CC BY
24
УДК 678.5
Морозова П.А., Горбунова И.Ю., Полунин С.В., Арутюнова А.М., Тукан Ю.В.
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СВЯЗУЮЩИХ НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДИАНОВОЙ СМОЛЫ, МОДИФИЦИРОВАННОЙ ПОЛИЭФИРСУЛЬФОНОМ
Морозова Полина Алексеевна - студентка бакалавриата 4-го курса кафедры технологии переработки пластмасс;
Горбунова Ирина Юрьевна - доктор химических наук, профессор, заведующий кафедры технологии переработки пластмасс;
Полунин Степан Владимирович - аспирант 2-го года кафедры технологии переработки пластмасс, ассистент кафедры технологии переработки пластмасс; mcnion@gmail.com;
Арутюнова Алина Маратовна - студентка магистратуры 1 -го курса кафедры технологии переработки пластмасс;
Тукан Юлия Витальевна - студентка бакалавриата 4-го курса кафедры технологии переработки пластмасс; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В работе исследованы физико-механические и технологические свойства эпоксидной смолы ЭД-20, отвержденной 4,4'-диаминодифенилсульфоном, с различным содержанием полиэфирсульфона. Полиэфирсульфон добавлялся с целью повышения температуры стеклования, ударной вязкости. Эти свойства исследованы при помощи консистометраХепплера и методом Динстанта. Реологические свойства связующих исследованы на реометре плоскость-плоскость.
Ключевые слова: полиэфирсульфон, эпоксидиановая смола, связующие, термомеханический анализ, реология.
STUDY OF PROPERTIES OF BINDERS BASED ON EPOXY RESIN MODIFIED WITH POLYETHERSULFONE
In this paper were investigated the influence on the physical and mechanical and technological properties of epoxy resin ED-20 cured with 4,4'-diaminodiphenylsulfone with different content of polyethersulfone. Polyethersulfone has been added to increase the glass transition temperature, impact viscosity. These properties will be considered by using a Heppler consistometer and by the Dynstant method. The rheological properties of the binders were investigated using a plane-plane rheometer.
Key words: polyethersulfone, epoxy resin, binders, thermomechanical analysis, rheology.
Введение
В настоящее время композиционные материалы на основе эпоксидных связующих благодаря высокой прочности, коррозионной стойкости, малому весу и стабильным физико-механическим свойствам применяются в таких отраслях промышленности, как машиностроение, в строительство, авиа- и космической промышленности, для создания углеродных или стеклянных волокон и др. Однако изделия из эпоксидных смол обладают хрупкостью и низкой теплостойкостью по сравнению с суперконструкционными материалами.
За многие годы работы с эпоксидными материалами накоплен большой опыт по их модификации, целью которой является улучшение технологических и эксплуатационных характеристик эпоксидных материалов. Для улучшения физико-механических свойств применяются разные виды модификаторов, с каждым из которых разные параметры композиционного материала на основе эпоксидной смолы могут улучшаться. Одним из модификаторов является полиэфирсульфон (ПЭС)-аморфный термопласт, при нормальных условиях это прозрачный с янтарным оттенком полимер, относящийся к семейству полисульфонов. При введении его в эпоксидную смолу можно повысить прочностные характеристики, что значительно
расширяет области применения изделий на основе эпоксидных смол.
Из достоинств полиэфирсульфона можно отметить низкую вязкость связующего, хорошую смачиваемость и пропитываемость армирующего материала, сравнительно низкие температуры отверждения, хорошую адгезию к большинству волокон, повышенную теплостойкость. Хорошую совместимость ПЭС с эпоксидными смолами и отвердителями связывают с близостью их параметров растворимости. Введение ПЭС с блокированными концевыми гидроксильными группами в эпоксидную смолу повышает значение ударной прочности за счет формования гибких структур, а также увеличивает прочность при растяжении и изгибе.
Композиционные материалы на основе эпоксидной смолы, модифицированной
полиэфирсульфоном, применяются как раз в авиа- и машиностроении, заменяя металлические
конструкции, так как превосходят их по плотности, коррозийной стойкости и стоимости.
Целью данной работы является исследование свойств эпоксидной смолы ЭД-20, наполненной полиэфирсульфоном (5, 10, 15, 20 мас.ч.)
Экспериментальная часть
Наполненные полимерные композиционные полимеры были получены предварительным
смешением гранул полиэфирсульфона (Ultrason E 2010) и эпоксидной смолы при помощи верхнеприводной мешалки с частотой 450 оборотов в минуту при температуре 150 оС в течение 20 часов с последующим добавлением порошка 4,4'-диаминодифенилсульфоном при 130 оС в течение 20 минут. Предварительно и смесь эпоксидной смолы с полиэфирсульфоном и ДДС были отвакуумированы в течение двух часов при температуре 120 оС для удаления влаги [1].
Консистометр Хепплера
Образцы имеют форму таблетки высотой 10 мм и диаметром 10 мм, поверхность образца обработана механически на шлифовальной установке. Исследуемый образец помещается на подставку, находящуюся внутри измерительного стакана. Сверху на образец ставится стержень, который соприкасается с индикатором. Прикладывают нагрузку к образцу и устанавливают стрелку индикатора на ноль. Далее производят нагрев испытуемого образца со скоростью 1 -2 градуса в минуту и замеряют деформацию через каждые 5 градусов. Образец выдерживают под нагрузкой в течение 10 секунд и потом замеряется величина деформации, после чего нагрузка снимается и в течение последующих 10 секунд замеряют величину остаточной деформации [2].
Ударная вязкость по Динстанту
При проведении испытания образец укрепляют на опоре, расположенной в нижней части маятникового копра, с помощью прижатия шурупом. Удар приходится на широкую часть в середину образца. Маятник закрепляют в определенном положении с помощью защелки, стрелку циферблата устанавливают на ноль, после этого открывают защелку и происходит свободное падение маятника. При этом маятник увлекает за собой подвижную стрелку, которая производит фиксацию на шкале подъема маятника, что соответствует работе удара, которая необходима для разрушения испытываемого образца. В нижней точке падения маятник производит удар закругленным краем, после чего разбивает образец и поднимается в другую сторону на определенную высоту.
Ударная вязкость для различных полимерных смол колеблется в довольно широких пределах, поэтому существуют маятники с различной мощностью: 100, 400, 500, 1000 и 1500 кДж. Для подбора маятника для испытания композиции используют пробное разбивание, начиная с наименее мощного.
Ударную вязкость определяют по формуле (1).
a = Bh (D'
где А - необходимая работа для разрушения образца, кгс; В - ширина образца в месте разрушения, мм; h - толщина образца в месте разрушения, мм.
Реология
Испытания были проведены на реометре Anton Paar MCR 302. Был взят 1 грамм предварительно разогретой в термошкафу до 130 градусов эпоксидной смолы на осцилляцию. Нижняя плоскость реометра
нагревалась до 130 градусов за счет элемента Пельтье и термостатировалась, амплитуда вращения верхней плоскости 10 % с частотой, изменяющейся логарифмически с 100 до 0,1 рад/с [3].
Обсуждение результатов
Логарифм вязкости исследуемых смесевых систем при начальной скорости сдвига принимает значения от 0,04 до 1 в зависимости от содержания полиэфирсульфона в эпоксидной смоле. Как видно из рисунка 1, данные связующие можно использовать для пропитки армирующих наполнителей, например, методом мокрой намотки во всём диапазоне исследуемых напряжений сдвига, так как вязкость связующих не превышает 1 Па*с.
lg и* ■ Па*с
Т=130°С
- ЭД-20 + ПЭС(5 М.Ч.)
- ЭД-20 + ПЭС(10м.ч.) -ЭД-2А + ПЭС (20 М.Ч.)
1д г. Па
Рис. 1. Кривые вязкости связующих на основе ЭД-20 с различным содержанием полиэфирсульфона при температуре 130°С
Температура начала стеклования повышается с увеличением содержания полиэфирсульфона в эпоксидиановой смоле. Это связано с тем, что у полиэфирсульфона средняя температура стеклования 225°С, и чем больше содержание полиэфирсульфона в эпоксидиановой смоле, тем больше температура начала стеклования отвержденного образца.
Скорость испытания 1 -2 С/мин
Чистая ЭД-20 ЭД-20 + ПЭС (Е- м.ч | ЭД-20 + ПЭС (10 м.ч.)
ЭД-20 + ПЭС (20 ы.ч.;
260
Рис. 2. Зависимость деформации образца от температуры испытания для чистой ЭД-20 и ЭД-20, модифицированной 5 м.ч., 10 м.ч. и 20м.ч. ПЭС. Режим отверждения 180 оС, 8 ч
С Е 10 16 20
Содержание м.ч.
Рис. 3. Зависимость ударной вязкости от содержания полиэфирсульфона. Режим отверждения 180 оС, 8 ч
Несмотря на то, что наибольшая температура стеклования (186-188 0С) наблюдается у смеси ЭД-20+ПЭС (20 м.ч.) (рис.2), как видно из рисунка 3, оптимальным содержанием полиэфирсульфона в эпоксидиановой смоле является 10 массовых частей, ударная вязкость при этом равна 95 МПа.
Заключение
Согласно данным реологических исследований вязкость связующего на основе эпоксидной смолы увеличивается с ростом содержания
полиэфирсульфона.
Наибольший прирост средней температуры стеклования наблюдается при введении полиэфирсульфона в количестве 10 массовых частей, что видно из термомеханических кривых.
Максимальное значение ударной вязкости для всех исследуемых в работе систем наблюдается также при содержании полиэфирсульфона 10 массовых частей.
Список литературы
1. Improvement of the Mechanical and Thermal Properties of Polyethersulfone-Modified Epoxy Composites// Journal of Industrial and Engineering Chemistry 33. September 2015. JIEC 2655 1-7.
2. Hlaing Oo. Investigation-of-the-Properties-of-Epoxy-Modified-Binders-Based-on-Epoxy-Oligomer-with-Improved-Deformation-and-Strength-PropertiesMendeleev University of Chemical Technology of Russia. November, 2019. Vol.13. No.11 544-547.
3. Milan Sernek. "The Influence of Curing Temperature on Rheological Properties of Epoxy Adhesives". University of Ljubljana. March, 2011. DRVNA INDUSTRIJA 62 (1) 19-25 (2011).
