CC BY
5Научная статья УДК 691.175.2
ГРНТИ: 67.09 Строительные материалы и изделия ВАК: 2.1.5. Строительные материалы и изделия БОТ 10.51608/26867818 2023 4 52
ВЛИЯНИЕ ПОЛЯРНОСТИ СМОЛ НА ВИБРОПОГЛОЩАЮЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЭТИЛЕНВИНИЛАЦЕТАТА
© Авторы 2023 SPIN: 7085-9345 AuthorlD: 925030 ScopusID: 57206276747
SPIN: 6010-7921 ORCID: 0000-0002-1069-2413 ResearcherlD: N-3233-2016 ScopusID: 57191526691
ВОЛОЦКОЙ Алексей Николаевич
старший преподаватель кафедры Строительных конструкций и машин
Вятский государственный университет (Россия, Киров, e-mail: alexeyqwerty@mail.ru)
АВДОНИН Валерий Викторович
кандидат технических наук, доцент кафедры Прикладной механики
Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева (Россия, Саранск, , e-mail: avdoninvalerii@bk.ru)
Аннотация. Данная работа посвящена проблеме разработки вибропоглощающих полимерных композиционных материалов эффективных в широком температурном интервале. В статье изучены вопросы, касающиеся совместимости компонентов вибропоглощающих полимерных материалов. Выполнен анализ результатов инфракрасной спектроскопии полимерных композитов на основе этиленвинилацета, модифицированных смолами. Методом Оуэнса-Вендта вычислены значения свободной поверхностной энергии смол (алкилфенолоформальдегидная смола и эфир канифоли глицериновый). Проведена оценка величины адгезионного взаимодействия для системы «полимер-модификатор» в зависимости от степени полярности модификатора. Произведено сравнение результатов исследования динамических свойств полимерных композитов на основе этиленвинилацетата, модифицированных смолами, с работой адгезии полимера и модификатора. Установлено, что полярность модификатора существенно влияет на вибропоглощающие характеристики полимерных композиционных материалов на основе этиленвинилацетата. Показано, что через прочность адгезионной связи можно установить наиболее оптимальные структурообразующие компоненты, необходимые для разработки вибропоглощающих полимерных материалов с высоким уровнем диссипативных свойств. Ключевые слова: этиленвинилацетат; тангенс угла механических потерь; динамический механический анализ; адгезия; вибропоглощающий материал; смола; полярность; полимер
Для цитирования: Влияние полярности смол на вибропоглощающие характеристики полимерных материалов на основе этиленвинилацетата / А.Н. Волоцкой, В.В. Авдонин // Эксперт: теория и практика. 2023. № 4 (23). С. 52-57. doi 10.51608/26867818 2023 4 52
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2023. № 4 (23)
Original article
THE INFLUENCE OF RESIN POLARITY ON THE DAMPING CHARACTERISTICS OF POLYMER MATERIALS BASED ON ETHYLENE-VINYL ACETATE
© The authors 2023 VOLOTSKOY Alexey Nikolaevich
senior lecturer at the Department of Building Structures and Machinery
Vyatka State University
(Russia, Kirov, e-mail: alexeyqwerty@mail.ru) AVDONIN Valeriy Viktorovich
Candidate of Technical Science, Associate Professor at the Department of Applied Mechanics
National Research Mordovian Ogarev State University (Russia, Saransk, e-mail: avdoninvalerii@bk.ru)
Abstract. This work is devoted to the problem of developing damping polymer composite materials that are effective in a wide temperature range. The article examines issues related to the compatibility of components of damping polymer materials. An analysis of the results of infrared spectroscopy of polymer composites based on ethylene-vinyl acetate modified with resins was performed. The values of the free surface energy of resins (alkylphenol-formaldehyde resin and glycerin rosin ester) were calculated using the Owens-Wendt method. The magnitude of the adhesion interaction for the "polymer-modifier" system was assessed depending on the degree of polarity of the modifier. The results of a study of the dynamic properties of polymer composites based on ethylene-vinyl acetate modified with resins were compared with the work of adhesion of the polymer and the modifier. It has been established that the polarity of the modifier significantly affects the damping characteristics of polymer composite materials based on ethylene-vinyl acetate. It is shown that through the strength of the adhesive bond, it is possible to establish the most optimal structure-forming components necessary for the development of damping polymer materials with a high level of dissipative properties. Keywords: ethylene-vinyl acetate; mechanical loss tangent; dynamic mechanical analysis; adhesion; damping material; resin; polarity; polymer
For citation: The influence of resin polarity on the damping characteristics of polymer materials based on ethylene-vinyl acetate / A.N. Volotskoy, V.V. Avdonin // Expert: Theory and Practice. 2023. No. 4 (23). Pp. 52-57. doi 10.51608/26867818 2023 4 52
Введение
Развитие техники происходит стремительными темпами. Меняются характеристики инженерного оборудования, машин, что в свою очередь приводит к повышению вибрации и шума. Данная проблема затрагивает и строительную отрасль, где элементами, находящимися под действием вибрационной нагрузки, являются полы, климатическое оборудование, лифтовые установки. В связи с этим весьма актуально создание вибропоглощающих материалов, обладающих высокими динамическими и механическими характеристиками. Полимерные композиты имеют широкое применение в качестве вибропоглощающих материалов [1]. Диссипативные свойства таких материалов во многом зависят от полимерной основы. Демпфирующая способность полимера определяется интенсивностью и шириной пика тангенса угла механических потерь ^5). На основании многочисленных публикаций
установлено, что вибропоглощающие материалы являются эффективными, когда значение tg5 не менее 0,3 [2-3]. Большинство вибропоглощающих
материалов не удовлетворяют данному требованию. Для улучшения диссипативных свойств полимерных композитов используют модификаторы [4-6]. Эффективность таких добавок определяется хорошей смешиваемостью и сродством с полимером. В работе в качестве модификаторов применялись два типа смол - алкилфенолформальдегидная смола (АФФС) и эфир канифоли глицериновый (ЭК). На границе «полимер-модификатор» возникает смачивание, которое приводит к межфазной адгезии. Данный процесс сопровождается уменьшением свободной поверхностной энергии системы [7]. Совместимость модификаторов с полимером можно оценить через прочность адгезионной связи. Это позволит спрогнозировать, какой из модификаторов будет наиболее оптимальным для улучшения вибропоглощающих свойств полимерного композита.
Материалы и методы
Этиленвинилацетат (ЭВА) марки LG EVA ES 28005 с процентным содержанием винилацетата 28%
использовался как полимерная основа исследуемых композитов.
При изготовлении экспериментальных образцов в качестве пластификатора использовался хлорпарафин ХП-470 (ХП) ТУ 2493-379-057634412002. Объёмное содержание хлорпарафина в составе смеси 40%.
Мел применялся как инертный наполнитель. Объемное содержание наполнителя в составе полимерной композиции 50 ± 1%.
В качестве модификаторов были использованы два типа смол: алкилфенолформальдегидная смола 8Р-1045; эфир канифоли глицериновый.
Составы и марки исследуемых композитов приведены в таблице 1.
Полимерные смеси изготавливали при помощи лабораторного смесителя периодического действия с тангенциальными роторами. Первоначально перемешивали полимер при температуре плюс 120°С при числе оборотов 44 об/мин в течение 20 минут. Далее полимер смешивали с пластификатором, добавляли наполнитель, модификатор и затем раскатывали на вальцах до получения материала однородной толщины.
Динамический механический анализ (ДМА) экспериментальных образцов в виде диска толщиной
2 мм был выполнен с использованием прибора Netzsch DMA 242 C. Тангенс угла механических потерь определяли в диапазоне температур от минус 70°С до плюс 30°С при частоте 1 Гц.
Для регистрации ИК спектров использовался ИК Фурье-спектрометр.
Результаты и обсуждение
Результаты исследования динамических свойств композитов на основе ЭВА, модифицированных смолами представлены на рис. 1. Как и ожидалось, добавление смол приводит к росту пика тангенса угла механических потерь. Использование АФФС в качестве модификатора для композита на основе ЭВА позволяет увеличить максимум tg5 сильнее, чем эфир канифоли. Добавление модификаторов содержанием до 10 мас.ч. включительно приводит к изоляции полярных групп ЭВА, смещая тем самым температуру стеклования и максимум tg5 в сторону отрицательных температур (рис. 1а). Кроме того, анализ результатов показал, что АФФС и эфир канифоли имеют температуру стеклования намного больше, чем ЭВА (см. табл. 2). Поэтому добавление данных модификаторов содержанием 20 мас. ч. и выше вызывает снижение температуры стеклования композита на основе ЭВА (рис. 1б, в).
Таблица 1. Составы и марки исследуемых композитов
Марка Полимер Пластификатор Наполнитель Модификатор
ЭВА, ХП, Мел, АФФС, ЭК,
смеси
мас. ч. мас. ч. мас. ч. мас. ч. мас. ч.
Без модификатора 100 241 - -
АФФС 10 мас.ч. 90 233 10 -
АФФС 20 мас.ч. 80 20 -
АФФС 30 мас.ч. 70 30 -
ЭК 10 мас.ч. 90 237 - 10
ЭК 20 мас.ч. 80 - 20
ЭК 30 мас.ч. 70 - 30
Рис. 1. Тангенс угла механических потерь композитов на основе ЭВА: а. - содержание модификатора 10 мас.ч.; б. - содержание модификатора 20 мас.ч.; в. - содержание
модификатора 30 мас.ч.
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2023. № 4 (23)
Увеличение пика композита при добавлении смол происходит из-за образования физических связей между гидроксильными группами смол и боковыми группами ЭВА. По сравнению с химическими (ковалентными) связями физические связи являются довольно слабыми, легко разрушаются и преобразуются, расходуя при этом энергию. В результате чего значение увеличивается и вибропоглощающие свойства полимерного композита улучшаются. Методом инфракрасной спектроскопии установлено, что между гидроксильными группами смол и боковыми группами ЭВА не возникают химические связи (рис. 2, 3).
Таблица 2. Характеристики модификаторов и _этиленвинилацетата_
Наименование Параметр растворимости 5,(МПа)0,5 Источник Температура стеклования Тс, °С
АФФС 18,73 [8] 69*
ЭК -16,38 67*
ЭВА -17,5 [9] -34**
*Измерены методом DSC
I
'■даж™ ... 1 »11 IH<t»lK.1..p,l VF 7Г
f J 4' ]
i :
5 t 1
**Измерены методом ДМА Рис. 2. ИК-спектроскопия композита на основе
Рис. 3. ИК-спектроскопия композита на основе ЭВА, модифицированного эфиром канифоли
Согласно данным таблицы 2 АФФС является полярной термореактивной смолой, а эфир канифоли - менее полярной смолой. Этиленвинилацетат, за счет содержания в своей структуре полярных ацетатных групп относится к полярным сополимерам. По этой причине межмолекулярные физические взаимодействия в системе ЭВА-АФФС проявляются сильнее, чем у ЭВА-эфир канифоли.
Количественно оценить силу
межмолекулярного физического взаимодействия между ЭВА и модификаторами можно через прочность адгезионной связи пропорционально обратимой работе адгезии [10-12]:
= + - V.; (1) где у1, у2 - свободная поверхностная энергия (СПЭ) компонентов; 712 - свободная поверхностная энергия на границе раздела фаз.
Свободная поверхностная энергия любого материала согласно методу Оуэнса и Вендта состоит из двух компонентов [13-14]:
1. Дисперсионная составляющая СПЭ (у а);
2. Полярная составляющая СПЭ (у р); Свободная поверхностная энергия на границе
раздела фаз 712 определяется следующим выражением:
Уш =ъ +Ъ-2-Ы €Г -2■ (т? ) (2)
Свободная поверхностная энергия ЭВА приведена в таблице 3.
Таблица 3. Свободная поверхностная энергия
этиленвинилацетата
Компонент Y d, мДЖ/м2 Y p, мДж/м2 Свободная поверхностная энергия у, мДЖ/м2 Источник
ЭВА 33,4 2,51 35,9 [15]
Полярную составляющую и дисперсионную составляющую СПЭ модификаторов определяли через уравнение (3) по данным измерений контактных углов смачивания двух жидкостей (вода и глицерин):
к-а +СМ«) = 2- [(£ +(£(3)
где 9 - угол смачивания; 7с ' 7с - составляющие сил СПЭ твердого тела;
7[| 1 .'[! _ составляющие сил СПЭ жидкости.
Данные по свободной поверхностной энергии жидкостей приведены в таблице 4.
Таблица 4. Свободная поверхностная энергия
жидкостей
Жидкость Y d, мДЖ/м2 Y p, мДЖ/м2 Свободная поверхностная энергия у, мДЖ/м2
Вода 21,8 51 72,8
Глицерин 37 26 63
Полученные результаты свободной
поверхностной энергии модификаторов
представлены в таблице 5.
Таблица 5. Свободная поверхностная энергия
Модификатор Y d, Y p, Свободная
мДЖ мДЖ/ поверхностн
/м2 м2 ая энергия y, мДЖ/м2
АФФС 28,7 7,6 36,3
Эфир канифоли 25,8 5,8 31,6
66.3
71 70
s
It 69 ¡¡Г 68 | 67 S 66
о
£ 65 64
ЭВАУЭфпр канифоли ЭВА/АФФС
Рис. 3. Работа адгезии в системе ЭВА/модификатор
Работа адгезии ЭВА и модификаторов приведена на рис. 3. Откуда видно, что АФФС имеет прочность адгезионной связи с ЭВА выше, чем эфир канифоли. Эти данные хорошо согласуются с результатами исследования динамических свойств, представленными на рис. 1.
Выводы
1. По результатам проведенных исследований установлены экспериментальные зависимости динамических свойств от типа модификатора для вибропоглощающих композиционных полимерных материалов на основе ЭВА.
2. Выяснено, что эффективность модификаторов зависит от силы межмолекулярного взаимодействия с полимером.
3. Количественно оценена сила межмолекулярного физического взаимодействия между ЭВА и модификаторами через прочность адгезионной связи.
4. Полученный результат наглядно показывает взаимосвязь между работой адгезии структурообразующих компонентов к полимеру у вибропоглощающего полимерного композита и его динамическими характеристиками.
5. Результаты исследования могут быть использованы при разработке вибропоглощающих полимерных материалов с высокими диссипативными свойствами в широком диапазоне температур.
Библиографический список
1. Chakraborty, B.C. Polymers for Vibration Damping Applications / B.C. Chakraborty, D. Ratna. -Elsevier, 2020. - 348 p.
2. Wu, J.H. Reinforcement of dynamically vulcanized EPDM/PP elastomers using organoclay fillers: dynamic properties of rubber vibration isolators and antivibration performance / J.H. Wu, C.H. Li, H.T. Chiu, Z.J. Shong, P.A. Tsai // Journal of Thermoplastic Composite Materials. - 2009. - Vol. 22, №5. - P. 503509.
3. He, X. Damping properties of ethylene-vinyl acetate rubber/polylactic acid blends / X. He, M. Qu, X. Shi // Journal of Materials Science and Chemical Engineering. - 2016. - Vol. 4, №.3. - P. 15-22.
4. Chang, S. Effects of phenolic oligomer on the dynamic mechanical properties of nitrile butadiene rubber /S. Chang, H. Pan, X. Lihuan, Z. Cheng // Advanced Materials Research. - 2011. - Vol. 335-336.
- P. 120-123.
5. Caiyun, W. Dynamic mechanical properties in blends of poly (styrene-b-isoprene-b-styrene) with aromatic hydrocarbon resin / W. Caiyun, W. Guozhang, W. Chifei // Journal of Applied Polymer Science. -2006.
- Vol. 102, № 5. - P. 4157-4164.
6. Chang, S. Effects of chemical structure of phenolic resin on damping properties of acrylate rubber-based blends / S. Chang, Z. Cunbin, X. Lihuan, Z. Cheng // Journal of Macromolecular Science. - 2015. - Vol. 54, № 2. - P. 177-189.
7. Леонов, А.П. Определение работы адгезии в системе межвитковой изоляции / А.П. Леонов, А. С. Супуева // Интернет-журнал Науковедение. - 2013. -№ 3(16). - URL: http://naukovedenie.ru/PDF/24tvn313.pdf
8. Галимзянова, Р. Ю. Влияние модификаторов на свойства неотверждаемых композиций на основе бутилкаучука / Р. Ю. Галимзянова, Т. В. Макаров, С. И. Вольфсон // Вестник Казанского технологического университета. - 2009. - № 6. - С. 168-172.
9. Волоцкой, А.Н. Оценка влияния полярности пластификатора на динамические свойства полимерных материалов на основе этиленвинилацетата / А.Н. Волоцкой, Ю.В. Юркин, В.Д. Черкасов, В.В. Авдонин, И.А. Мансурова // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. -2018. - Т. 3. - №9. - С. 15-23.
10. Rothon, R. Fillers for polymer application / R. Rothon. - Switzerland: Springer, 2017. - 489 p.
11. Zenkiewicz, M. Methods for the calculation of surface free energy of solids / M. Zenkiewicz // Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. - 2007. - Vol. 24, № 1. - P. 137-145.
12. Szczes, A. Magnetic Field Effect on Water Surface Tension in Aspect of Glass and Mica Wettability / A. Szczes, E. Chibowski, E. Rzeznik // Colloids Interfaces. - 2020. - Vol. 4(3), № 37. - P. 1-12.
13. Stockelhuber, K.W. Contribution of physico-chemical properties of interfaces on dispersibility, adhesion and flocculation of filler particles in rubber / K.W. Stockelhuber, A. Das, R. Jurk, G. Heinrich // Polymer. - 2010. - Vol. 51, № 9. - P. 1954-1963.
14. Xing, Yw. Hydration film measurement on mica and coal surfaces using atomic force microscopy and interfacial interactions / Yw. Xing, Xh. Gui, Yi. Cao // Journal of Central South University. - 2018. - Vol. 25.
- P. 1295-1305.
15. Fenouillot, F. Uneven distribution of nanoparticles in immiscible fluids: Morphology development in polymer blends / F. Fenouillot, P. Cassagnau, J.-C. Majeste // Polymer. - 2009. - Vol. 5, № 6. - P. 1333-1350
ЭКСПЕРТ
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2023. № 4 (23)
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-79-00301, https://rscf.ru/project/21-79-00301/.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.
Статья поступила в редакцию 19.10.2023; одобрена после рецензирования 17.11.2023; принята к публикации
The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication.
The article was submitted 19.10.2023; approved after reviewing 17.11.2023; accepted for publication 17.11.2023.
17.11.2023.
