CC BY
11
УДК 678.5
Бардин А.Н., Горбунова И.Ю., Полунин С.В., Ковалевич В.В., Морозова П.А.
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ, РЕОЛОГИЧЕСКИХ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭПОКСИДНОГО СВЯЗУЮЩЕГО, МОДИФИЦИРОВАННОГО ПОЛИКАРБОНАТОМ
Бардин Алексей Николаевич - студент 4-го курса бакалавриата кафедры технологии переработки пластмасс; Горбунова Ирина Юрьевна - доктор химических наук, профессор, заведующий кафедры технологии переработки пластмасс;
Полунин Степан Владимирович - аспирант 2-го года, ассистент кафедры технологии переработки пластмасс; [email protected].
Ковалевич Вероника Викторовна - студент 1-го курса магистратуры кафедры технологии переработки пластмасс;
Морозова Полина Алексеевна - студент 4-го курса бакалавриата кафедры технологии переработки пластмасс; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В работе исследованы теплофизические, реологические и физико-механические свойства эпоксидной смолы, модифицированной поликарбонатом. С помощью консистометра Хепплера получены термомеханические кривые, ударная вязкость исследована методом Динстанта, методом осцилляции получены кривые вязкости смесей на основе эпоксидной смолы с различным содержанием поликарбоната.
Ключевые слова: эпоксидная смола, поликарбонат, связующие, термомеханический анализ, осцилляция, прочностные характеристики.
STUDY OF THE THERMOPHYSICAL, RHEOLOGICAL AND PHYSICO-MECHANICAL PROPERTIES OF AN EPOXY BINDER MODIFIED WITH POLYCARBONATE
Bardin A.N., Gorbunova I.Y., Polunin S.V., Kovalevich V.V., Morozova P.A. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
In this paper, the thermophysical, rheological and physical and mechanical properties of an epoxy resin modified with polycarbonate were studied. Thermomechanical curves were obtained using the Heppler consistometer, the impact strength was studied by the Dinstant method, and the viscosity curves of mixtures based on epoxy resin with different polycarbonate contents were obtained by the oscillation method.
Key words: epoxy resin, polycarbonate, binders, thermomechanical analysis, oscillation, strength characteristics.
Введение
В настоящее время эпоксидные смолы нашли широкое применение в качестве конструкционного материала во многих областях промышленности, таких как авиастроение и машиностроение [1]. Их применение во многих сферах обусловлено уникальным сочетанием теплофизических, физико-механических, и диэлектрических характеристик. Присущая им высокая адгезионная прочность и хорошая перерабатываемость также расширяют область их применения при производстве клеев, покрытий и матрицы для современных армированных волокнами пластмасс. К сожалению, эпоксидные смолы с высокой плотностью сшивки по своей сути являются хрупким материалом с недостаточной трещиностойкостью и низкой ударной вязкостью при комнатной температуре [2]. Чтобы преодолеть эти недостатки, было разработано множество методов для успешного повышения трещиностойкости эпоксидных смол. В целом, доминирующей стратегией, принятой для упрочнения эпоксидных смол, является добавление второй микрофазы в эпоксидную систему. Эти вторые микрофазы будут осаждаться в эпоксидную сетку во время отверждения. Таким образом, формирование многофазной структуры способно инициировать
различные механизмы упрочнения во время роста трещин.
К часто используемым добавкам относятся каучуки, неорганические наночастицы,
жидкокристаллические полимеры и термопласты. Среди этих методов, многие добавки могут быть эффективны в качестве упрочняющих агентов для эпоксидных смол, но их недостатки ограничивают их применение в аэрокосмической промышленности [3]. Кроме того, для высокосшитых эпоксидных смол (трифункциональных и тетрафункциональных), обычно используемых в аэрокосмических композитах, некоторые добавки, такие как каучуки, являются неэффективными упрочнителями из-за снижения теплостойкости. Поэтому были выбраны суперконструкционные термопласты в качестве подходящих модификаторов для эпоксидных смол.
Инженерная термопластичная модификация эпоксидных смол, изучаемая с начала 1980-х годов, рассматривалась как эффективный способ повышения ударной вязкости эпоксидных смол без значительного снижения необходимых свойств, таких как высокая жесткость и прочность, хорошая термическая стабильность, химическая стойкость и устойчивость к ползучести.
Одним из таких термостойких термопластичных модификаторов является поликарбонат. Его
применение в качестве модификатора, повышающего прочностные характеристики, обусловлены его химическим строением [4].
Поликарбонат - хорошо известный инженерный термопласт, обладающий высокими
эксплуатационными характеристиками. Это прочный, легкий и оптически прозрачный термопласт, также он обладает высокой ударной вязкостью, стабильностью размеров и хорошими электрическими свойствами. Такое сочетание свойств делает его уникальным среди множества других термопластичных модификаторов.
Целью данной работы является изучение теплофизических, реологических и физико-механических свойств связующего на основе эпоксидного олигомера, модифицированного поликарбонатом (5, 10, 15, 20 м.ч.).
Экспериментальная часть
Модифицированные связующие были получены смешением эпоксидной смолы (ЭД-20) и поликарбоната Macrolon 2800 компании Bayer при помощи верхнеприводной мешалки при температуре 130°С в течение 4 часов. Был приготовлен ряд смесей с содержанием поликарбоната 5, 10, 15, 20 м.ч. без отвердителя.
Смеси связующего были подвергнуты вакуумированию для удаления пузырьков воздуха, образовавшихся при смешении.
В смеси поликарбоната и ЭД-20 был добавлен отвердитель диаминодифенилсульфон (ДАДФС) в количестве 30 м.ч. на 100 м.ч. эпоксидной смолы и был растворен при температуре 130°С в течение 2030 минут.
Образцы смесей заливались в формы, повторно вакуумировались и отверждались при температуре 180°С в течение 8 часов.
Реологический анализ проводили без отвердителя на ротационном реометре Anton Paar MCR 302 методом осцилляции. Условия эксперимента: температура 130°С, амплитуда 10%, частота, изменяющаяся логарифмически, со 100 до 0,1 рад/с.
Термомеханический анализ проводили на консистометре Хепплера при скорости нагрева 2 °С/мин.
Испытания на ударную вязкость проводили на маятниковом копре методом Динстанта в соответствии с ГОСТ 14235-69.
Обсуждение результатов
При начальных напряжениях сдвига вязкость связующего тем выше, чем больше содержание поликарбоната (рис.1). При возрастании напряжения сдвига вязкость связующих практически не различается, что, вероятно связано с тем, что поликарбонат взаимодействует с эпоксидной смолой при растворении.
1 -
0,01 -'—.........'—.........'—.........'—
0,001 0,01 0,1 1
Igr. Па
Рис. 1. Кривые вязкости связующих на основе ЭД-20 с различным содержанием поликарбоната при температуре 130 °C
Так как вязкость всех исследуемых связующих ниже 2 Па*с, можно сделать вывод о том, что их рекомендуется использовать для изготовления композиционных материалов, например, методом вакуумной инфузии, как наиболее дешевого и простого метода формования композиционных материалов.
Температура стеклования уменьшается с увеличением содержания поликарбоната в эпоксидной смоле (рис. 2). Это связано с тем, что у поликарбоната средняя температура стеклования ниже, чем у чистой отвержденной эпоксидной смолы. В случае смесей имеется одна температура стеклования, а увеличение содержания поликарбоната приводит к ее снижению.
S, % 1 00 г-
Скорость испытания 1-2 С/мин
so - У Г......
60 - J /
40 - Т / Л™-"
—Чистая ЭД-20
— ЭД-20 + ПК (5 м. ч.) —^ ЭД-20 + ПК (10 м.ч.)
— ЭД-20 + ПК (20 м.ч.)
О 50 100 150 200 250
Г(°С)
Рис. 2. Зависимость деформации образца от температуры испытания для чистой ЭД-20 и ЭД-20, модифицированной 5м.ч., 10м.ч. и 20м.ч. ПК.
Режим отверждения 180 °С 8 ч
При увеличении содержания поликарбоната в эпоксидной смоле свыше 5 м.ч. наблюдается увеличение ударной вязкости до 55 Мпа (рис.3).
Содержание, м.ч.
Рис. 3. График зависимости ударной вязкости от содержания поликарбоната. Режим отверждения 180°С 8 ч
При этом зависимость ударной вязкости проходит через максимум при 10 м.ч. ПК и снижается при содержании поликарбоната в смеси в количестве 20 м.ч.
Заключение
На кривых вязкости показано, что комплексная вязкость при начальных скоростях сдвига тем
больше, чем выше содержание поликарбоната в смесях.
По результатам термомеханического анализа видно, что температура начала стеклования снижается с увеличением содержания термопласта в эпоксидной смоле.
Наилучший показатель ударной вязкости наблюдается в образцах при содержании поликарбоната 10 массовых частей.
Список литературы
1. Мошинский Л.Я., Эпоксидные смолы и отвердители / Л.Я. Мошинский - Тель-Авив: Аркадия пресс Лтд. - 1995. - 370 с.
2. Ли Х., Справочное руководство по эпоксидным смолам / Х. Ли, К. Невилл - Ленинград: Энергия. -1973. - 416 с.
3. Wu S, Guo Q, Kraska M, Stvhn B, Mai Y-W (2013) Toughening epoxy thermosets with block ionomers: the role of phase domain size. Macromolecules 46:81908202.
4. Frigione ME, Mascia L, Acierno D (1995) Oligomeric and polymeric modifiers for toughening of epoxy resins. Eur Polym J 31(11):1021-1029.
