005. - № 4. - С. 2-8.
4.Бондарева С.О., Муринов Ю.И. Экстракция меди (II) из аммонийных растворов диацилированными полиэтиленполиаминами // Вестник Башкирского университета. 2018. Т. 23. №3. С. 696-700.
5.Патент СССР № 767086, 30.09.80.
