Научная статья на тему 'Свойства композиционных материалов на основе смесей эпоксидных полимеров и олигосульфонов. Часть 4. Адгезионные свойства'

Свойства композиционных материалов на основе смесей эпоксидных полимеров и олигосульфонов. Часть 4. Адгезионные свойства Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
115
29
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЭПОКСИДНАЯ СМОЛА / ОТВЕРДИТЕЛЬ / ОЛИГОСУЛЬФОНЫ / КОНЦЕВЫЕ КАРБОКСИЛЬНЫЕ И ФЕНОЛЬНЫЕ ГРУППЫ / МОДИФИКАЦИЯ / АДГЕЗИОННЫЕ СВОЙСТВА / EPOXY RESIN / HARDENER / OLIGOSULFONES / TERMINAL CARBOXYL AND PHENOLIC GROUPS / MODIFICATION / ADHESION PROPERTIES

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Кочергин Ю. С., Григоренко Т. И., Золотарёва В. В.

Исследовано влияние олигосульфонов с концевыми карбоксильными и фенольными группами и молекулярной массой от 1200 до 44500 на адгезионные свойства эпоксидных полимеров при сдвиге и отрыве клеевых соединений. Показано, что модификация приводит к формированию систем, характеризующихся улучшенными адгезионными свойствами, особенно при повышенных температурах испытания. Установлено, что существует оптимальный диапазон концентраций и молекулярных масс олигосульфонов (ориентировочно от 2000 до 20000), который обеспечивает максимальный эффект модификации. Предположено, что формирующиеся в эпоксидной матрице частицы олигосульфонов с малой молекулярной массы имеют размеры и объем, недостаточные, чтобы быть эффективной преградой на пути распространения возможной в полимере трещины. В то же время олигосульфон с большой молекулярной массой способен включать в свой объем определенную часть эпоксидной смолы. Это приводит к относительному уменьшению в композиции доли эпоксидной составляющей, которая в значительной мере определяет адгезию к склеиваемому материалу. Показано, что величина эффекта модификации практически не зависит от природы концевых групп. Максимальный комплекс свойств реализуется для олигосульфонов с концевыми карбоксильными группами и молекулярной массой в диапазоне от 2500 до 4700 при их концентрации 3 10 масс. ч. на 100 масс. ч. эпоксидного олигомера. Для олигосульфона с концевыми карбоксильными группами и молекулярной массой 4700 при концентрации 10 масс. ч. удается повысить прочность клеевых соединений при сдвиге в 1,47 и 3,58 раза и отрыве в 1,39 и 5,08 раза соответственно при температурах испытания 293 и 423 К. Результаты исследований позволяют рекомендовать эпоксидно-олигосульфоновые смеси для разработки конструкционных клеев, работоспособных в широком интервале температур.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Кочергин Ю. С., Григоренко Т. И., Золотарёва В. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

PROPERTIES OF COMPOSITE MATERIALS BASED ON MIXTURES OF EPOXY POLYMERS AND OLIGOSULFONES. PART 4. ADHESION PROPERTIES

The influence of oligosulfons with terminal carboxyl and phenolic groups and a molecular weight from 1200 to 44500 on the adhesion properties of epoxy polymers during the shift and separation of adhesive compounds is studied. It is shown that modification leads to the formation of systems characterized by improved adhesion properties, especially at elevated test temperatures. It is established that there is an optimal range of concentrations and molecular weights of oligosulfons (approximately from 2000 to 20000), which provides the maximum effect of modification. It is assumed that the oligosulfon`s particles formed in the epoxy matrix with a small molecular weight have dimensions and volume that are insufficient to be an effective barrier to the propagation of a possible crack in the polymer. At the same time, an oligosulfon with a large molecular weight is able to include a certain part of the epoxy resin in its volume. This leads to a relative decrease in the composition of the share of the epoxy component, which largely determines the adhesion to the material to be bonded. It is shown that the magnitude of the modification effect practically does not depend on the nature of the end groups. The maximum set of properties is realized for oligosulfones with terminal carboxyl groups and a molecular weight in the range from 2500 to 4700, when the concentration of 3 10 mass parts on 100 mass parts epoxy oligomer. For oligosulfone with terminal carboxyl groups and a molecular weight of 4700 at a concentration of 10 mass parts manages to increase adhesive strength at a shear of 1.47 and 3.58 times and tensile strength of 1.39 and 5.08 times, respectively, at test temperatures of 293 and 423 K. The research results allow to recommend epoxy-oligosulfone mix to design of structural adhesives, operable in a wide temperature range.

Текст научной работы на тему «Свойства композиционных материалов на основе смесей эпоксидных полимеров и олигосульфонов. Часть 4. Адгезионные свойства»

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

DOI: 10.34031/2071-7318-2020-5-4-84-93 *Кочергин Ю.С., Григоренко Т.И., Золотарева В.В.

Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Барановского

*E-mail: viktoria802@gmail. com

СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СМЕСЕЙ ЭПОКСИДНЫХ ПОЛИМЕРОВ И ОЛИГОСУЛЬФОНОВ. ЧАСТЬ 4. АДГЕЗИОННЫЕ СВОЙСТВА.

Аннотация. Исследовано влияние олигосульфонов с концевыми карбоксильными и фенольными группами и молекулярной массой от 1200 до 44500 на адгезионные свойства эпоксидных полимеров при сдвиге и отрыве клеевых соединений. Показано, что модификация приводит к формированию систем, характеризующихся улучшенными адгезионными свойствами, особенно при повышенных температурах испытания. Установлено, что существует оптимальный диапазон концентраций и молекулярных масс олигосульфонов (ориентировочно от 2000 до 20000), который обеспечивает максимальный эффект модификации. Предположено, что формирующиеся в эпоксидной матрице частицы олигосульфонов с малой молекулярной массы имеют размеры и объем, недостаточные, чтобы быть эффективной преградой на пути распространения возможной в полимере трещины. В то же время олигосульфоны с большой молекулярной массой способны включать в свой объем определенную часть эпоксидной смолы. Это приводит к относительному уменьшению в композиции доли эпоксидной составляющей, которая в значительной мере определяет адгезию к склеиваемому материалу. Показано, что величина эффекта модификации практически не зависит от природы концевых групп. Максимальный комплекс свойств реализуется для олигосульфонов с концевыми карбоксильными группами и молекулярной массой в диапазоне от 2500 до 4700 при их концентрации 3-10 масс. ч. на 100 масс. ч. эпоксидного олигомера. Для олигосульфона с концевыми карбоксильными группами и молекулярной массой 4700 при концентрации 10 масс. ч. удается повысить прочность клеевых соединений при сдвиге в 1,47 и 3,58 раза и отрыве в 1,39 и 5,08 раза соответственно при температурах испытания 293 и 423 К. Результаты исследований позволяют рекомендовать эпоксидно-олигосульфоновые смеси для разработки конструкционных клеев, работоспособных в широком интервале температур.

Ключевые слова: эпоксидная смола, отвердитель, олигосульфоны, концевые карбоксильные и фе-нольные группы, модификация, адгезионные свойства.

Введение. В настоящее время для модификации эпоксидных смол с успехом применяют добавки высокомолекулярных ароматических полисульфонов [1-3]. Модифицирующий эффект таких добавок заключается в улучшении влагостойкости, теплостойкости, прочности при разрыве и ударной прочности эпоксидных композиций.

Ряд работ [4-12] посвящен исследованию взаимодействия на границе раздела модифицированная полисульфоном эпоксидная смола-волокно. Авторами показано, что прочность сцепления полимерной матрицы с волокном имеет экстремальную зависимость с максимумом при содержании полисульфона 10 масс. ч. При этом увеличение прочности составляет примерно 25 %. Для данной системы согласно [12] наблюдается также увеличение адгезионной прочности при сдвиге, которое составляет примерно 2,5 раза (рост с 6,4 до 16,3 МПа). При этом следует обратить внимание на очень низкую базу для сравнения: всего 6,4 МПа для немодифицированного полимера. Изменение адгезионной прочности

было связано с изменением структуры межфазного слоя [10, 11]. На основе проведенных исследований были разработаны связующие для композиционных материалов с повышенной стойкостью к ударным нагрузкам, трещиностойкостью и теплостойкостью [13, 14-21].

Ранее нами описано влияние добавок низко-молекурных полисульфонов (олигосульфонов) на теплофизические, деформационно-прочностные и релаксационные свойства эпоксидных полимеров [22-24].

В продолжение исследований целью настоящей работы явилось изучение влияния полисульфонов на адгезионные свойства эпоксидных полимеров.

Методология. В качестве объектов исследования выбраны эпоксидные полимеры на основе промышленной смолы марки ЭД-20 с массовой долей эпоксидных групп 21,3 % и молекулярной массой (ММ) - 410. Отвердителем служил диэти-лентриаминометилфенол марки УП-583Д. В ка-

честве модификаторов были использованы оли-госульфоны (ОСФ) с концевыми карбоксильными группами и концевыми фенольными группами (таблица). Совмещение олигосульфонов с эпоксидной смолой проводили при 393 К.

Отверждение композиций вели без подвода тепла извне при температуре 293 ± 1 К в течение 240 ч.

Таблица 1.

Свойства олигосульфонов.

Шифр образца Молекулярная масса Параметр растворимости, * (МДж/м3)0,5 Температура размягчения, К

в капилляре термомеханический метод

Б-3-К 1200 20,27 425-431 423

Б-6-К 2500 20,33 431-438 433

Б-10-К 4700 20,42 450-456 451

Б-50-К 22500 20,46 - 466

Б-3-Ф 1480 20,91 427 - 432 436

Б-30-Ф 13500 20,66 - 463

Б-100-Ф 44500 20,46 - 478

*)

Определяли расчетным путем по формуле [25]:

8 =

ЕДЕ*

,1/2

(1)

где АЕ1 - вклад каждого атома и типа межмолекулярного взаимодействия в величину эффективной мольной энергии когезии; N - число Авогадро; АУ1 - вандерваальсовый объем молекулы, складывающийся из вандерваальсовых объемов атомов.

Адгезионную прочность при сдвиге (тв) и отрыве (аотр) определяли по ГОСТ 14759-69 и 14760-69 соответственно. Поверхности под склеивание стальных образцов (Ст.3) обрабатывали на шлифовальной плите с помощью электрокорунда до равномерной шероховатости, после чего обезжиривали ацетоном.

Основная часть. Как видно из рис. 1, модификация эпоксидных полимеров олигосуль-фонами с концевыми карбоксильными группами дает возможность улучшить адгезионные характеристики как при комнатной, так и повышенной (423К) температурах. Причем зависимость прочности при сдвиге от содержания ОСФ при комнатной температуре выражена весьма слабо. Для ОСФ с ММ от 2500 до 4700 наблюдается размытый максимум с вершиной приблизительно при 10 масс. ч. Для олигосуль-фонов с ММ<2500 и ММ>4700 максимумы Тв выражены еще слабее, и их вершины проявляются в диапазоне концентраций 1-3 масс. ч. Значения максимальных величин Тв для ОСФ различной ММ приведены на рис. 2. Из него отчетливо видно преимущество олигосульфона Б-10-К над другими добавками с меньшей или большей ММ. При этом увеличение Тв для эпоксидного полимера, содержащего олигосульфон Б-10-К, относительно немодифицированного об-

разца составляет около 47%. Более рельефно эффект упрочнения при модификации эпоксидных смол ОСФ проявляется при повышенной температуре испытания (рис. 1б). Максимумы Тв выражены намного отчетливее по сравнению с комнатной температурой испытания. Наибольшее увеличение адгезионной прочности при сдвиге наблюдается для ОСФ марок Б-6-К и Б-10-К (рис. 2б) и составляет примерно 3,5 раза. Аналогичная картина наблюдается и для зависимости адгезионной прочности при равномерном отрыве Оотр (рис. 3). При комнатной температуре наилучшие результаты обеспечивают те же ОСФ (Б-6-К и Б-10-К), что и в случае Тв. Причем для Б-10-К эффект выражен более явно (рис. 4а). В случае его введения в состав композиции увеличение Оотр составляет около 40%, т. е. примерно такую же величину, что и для Тв. При повышенной температуре эффект увеличения Оотр, как и в случае Тв, выражен более четко (рис. 3б). Наибольший рост Оотр имеет место для Б-10-К и Б-50-К. Так, для Б-10-К увеличение Оотр составляет более 5 раз относително немодифицирован-ного образца (рис. 4б). Природа концевых реак-ционноспособных групп (карбоксильные или фенольные) не оказывает заметного влияния на величину адгезионной прочности (рис. 5). При этом несколько большие значения Оотр, как при комнатной, так и повышенной температуре испытания могут быть в большей степени обусловлены не химической природой концевых круп ОСФ, а более высокой молекулярной массой Б-3-Ф (1470) по сравнению с Б-3-К (1200). Как следует из рис. 6, концентрационные зависимости адгезионной прочности для ОСФ с фенольными группами аналогичны таковым для ОСФ с карбоксильными группами. Однако достигаемые максимальные значения Оотр при введении ОСФ

с фенольными группами ниже, чем в случае ОСФ с карбоксильными группами (рис. 4). На основе полученных зависимостей можно заключить, что существует оптимальный диапазон концентраций и молекулярных масс ОСФ (ориентировочно 2000<ММ<20000), который обеспечивает максимальный эффект модификации. По-видимому, при ММ<2000 формирующиеся в эпоксидной матрице частицы ОСФ имеют размеры и объем, недостаточные, чтобы реализовать эффект упрочнения, прежде всего быть эффективной преградой на пути распространения возможной в полимере трещины. При ММ>20000, вероятно, олигосульфон, благодаря хорошей совместимости компонентов, способен окклюдировать (включать в свой объем) определенную часть эпоксидной смолы, что приводит

к относительному уменьшению концентрации эпоксидной матрицы в композиции, которая в значительной мере и определяет величину адгезии к склеиваемому материалу. Кроме того, определенный вклад в упрочнение клеевого шва будут вносить и дополнительне водородные связи, которые образуются между полярными группами молекул эпоксидной смолы, отверди-теля и ОСФ. Повышение адгезионной прочности при повышенной температуре может быть также связано с увеличением плотности химической сетки в эпоксидной матрице при введении модификаторов, а также насыщением системы компонентом с более высокими жесткостью и теплостойкостью.

Рис. 1. Зависимость адгезионной прочности при сдвиге от концентрации олигосульфонов Б-3-К (1), Б-6-К (2), Б-10-К (3) и Б-50-К (4) в эпоксидных композициях. Температура испытания 293 К (а) и 423 К (б)

12345 12345

Рис. 2. Максимальные значения адгезионной прочности при сдвиге, измеренной при 293 К (а) и 423 К (б), для исходного эпоксидного полимера (1) и модифицированного Б-3-К (2), Б-6-К (3), Б-10-К (4) и Б-50-К (5).

Рис. 3. Зависимость адгезионной прочности при отрыве от концентрации олигосульфонов Б-3-К (1), Б-6-К (2), Б-10-К (3) и Б-50-К (4) в эпоксидных композициях. Температура испытания 293 К (а) и 423 К (б).

Рис. 4. Максимальные значения адгезионной прочности при отрыве, измеренной при 293 К (а) и 423 К (б), для исходного эпоксидного полимера (1) и модифицированного Б-3-К (2), Б-6-К (3), Б-10-К (4), Б-50-К (5), Б-3-Ф (6), Б-30-Ф (7) и Б-100-Ф (8)

Рис. 5. Зависимость адгезионной прочности при отрыве от концентрации олигосульфонов Б-3-К (1) и Б-3-Ф (2) в эпоксидных композициях. Температура испытания 293 К (а) и 423 К (б)

Рис. 6. Зависимость адгезионной прочности при отрыве от концентрации олигосульфонов Б-3-Ф (1), Б-30-Ф (2) и Б-100-Ф (3) в эпоксидных композициях. Температура испытания 293 К (а) и 423 К (б).

Выводы. Таким образом, модификация ЭО олигосульфонами приводит к формированию систем, характеризующихся улучшенными адгезионными свойствами. В большей степени эффект упрочнения проявляется при повышенных температурах. Величина эффекта в большей степени зависит от количества введенного модификатора и его молекулярной массы и в значительно меньшей мере - от природы концевых групп. Максимальный комплекс свойств реализуется для оли-госульфонов с концевыми карбоксильными группами и молекулярной массой в диапазоне от 2500 до 4700 при их концентрации 3-10 масс. ч. на 100 масс. ч. эпоксидного олигомера. Полученные данные свидетельствуют о том, что использование олигосульфонов в качестве модификаторов эпоксидных смол позволяет получать полимеры с высокими адгезионными свойствами (особенно при повышенных температурах), которые могут

применяться как конструкционные клеи в различных отраслях народного хозяйства.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Raghava R.S. Secondary transitions and fracture toughness of cured epoxy resins and their blends with polyethersulfones // 28th Nat. SAMPE Symp. and Exhib. 1983. Vol. 28. Pp. 367-373.

2. Buckall C.B., Partridge I.K. Addition of pol-yethersulphone to epoxy resins // Brit. Polym. J. 1983. Vol. 15. № 1. Pp. 71-75.

3. Ibrahim A.M., Quinlivan T.J., Seferis J.C. Processing of polyethersulfone reinforced high performance epoxy blends // Amer. Chem. Soc. Polym. Prepr. 1985. Vol. 26, № 1. Pp. 277-278.

4. Горбунова И.Ю., Кербер М.Л., Шустов М.В. Особенности поведения эпоксидных связующих, модифицированных термопластом // Пласт. массы. 2003. № 12. С. 38-41.

5. Горбаткина Ю.А. Влияние модификаторов на адгезионные свойства полимерных композиций. Часть 1. Общие представления // Клеи. Герметики. Технологии. 2004. №4. С. 18-24.

6. Горбаткина Ю.А. Влияние модификаторов на адгезионные свойства полимерных композиций. Часть 2. Эпоксидиановые олигомеры (окончание) // Клеи. Герметики. Технологии. 2004. №5. С. 24-29.

7. Solodilov V.I., Gorbatkina Yu. A. Properties of unidirectional GFRPs based on an epoxy resin modified with polysulphone or an epoxyurethane oligomer // Mechanics of Composite Materials. 2006. Vol. 73, № 5. P. 513-526.

8. Горбунова И.Ю., Шустов М.В., Кербер М.Л. Влияние термопластичных модификаторов на свойства и процесс отверждения эпоксидных полимеров // Инженерно-физический журнал. 2003. Т. 6. № 3. С. 1-4.

9. Сопотов Р.И., Горбунова И.Ю. Изучение влияния содержания термопластичных модификаторов и режима отверждения на ударную вязкость эпоксиаминного связующего // Успехи в химии и химической технологии. 2013. Т. 27, № 3(143). С. 101-103

10.Чалых А.Е., Герасимов В.К. Фазовые равновесия и фазовая структура смесей полимеров // Успехи химии. 2004. Т. 73, №1. С. 63-78.

11.Чалых А.Е., Герасимов В.К., Бухтеев А.Е. Совместимость и эволюция фазовой структуры смесей полисульфон-отверждающиеся эпоксидные олигомеры // Высокомолек. соед. Сер. А. 2003. Т. 45, №7. С. 1148-1159.

12.Солодилов В.И., Горбаткина Ю.А. Свойства однонаправленных стеклопластиков на основе эпоксидной смолы, модифицированной по-лисульфоном или эпоксиуретановым олигоме-ром // Механика композитных материалов. 2006. Т. 42, № 6. С. 739-758.

13.Солодилов В.И., Баженов С.Л., Горбаткина Ю.А., Куперман А.М. Определение энергии межслойного разрушения стеклопластика на образцах в виде сегментов кольца // Механика композитных материалов. 2003. Т. 38, № 5. С. 615626.

14.Солодилов В.И., Корохин Р.А., Горбаткина Ю.А., Куперман А.М. Органопластики на основе сложных гибридных матриц, включающих в качестве модификаторов эпоксидных смол полисульфон и углеродные нанотрубки // Химическая физика. 2012. Т. 3, №6. С. 63-71.

15.Солодилов В.И., Горбаткина Ю.А., Корохин Р.А., Куперман А.М. Свойства намоточных органопластиков на основе эпоксисульфоно-

вых матриц и парамидных волокон Армос и Ру-сар // Клеи. Герметики. Технологии. 2018. №2. С. 2-7.

16.Solodilov V.I., Gorbatkina Yu.A., Korokhin R.A., Kuperman A.M. Properties of filament-wound organoplastics based on epoxy polysulfone matrices and Armos and Rusar aramid fibers // Polymer Science. 2018. Series D. Vol. 11, issue 3. Pp. 247-251.

17.Солодилов В.И., Бессонов И.В., Кирей-нов А.В., Тараскин Н.Ю., Куперман А.М. Свойства стеклопластиков на основе эпоксидного связующего, модифицированного фурфуролацтоно-вой смолой и полисульфоном // Композиты и наноструктуры. 2016. Т.8, №2. С.77-87.

18.Solodilov V.I., Korokhin R.A., Gorbatkina Yu.A., Kuperman A.M. Comparison of structure energies of epoxy-polysulfone matrices and unidirectional composites based on them // Mechanics of Composite Materials. 2015. V. 51, №2. Pp. 177-190.

19.Korokhin R.A., Solodilov V.I., Gorbatkina Yu.A., Shapagin A.V. Rheological and physicome-chanical properties of epoxy-polyetherimide compositions // Mechanics of Composite Materials. 2015. V. 51, №3. Pp. 313-320.

20.Korokhin R.A., Solodilov V.I., Gorbatkina Yu.A., Kuperman A.M. Carbon nanotubes as modifiers for epoxypolysulfone matrices for wound organic fiber reinforced plastics // Mechanics of Composite Materials. 2013. V. 49, №1. Pp. 51-58.

21.Дементьева Л.А., Куцевич К.Е., Лукина Н.Ф., Рубцова Е.В., Петрова А.П. Свойства эпоксидных конструкционных пленочных клеев, модифицированных полисульфоном // Клеи. Герметики. Технологии. 2016. №11. С. 13-18.

22.Кочергин Ю.С., Григоренко Т.И., Золотарева В.В. Свойства композиционных материалов на основе смесей эпоксидных полимеров и оли-госульфонов. Часть 1. Термомеханические свойства // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2018. № 5. С. 66-77.

23.Кочергин Ю.С., Григоренко Т.И., Золотарева В.В. Свойства композиционных материалов на основе смесей эпоксидных полимеров и оли-госульфонов. Часть 2. Статические и динамические релаксационные свойства // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2019. № 6. С. 140-146.

24.Кочергин Ю.С., Золотарева В.В. Свойства композиционных материалов на основе смесей эпоксидных полимеров и олигосульфонов. Часть 3. Физико-механические свойства // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2019. № 11. С. 101111.

25.Аскадский А.А., Матвеев Ю.И. Химическое строение и физические свойства полимеров. М.: Химия, 1983. 248 с.

Информация об авторах

Кочергин Юрий Сергеевич, доктор технических наук, профессор кафедры общеинженерных дисциплин. Е-mail: ivano.tanya2011@yandex.ua. Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Барановского. Украина, 83117, Донецк, ул. Щорса, 31.

Григоренко Татьяна Ильинишна. Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Барановского. Украина, 83117, Донецк, ул. Щорса, 31.

Золотарева Виктория Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры товароведения и экспертизы непродовольственных товаров E-mail: viktoria802@gmail.com. Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Барановского» Украина, 83117, Донецк, ул. Щорса, 31.

Поступила 26.01.2020 г.

© Кочергин Ю.С., Григоренко Т.И., Золотарева В.В., 2020

*Kochergin Y.S., Grigorenko T.I., Zolotareva V. V.

Donetsk National University of Economics and Trade named after Mikhail Tugan-Baranovsky

Ukraine, 83117, Donetsk, st. Shchorsa 31 *E-mail: viktoria802@gmail.com

PROPERTIES OF COMPOSITE MATERIALS BASED ON MIXTURES OF EPOXY POLYMERS AND OLIGOSULFONES. PART 4. ADHESION PROPERTIES

Abstrsct. The influence of oligosulfons with terminal carboxyl and phenolic groups and a molecular weight from 1200 to 44500 on the adhesion properties of epoxy polymers during the shift and separation of adhesive compounds is studied. It is shown that modification leads to the formation of systems characterized by improved adhesion properties, especially at elevated test temperatures. It is established that there is an optimal range of concentrations and molecular weights of oligosulfons (approximately from 2000 to 20000), which provides the maximum effect of modification. It is assumed that the oligosulfon 's particles formed in the epoxy matrix with a small molecular weight have dimensions and volume that are insufficient to be an effective barrier to the propagation of a possible crack in the polymer. At the same time, an oligosulfon with a large molecular weight is able to include a certain part of the epoxy resin in its volume. This leads to a relative decrease in the composition of the share of the epoxy component, which largely determines the adhesion to the material to be bonded. It is shown that the magnitude of the modification effect practically does not depend on the nature of the end groups. The maximum set of properties is realized for oligosulfones with terminal carboxyl groups and a molecular weight in the range from 2500 to 4700, when the concentration of 3-10 mass parts on 100 mass parts epoxy oligomer. For oligosulfone with terminal carboxyl groups and a molecular weight of4700 at a concentration of 10 mass parts manages to increase adhesive strength at a shear of 1.47 and 3,58 times and tensile strength of 1,39 and 5,08 times, respectively, at test temperatures of 293 and 423 K. The research results allow to recommend epoxy-oligosulfone mix to design of structural adhesives, operable in a wide temperature range.

Keywords: epoxy resin, hardener, oligosulfones, terminal carboxyl and phenolic groups, modification, adhesion properties.

REFERENCES

1. Raghava R.S. Secondary transitions and fracture toughness of cured epoxy resins and their blends with polyethersulfones. 28th Nat. SAMPE Symp. and Exhib., 1983. Vol. 28. Pp. 367-373

2. Buckall C.B., Partridge I.K. Addition of polyethersulphone to epoxy resins. Brit. Polym. J., 1983. Vol. 15, No. 1. Pp. 71-75.

3. Ibrahim A.M., Quinlivan T.J., Seferis J.C. Processing of polyethersulfone reinforced high performance epoxy blends. Amer. Chem. Soc. Polym. Prepr., 1985. Vol. 26, No. 1. Pp. 277-278

4. Gorbunova I. Yu., Kerber M. L., Shustov M. V. Features of behavior of epoxy binders modified by thermoplastics [Osobennosti ovedeniya ehpoksidnyh svyazuyushchih modificirovannyh ter-moplastom]. Plast. Masses. 2003. No. 12. Pp. 3841. (rus)

5. Gorbatkina Yu.A. The influence of modifiers on adhesion properties of polymer compositions. Part 1. Common views [Vliyanie modifikatorov na adgezionnye svojstva polimernyh kompozicij. Chast.1. Obshchie predstavleniya]. Glues. Sealants. Technologies, 2004. No. 4. Pp. 18-24. (rus)

6. Gorbatkina Yu.A. The influence of modifiers on adhesion properties of polymer compositions.

Part 2. Epoxy oligomers (end) [Vliyanie modi-fikatorov na adgezionnye svojstva polimernyh kompozicij. Chast. 2. Ehpoksidianovye oligomery (okonchanie)]. Glues. Sealants. Technologies, 2004. No. 5. Pp. 24-29. ( rus)

7. Solodilov V.I., Gorbatkina Yu.A. Properties of unidirectional GFRPs based on an epoxy resin modified with polysulphone or an epoxy oligomer. Mechanics of Composite Materials, 2006. Vol. 73, No. 5. Pp. 513-526.

8. Gorbunova I.Yu., Shustov M.V., Kerber M.L. The influence of thermoplastic modifiers on properties and curing process of epoxy polymers [Vliyanie termoplastichnyh modifikatorov na svojstva i process otverzhdeniya ehpoksidnyh po-limerov]. Engineering-physical Journal, 2003. Vol. 6, No. 3. Pp. 1-4. (rus)

9. Sopotov R.I., Gorbunova I.Y. Study of the influence of the content of thermoplastic modifiers and curing regime on the toughness of epoxy-amine binder [Izuchenie vliyaniya soderzhaniya termo-plastichnyh modifikatorov i rezhima otverzhdeniya na udarnuyu vyazkost ehpoksiaminnogo svyazuyushchego]. Successes in chemistry and chemical technology, 2013. Vol. 27, No. 3(143). Pp. 101-103. (rus)

10.Chalykh A.E., Gerasimov V.K.. Phase equilibrium and phase structure of polymer mixtures [Fazovye ravnovesiya i fazovaya struktura smesej polimerov]. Advances in chemistry, 2004. Vol. 73, No. 1. Pp. 63-78. (rus)

11.Chalykh A.E., Gerasimov V.K., Bukhteev A.E. Compatibility and the evolution of the phase structure of blends of polysulfone - curing epoxy resins [Sovmestimost i ehvolyuciya fazovoj struktury smesej polisulfon-otverzhdayushchiesya ehpoksidnye oligomery]. High-molecular compounds. Ser. A, 2003. Vol. 45, No. 7. Pp. 11481159. (rus)

12.Solodilov V.I., Gorbatkina Yu.A. Properties of unidirectional fiberglass based on epoxy resin modified with polysulfone or epoxyurethane oligomer [Svojstva odnonapravlennyh stekloplas-tikov na osnove ehpoksidnoj smoly modificirovan-noj polisulfonom ili ehpoksiuretanovym oligo-merom]. Mechanics of composite materials, 2006. Vol. 42, No. 6. Pp. 739-758. (rus)

13.Solodilov V.I., Bazhenov S.L., Gorbatkina Yu.A., Kuperman AM. Determination of energy of interlaminar fracture of glass on the samples in the form of segments of rings [Opredelenie ehnergii mezhslojnogo razrusheniya stekloplastika na obrazcah v vide segmentov kolca]. Mechanics of composite materials, 2003. Vol. 38, No. 5. Pp. 615626. (rus)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

14.Solodilov V.I., Korokhin R.A., Gorbatkina Yu.A., Kuperman A.M. Organoplastic on the basis

of a complex hybrid matrix, such as modifiers of epoxy resins polysulfone and carbon nanotubes [Or-ganoplastiki na osnove slozhnyh gibridnyh matric vklyuchayushchih v kachestve modifikatorov ehpoksidnyh smol polisulfon i uglerodnye na-notrubki]. Chemical physics, 2012. Vol. 3, No. 6. Pp. 63-71. (rus)

15.Solodilov V.I., Gorbatkina Yu.A., Korokhin R.A., Kuperman A.M. Properties of filament-wound organoplastics based on epoxy polysulfone matrices and Armos and Rusar aramid fibers [Svojstva namotochnyh organoplastikov na osnove ehpoksisulfonovyh matric i paramidnyh volo-kon Armos i Rusar]. Glues. Sealants. Technologies, 2018. No. 2. Pp. 2-7. (rus)

16.Solodilov V.I., Gorbatkina Yu.A., Korokhin R.A., Kuperman A.M. Properties of filament-wound organoplastics based on epoxy poly-sulfone matrices and Armos and Rusar aramid fiber Polymer Science, Ser. D, 2018. Vol.11, No. 3. Pp. 247-251.

17.Solodilov V.I., Bessonov I.V., Kuranov A.V., Taraskin N.Yu., Kuperman, A. M., Properties of glass-reinforced plastics based on epoxy resins modified with furfuralcohol resin and polysulfone [Svojstva stekloplastikov na osnove ehpoksidnogo svyazuyushchego modificirovannogo furfurolac-tonovoj smoloj i polisulfonom]. Composites and nanostructures, 2016. Vol. 8, No. 2. Pp. 77-87. (rus)

18.18. Solodilov V.I., Korokhin R.A., Gorbatkina Yu.A., Kuperman A.M. Comparison of structure energies of epoxy-polysulfone matrices and unidirectional composites based on them. Mechanics of Composite Materials, 2015. Vol. 51, No.2. Pp.177-190.

19.Korokhin R.A., Solodilov V.I., Gorbatkina Yu.A., Shapagin A.V. Rheological and physicome-chanical properties of epoxy-polyetherimide compositions. Mechanics of Composite Materials, 2015. Vol. 51, No.3. Pp.313-320.

20.Korokhin R.A., Solodilov V.I., Gorbatkina Yu.A., Kuperman A.M. Carbon nanotubes as modifiers for epoxypolysulfone matrices for wound organic fiber reinforced plastics. Mechanics of Composite Materials, 2013. Vol. 49, No.1. Pp.51-58.

21.Dementieva L.A., Kuntsevich K.E., Lukina N.F., Rubtsova E.V., Petrova A.P. Properties of epoxy structural film adhesives modified with polysulfone[Svojstva epoksidnyh konstrukcionnyh plenochnyh kleev, modificirovannyh polisul'fonom]. Glues. Sealants. Technologies. 2016. No. 11. Pp. 13-18. (rus)

22.Kochergin Yu.S., Grigorenko T.I., Zolotareva V.V. Properties of composite on the basis of mixtures of epoxy polymers and oligosulfones. Part 1. Thermomechanical properties [Svojstva kompozicionnyh materialov na osnove

smesej ehpoksidnyh polimerov i oligosulfonov. Chast 1. Termomekhanicheskie svojstva]. Bulletin of BSTU named after V. G. Shukhov, 2018. No. 5. Pp. 66-77. (rus)

23.Kochergin Yu.S., Grigorenko T.I., Zolotareva V.V. Properties of composite on the basis of mixtures of epoxy polymers and oligosulfones. Part 2. Static and dynamic relaxation properties [Svojstva kompozicionnyh materialov na osnove smesej ehpoksidnyh polimerov i oligosulfonov. Chast 2. Staticheskie i dinamicheskie relaksacionnye svojstva]. Bulletin of BSTU named after V. G. Shukhov, 2019. No. 6. Pp. 140-146. (rus)

24.Kochergin Yu.S., Zolotareva V.V. Properties of composite on the basis of mixtures of epoxy polymers and oligosulfones. Part 3. Physico-mechanical properties [Svojstva kompozicionnyh materialov na osnove smesej ehpoksidnyh polimerov i oligosulfonov. Chast 3. Fiziko-mekhanicheskie svojstva]. Bulletin of BSTU named after V. G. Shukhov, 2019. No. 11. Pp. 101-111. (rus)

25. Askadsky A.A., Matveev Yu.I. Chemical structure and physical properties of polymers [Himicheskoe stroenie i fizicheskie svojstva polimerov]. Moscow: Chemistry, 1983. 248 p. (rus)

Information about the authors

Kochergin, Yuri S. PhD, Professor. E-mail: ivano.tanya2011@yandex.ua. Donetsk National University of Economics and Trade named after Mikhail Tugan-Baranovsky Ukraine, 83117, Donetsk, st. Shchorsa 31

Grigorenko, Tat'yana I. Donetsk National University of Economics and Trade named after Mikhail Tugan-Baranovsky Ukraine, 83117, Donetsk, st. Shchorsa 31.

Zolotareva, Victoriya V. PhD, Assistant professor. E-mail: viktoria802@gmail.com Donetsk National University of Economics and Trade named after Mikhail Tugan-Baranovsky Ukraine, 83117, Donetsk, st. Shchorsa 31.

Received 26.01.2020 Для цитирования:

Кочергин Ю.С., Григоренко Т.И., Золотарева В.В. Свойства композиционных материалов на основе смесей эпоксидных полимеров и олигосульфонов. Часть 4. Адгезионные свойства // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2020. № 4. С. 84-93. DOI: 10.34031/2071-7318-2020-5-4-84-93

For citation:

Kochergin Y.S., Grigorenko T.I., Zolotareva V.V. Properties of composite materials based on mixtures of epoxy polymers and oligosulfones. Part 4. Adhesion properties. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2020. No. 4. Pp. 84-93. DOI: 10.34031/2071-7318-2020-5-4-84-93

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.