CC BY
152
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXXI. 2017. № 11
УДК 678.5
Горбачева С.Н., Горбунова И.Ю., Антонов С.В., Кербер М.Л.
СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНОЙ СМОЛЫ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ НИТРИДОМ БОРА
Горбачева Светлана Николаевна, студентка бакалавриатуры кафедры технологии переработки пластмасс; Горбунова Ирина Юрьевна, д.х.н., профессор кафедры технологии переработки пластмасс, [email protected]
Кербер Михаил Леонидович, д.х.н., профессор кафедры технологии пластических масс, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, Миусская площадь, д. 9
Антонов Сергей Вячеславович, к.х.н., зам. директора института нефтехимического синтеза им.А.В. Топчиева РАН, Москва, Россия
119991, ГСП-1, Москва Ленинский проспект, 29
Показано влияние дисперсного наполнителя нитрида бора на теплопроводящие, физико-механические и адгезионные свойства композиционного материала на основе эпоксидного олигомера, отвержденного методом холодного отверждения.
Ключевые слова эпоксидная смола, нитрид бора, теплопроводность, холодное отверждение.
THE PROPERTIES OF COMPOSITE POLYMERIC MATERIALS BASED ON EPOXY RESINS, MODIFIED WITH BORON NITRIDE
Gorbacheva S.N., Gorbunova I.Y., Kerber M.L., Antonov S.V*. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
*Institute of Petrochemical Synthesis RAS
The influence of dispersed filler boron nitride on thermal conductivity, physical, mechanical and adhesion properties of the composite material based on epoxy oligomer cured at room temperature was studied. Key words epoxy resin, boron nitride, thermal conductivity, curing at room temperature.
Введение
Полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе эпоксидных смол используются в различных областях строительной индустрии. В связи с этим, в широких пределах варьируются требования к эксплуатационным показателям эпоксидных ПКМ. Порой предъявляемые к ним требования противоречат друг другу [1].
Получение ПКМ с требуемыми эксплуатационными характеристиками может быть достигнуто модификацией исходного эпоксидного полимера, в процессе которой происходит целенаправленное регулирование структуры.
Получение эпоксидных полимерных композитов строительного назначения с заранее заданными свойствами, как правило, связано с применением физико-химических методов модификации: введение твердых нерастворимых наполнителей и заполнителей, поверхностно-активных веществ, инертных
пластификаторов и разбавителей [2,3,4].
Взаимодействие полимерной матрицы с поверхностью твердого включения в процессе отверждения является сложным процессом. Присутствие наполнителя затрудняет сегментальную и молекулярную подвижность в матрице, если между ними происходит адсорбционное взаимодействие. Это явление значительно влияет на качество адгезии между фазами, внося свой вклад в развитие гибридной фазы, Обычно с увеличением содержания наполнителя возрастает динамический модуль упругости и модуль потерь композита. Увеличение модуля объясняется усиливающим действием твердых неорганических включений. Кроме того, на поверхности частиц
наполнителя образуется тонкий слой полимера, молекулярная подвижность цепей и сегментов которого уменьшается в результате конформационных ограничений. Существование такого относительно жесткого слоя может быть другой причиной возрастания модуля при увеличении содержания наполнителя [4]. Выбор того или иного модификатора или их комбинации вызывает необходимость выполнения комплекса экспериментальных
исследований. Экспериментальная часть
Объектом исследования был эпоксидный олигомер ЭД-20, отвержденный аминным отвердителем Л20-М в стехиометрическом соотношении 50 мас. % Л20-М на 100 мас. % эпоксидного олигомера. Время отверждения составило от 3 до 5 суток.
Наиболее распространенным методом исследования процессов отверждения реакционноспособных олигомеров является метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). В отличие от ротационной вискозиметрии данный метод позволяет отслеживать изменения в ходе процесса отверждения как до, так и после наступления гелеобразования, поскольку в ДСК регистрируется выделение теплоты системой, которое не зависит от структурного состояния композиции. Величину остаточных напряжений изучали методом « консольной балки». Адгезионную сдвиговую прочность оценивали по ГОСТ 14759-69. Результаты и их обсуждение
Величина адгезионной прочности при равномерном отрыве главным образом определяется структурой и прочностью при разрыве полимера. На величину напряжения сдвига значительное влияние оказывает
Успехи в х&мии и химической технологии. ТОМ XXXI. 2017. № 11
эластичность клея, так как до разрушения клеевой слои испытывает значительные сдвиговые напряжения и подвергается деформации. В процессе эксплуатации клеевые системы работают в условиях сложного нагруженного состояния, которое лучше моделируется величиной адгезионной прочности при сдвиге.
Тремя ключевыми факторами, влияющими на прочность клеевых соединений, являются: прочность пограничного слоя адгезив-субстрат, когезионная прочность клеевого материала и остаточные напряжения.
Зависимость адгезионной прочности при сдвиге от содержания модификатора представлена на рисунке 1.
40 00
BN. масс.ч-
Рис. 1. Зависимость адгезионной прочности при сдвиге от содержания нитрида бора BN
Как видно из графика, введение нитрида бора повышает адгезионную прочность более чем в 2 раза. Максимальная прочность наблюдается при содержании ВК в количестве 60 масс.ч.
Рис. 2. Зависимость внутренних напряжений от содержания нитрида бора При введении дисперсного наполнителя величина остаточных напряжений возрастает из-за дефектов структуры полимерной сетки. Оценка величины остаточных напряжений проводилась в процессе отверждения. На рисунке 2 представлена зависимость величины остаточных напряжений от содержания наполнителя. Как видно из графика, остаточные напряжения в системе пренебрежимо малы независимо от содержания наполнителя.
Основная задача введения наполнителя - нитрида бора заключалась в повышении теплопроводящих свойств.
На рисунке 3 показана термограмма ДСК, можно отметить, что при введении нитрида бора в систему скорость реакции отверждения увеличивается, при этом площадь пика, соответствующего тепловыделению при отверждении, значительно меньше, чем у исходной системы, что может свидетельствовать о высоких теплопроводящих свойствах системы.
Рис. 3. Термограмма ДСК: 1- немодифицированная композиция, 2 - композиция, содержащая 40 м.ч. нитрида бора. Температура отверждения 700С
Заключение
Таким образом, введение дисперсного наполнителя нитрида бора в систему эпоксидный олигомер-отвердитель приводит к наибольшему повышению исследуемых характеристик при содержании наполнителя в системе от 40 до 60 масс. частей. При этом введение нитрида бора при повышенных температурах приводит к ускорению процесса отверждения. Введение нитрида бора в системы с массовым соотношением 40 масс. частей повышает адгезионную прочность системы и практически не влияет на остаточные напряжения, что дает нам право считать нитрид бора приемлемым наполнителем данной системы. В проведенных ранее работах [5, 6] было установлено, что нитрид бора также повышает физико-механические характеристики компаунда.
Список литературы
1. Воронков А.Г, Ярцев В.П. Эпоксидные полимер-растворы для ремонта и защиты строительных изделий и конструкций: учебное пособие. Изд. Тамб., гос. Техн. ун-та, Тамбов.- 2016.-92 с.
2. http://www.spsss.ru/confer/confer archive/reports/do clad06/soldatov.php
3. http://marhdi.mrsu.ru/2011-2/PDF/Erofeeva.pdf
4. Сахарова Л.А. Разработка и исследование эпоксидных полимерных покрытий, предназначенных для эксплуатации в агрессивных средах. дис. ... канд. хим. наук : 02.00.06, Ярославль. - 2005. -123 с.
5. Горбачева С.Н. Выпускная квалификационная работа на тему: « Разработка низкоусадочного композиционного материала». Москва.- 2016.- 87 с.
6. Негров Д.А., Еремин Е.Н., Путинцев В.Ю., Крамар И.А. Влияние ультразвукового воздействия на структуру политетрафторэтилена модифицированного нитридом бора// Динамика систем, механизмов и машин.- 2016. Т. 3.- № 1.- С. 268-274.
