CC BY
38
УДК 678.6:544.7
Р.И. Сопотов, Д.А. Скакун, А.И. Коротова, Н.В. Борносуз, И.Ю. Горбунова*
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9 * e-mail: giy161@yandex.ru.ru
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СПОСОБА ВВЕДЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ НА УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ И АДГЕЗИОННУЮ ПРОЧНОСТЬ ЭПОКСИАМИННОГО СВЯЗУЮЩЕГО
В настоящей работе исследовали ударную вязкость и адгезионную прочность эпоксиаминной композиции. Данные эксплуатационные характеристики отверждённых композиций зависят от способа введения нанонаполнителя.
Ключевые слова: наночастицы; оксид алюминия;эпосиаминное связующее; ударная вязкость; адгезионная прочность.
В настоящее время одним из перспективных направлений при создании композиционных материалов на основе эпоксидного олигомера является их модифицирование различными нанодобавками на основе полимерных глин [1] и оксидов металлов [2-4]. В работе [5] показано, что введение наночастиц оксида алюминия повышает механические свойства отверждённого эпоксидного олигомера.
Основой для исследуемых систем служила эпоксидная смола ЭД-20 (ГОСТ 10597-76); в качестве отвердителя использовали
диаминдифенилсульфон (ДАДФС).
Модификатором служил микронизированный алюминий (диаметр ~13 нм, удельная поверхность ~100 м2/г). Модификатор (4, 2, 1, 0,5 и 0,1 масс. %) в виде эмульсии порошка Al2O3 в этиловом спирте ^ШОН и неэмульгированного порошка добавлялся в эпоксидный олигомер при 100-105 0С и постоянном перемешивании на высокоскоростной мешалке (~500 об/мин) в течение 40 мин.
Композиция с эмульгированном порошком AhOз выдерживалась в вакуум-шкафу (0,7 атм) при 120 0С в течение 3 часов.
Затем в каждую композицию, независимо от способа введения модификатора, добавляли отвердитель при 30 0С и постоянном перемешивании (—100 об/мин) в течение 20 мин. Исследуемые композиции использовались в качестве адгезивов при изготовлении двух типов клеевых соединений - для измерения прочности при отрыве и сдвиге. В клеевых соединениях подложкой служила сталь марки "сталь 3", предварительно обработанная методом шлифования.
Прочность клеевых соединений при сдвиге оценивалась согласно ГОСТ 14759-69 "Метод определения прочности при сдвиге". Стальные пластинки размером 70х20х1 мм склеивали внахлестку, площадь склейки была примерно 300 мм2.
Прочность соединений при равномерном отрыве оценивали согласно ГОСТ 14760-69 "Метод определения прочности при отрыве".
В обоих методах клеевую композицию массой 0,05 г., толщиной ~0,5 мм наносили на склеиваемые поверхности. После этого поверхности соединяли друг с другом, прикладывая нагрузку равную 1 кг. Образцы помещали в специальные кассеты и отверждали при температуре 180 °С в течение 8 ч. Для определения разрушающих нагрузок
использовали разрывную машину WPM VEB Thüringer Industriewerk Rauenstein 11/2612. Скорость движения зажимов во всех опытах равна 20 мм/мин.
Адгезионную прочность в обоих методах определяли по формуле:
А
стсдвиг - Sx 9 8
Также изготовленные композиции
исследовались на ударную вязкость в соответствии с ГОСТ 14235-69 "Метод определения ударной вязкости на приборе типа Динстант". Образцы представляли собой блоки размером 10х15х4 мм.
Клеевую композицию массой ~0,5 г, заливали в фторопластовую форму и отверждали при температуре 180°С в течение 8 ч.
Концентрация А1203 (масс. %)
Рис. 1. Зависимость сдвиговой адгезионной прочности от концентрации Л12О3, введённого в виде неэмульгированного порошка (1), в виде эмульсии (2)
Концентрация А1203 (масс. %)
Рис. 2. Зависимость адгезионной прочности на равномерный отрыв от концентрации Л12О3, введённого в виде неэмульгированного порошка (1), в виде эмульсии (2)
20
8
7
18
6
16
1= 5
14 -
D 4
12 -
3
10 -
2
Также изготовленные композиции
исследовались на ударную вязкость в соответствии с ГОСТ 14235-69 "Метод определения ударной вязкости на приборе типа Динстант". Образцы представляли собой блоки размером 10х15х4 мм.
Клеевую композицию массой ~0,5 г, заливали в фторопластовую форму и отверждали при температуре 180 °С в течение 8 часов.
Ударную вязкость определяли по формуле: А
где А - работа удара (показание прибора в кгс), 5" -площадь поперечного сечения образца (м2).
На рис. 1 и 2 графически представлены результаты экспериментов по определению адгезионной прочности для различных композиций.
Как видно из графиков, прирост сдвиговой адгезионной прочности приблизительно одинаков для каждого из методов введения модификатора и составляет ~30% и не меняется с увеличением концентрации наполнителя. Для испытаний на равномерный отрыв наблюдается экстремальная зависимость адгезионной прочности с
минимумом при концентрации наполнителя 0,51% мас. Возможно, дальнейшее введение модификатора приведёт к росту адгезионной прочности на равномерный отрыв. Такое различие в приросте показателя, вероятно, объясняется различием механизмов разрушения клеевого соединения [6, 7].
Из графиков видно, что зависимости носят аналогичный характер. Более низкие значения для композиций, где в качестве модификатора использовалась эмульсия порошка, объясняются дефектностью клеевого слоя. Визуально были заметны пустые полости и пузырьки на стальных
подложках. Вероятно, условия для испарения С2Н5ОН были не оптимальными и оставшийся этиловый спирт в процессе отверждения улетучился, вызвав образование пузырей в клеевом слое.
На рис. 3 представлены зависимости ударной вязкости полученных композиций от концентрации модификатора.
Концентрация А1203 (масс. %)
Рис. 3. Зависимость ударной вязкости от концентрации А12О3, введённого в виде неэмульгированного порошка (1), в виде эмульсии (2)
Как видно из рисунка 3, увеличение концентрации АЬОз приводит к росту ударной вязкости примерно в два раза для обоих случаев введения наполнителя. Зависимости носят аналогичный характер. На образцах для испытаний на ударную вязкость наблюдалось меньше дефектов, чем для образов, испытуемых на адгезионную прочность. Возможно, это вызвано большей площадью испарения этилового спирта и отсутствием давления на композицию.
На примере вышеприведенных зависимостей видно, что при подобранных условиях испарения дисперсной среды способ введения АЬОз не влияет на ударную вязкость и адгезионную прочность отверждённого соединения.
Сопотов Ростислав Игоревич аспирант кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Скакун Дмитрий Андреевич студент кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Коротова Анна Игоревна студентка кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Борносуз Наталья Витальевна студентка кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Горбунова Ирина Юрьевна д.х.н. профессор кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Dean D, Walker R, Theodore M, Hampton E, Nyairo E (2005) Chemorheology and properties of epoxy/layered silicate nanocomposites. Polymer 46:3014-3021
2. Bondioli F, Cannillo V, Fabbri E, Messori M (2006) Preparation and characterization of epoxy resins filled with submicron spherical zirconia particles. Polymer 51:794-798
3. Bondioli F, Dorigato A, Fabbri P, Messori M, Pegoretti A (2008) High-density polyethylene reinforced with submicron titania particles. Polym Eng Sci 48:448-457
4. Bondioli F, Dorigato A, Fabbri P, Messori M, Pegoretti A (2009) Improving the creep stability of high-density polyethylene with acicular titania nanoparticles. J Appl Polym Sci 112:1045-1055
5. Andrea Dorigato, Alessandro Pegoretti (2011) IThe role of alumina nanoparticles in epoxy adhesives. J Nanopart Res (2011) 13:2429-2441
6. Кинлок Э. Адгезия и адгезивы: Наука и технологии. Пер. с Англ. - М.:Мир, 1991 . 484 с.
7. Бикерман Я.О. Новые представления о прочности адгезионных связей полимеров. Успехи химии Т. XLI 1972. 244 с.
Sopotov Rostislav Igorevich, Skakun Dmitriy, Andreevich, Korotova Anna Igorevna, Bornosuz Natalia Vitalievna, Gorbunova Irina Yurevna*
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
* e-mail: giy161@yandex.ru
STUDYING OF INFLUENCE OF THE MODE OF INTRODUCTION OF NANOPARTICLES OF ALUMINIUM OXIDE ON TOUGHNESS AND ADHESION STRENGTH EPOXY-AMINE'S BINDING
Abstract
In the present work we studied the toughness and adhesion strength of epoxyamine composition. These performance characteristics of cured compositions depends on the mode of introduction of the nanofiller.
Key words: nanoparticles; alumina; epoxy-amine binding impact strength; adhesion strength.
