CC BY
31
УДК 678: 621.319.2
Е. Н. Мочалова, Р. Р. Бурганов, Р. Н. Вахитова, Н. А. Лимаренко
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОДНОВРЕМЕННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ И ОТВЕРЖДЕНИЯ НА ЭЛЕКТРЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНОГО ОЛИГОМЕРА DER-331 ПРИ ОТВЕРЖДЕНИИ ПОЛИАМИНОАМИДОМ Л-20
Ключевые слова: термоэлектреты, эпоксидные олигомеры, потенциал поверхности электрета.
Получены электретные материалы на основе эпоксидианового олигомера DER-331, отвержденного полиами-ноамидом Л-20. Выявлены зависимости электретных характеристик эпоксидных композитов от температуры одновременной поляризации и отверждения.
Key words: thermal electrets, epoxide oligomers, the surface potential of the electret.
Electret materials obtained on the basis of epoksioligomer DER- 331, cured using polyaminoamides L-20. The dependences electret characteristics of epoxy composites by simultaneous polarization and temperature curing.
Введение
В настоящее время на основе традиционно используемых материалов (в частности, эпоксидных) путем модификации получают материалы с необходимыми характеристиками. Получение полимерных материалов в процессе совмещения синтеза полимера с процессом поляризации в постоянном электрическом поле можно отнести к одному из новых способов их модификации [1, 2].
Данный метод получения полимерных материалов позволяет изготавливать материалы с определенными электретными характеристиками, однако он является мало изученным [3-8]. Особенно перспективно использование данного метода для создания стабильных электретных материалов на основе сетчатых полимеров (в том числе - эпоксидных). Это позволит использовать их в традиционных и новых областях использования [9, 10].
Эпоксидные полимеры относятся к полярным материалам и дипольная поляризация играет важную роль в релаксационном диэлектрическом спектре. В таких полимерах формирование и релаксация электрического состояния управляется взаимодействием гомо- и гетерозарядов. После поляризации молекулярные диполи ориентируются в направлении поляризирующего поля, пространственная структура полимера фиксируется трехмерной сеткой химических связей, в результате носители зарядов оказываются надолго «замороженными» в структуре сетчатого продукта отверждения.
Цель настоящей работы заключалась в получении термоэлектретов на основе эпоксидных полимеров при различной температуре синтеза и одновременной и определении следующих характеристик: потенциала поверхности (Уэ), эффективной поверхностной плотности заряда (оэф) и напряженности электростатического поля электрета (Е).
Экспериментальная часть
В качестве объектов исследования были выбраны материалы на основе эпоксидного олигомера БЕЯ-331. Для отверждения композиции использовали полиаминоамидный отвердитель Л-20.
Для проведения исследований были получены термоэлектреты в процессе совмещения синтеза полимера путем отверждения отвердителем Л-20 исходного эпоксидного олигомера БЕЯ-331 с процессом поляризации в постоянном электрическом поле напряжением 5 кВ в течение 2 часов, с последующим охлаждением в течение 30 минут без снятия поляризующего воздействия. Температуру одновременной поляризации и отверждения изменяли от 100 до 1250С.
Параметры электростатического поля полимера измеряли методом периодического экранирования приемного электрода при помощи измерителя параметров электростатического поля марки ИПЭП - 1.
Обсуждение результатов
Проведенные раннее исследования термоэлектретов на основе эпоксидной смолы БЕЯ-331 с использованием различных отвердителей показали, что максимальные значения электретных характеристик соответствуют стехиометрическому содержанию отвердителя в составе композиции, при недостатке и избытке отвердителя значения потенциала поверхности Уэ и других электретных характеристик снижаются [7], поэтому все дальнейшие исследования были проведены при стехиометрическом содержании эпоксидного олигомера и отвердителя.
Результаты, полученные для образцов на основе эпоксидного олигомера БЕЯ-331 с использованием отвердителя ДЭТА в работе [8], показали зависимость электретных характеристик композитов от условий одновременной поляризации и отверждения. Выбор более высокой начальной температуры при исследовании влияния температуры одновременного отверждения и поляризации на электретные характеристики композитов при использовании в качестве отвердителя Л-20, обусловлен тем, что данный от-вердитель относится к отвердителям высокотемпературного отверждения.
Влияние температуры одновременной поляризации и отверждения на потенциал поверхности Уэ, и эффективную поверхностную плотность заряда сэф электретов на основе эпоксидного олигомера БЕЯ-
331, отвержденного стехиометрическим количеством Л-20, представлено на рисунках 1, 2.
Рис. 1 - Спад потенциала поверхности (Уэ), для композитов на основе олигомера БЕЯ-331, полученных при отверждении стехиометрическим количеством Л-20 в процессе отверждения и одновременной поляризации с напряжением 5 кВ в течение 2 часов при различных температурах
нения (Уэ - 0,901 кВ, сэф - 0,819 мкКл/м2 и Е -66,87кВ/м), так и на 60-ые сутки (Уэ - 0,847 кВ, сэф -0,803 мкКл/м2 и Е - 62,3 кВ/м) соответствуют температуре 1200С. Некоторое снижение электретных характеристик для композитов, полученных при температуре 125 оС, может быть быть объяснено с точки зрения двух конкурирующих факторов: частоты пространственной сетки образующегося трехмерного композита и подвижности функциональных групп, способных участвовать в процессах поляризации с участием дипольно-сегментальных фрагментов. При увеличении температуры одновременного отверждения и поляризации возрастает как частота пространственной сетки отверждаемой полимерной матрицы [11], создающая дополнительные стерические затруднения в процессе ориентации полярных групп, так и подвижность функциональных групп, способных участвовать в процессах поляризации.
При использовании в качестве отвердителя Л-20, являющегося олигоамидом, структуру узла пространственной сетки можно схематически представить следующим образом:
Оаф,
Рис. 2 - Спад эффективной поверхностной плотности заряда (аэф), для композитов на основе олигомера БЕЯ-331, полученных при отверждении стехиометрическим количеством Л-20 в процессе отверждения и одновременной поляризации с напряжением 5 кВ в течение 2 часов при различных температурах
Спад потенциала поверхности (Уэ) и эффективной поверхностной плотности заряда (стэф) во времени хранения имеют монотонно убывающий характер. Значения Уэ, сэф для всех образцов стабилизируются примерно к 60 суткам хранения.
Как видно из рисунков 1 и 2 с повышением температуры отверждения и одновременной поляризации от 100 до 120°С наблюдается рост электретных характеристик (Уэ, сэф). Максимальные значения электретных характеристик, как на 40-ые сутки хра-
В таких полимерах постоянное электрическое поле оказывает ориентирующее влияние на полярные группы, содержащиеся в молекулах олигомеров и отвердителей, и оказывает влияние на структуру и свойства получаемого электретного материала.
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что на структуру трехмерной полимерной матрицы, образующейся в процессе отверждения, существенное влияние оказывают условия одновременной поляризации и отверждения, в частности - температура.
1. Мочалова, Е.Н. Исследование влияния модификации эпоксидного олигомера DER-331 различными отвердите-лями на электретные характеристики сетчатых композитов / Е.Н. Мочалова, Н.А. Лимаренко, М.Ф. Галиханов, Р.Я. Дебердеев // Дизайн. Материалы. Технология, 2014. № 4 (34). С.60-64.
2. Лимаренко, Н.А. Исследование зависимости электретных характеристик эпоксидных материалов на основе олиго-мера DER-331 от содержания модификатора ПЭФ-3А в условиях одновременных отверждения и поляризации / Н.А. Лимаренко, Е.Н. Мочалова, Р.Р. Бурганов, Р.Я. Дебердеев // Вестник Казанского технологического университета. - 2015. - Т. 18. - №2 . - С. 210-213 .
3. Balakina, M.Yu. Modeling of epoxy oligomers with nonlinear optical chromophores in the main chain: molecular dynamics and quantum chemical study / M. Yu.Balakina, O.D. Fominykh, F. Rua, V. Branchadell // Int. J. of Quantum Chemistry. 2007 - №107, Р. 2398 - 2406.
4. В.Н. Студенцов, Р.В. Левин Полимерные электреты на основе реактопластов // Доклады Междунар. конф. Композит - 2004 (Саратов, июль 6-8 , 2004). Саратов, 2004. С. 254 - 256.
5. Студенцов, В.Н. Отверждение и применение материалов на основе смеси трех различных термореактивных смол /
Литература
В.Н. Студенцов, Е.А. Скудаев, Р.В. Левин // Пластические массы. - 2013. - № 4. С. 30-33.
6. Лимаренко, Н.А. Электретный и пьезоэффекты в эпоксидных полимерах / Н.А. Лимаренко, Е. Н. Мочалова, М.Ф. Галиханов, Р.Я. Дебердеев // Вестник Казанского технологического университета.- 2012, Т 15, №10, С.126-127.
7.Мочалова, Е.Н. Исследование электретных характеристик эпоксидных композитов на основе смолы БЕЯ-331 с различным содержанием отвердителя / Е. Н. Мочалова, Н.А. Лимаренко, Р.Я. Дебердеев // Вестник Казанского технологического университета.- 2013, Т 16, № 21, С.178-180.
8. Лимаренко, Н.А. Исследование зависимости электретных характеристик эпоксидных материалов на основе смолы БЕЯ-331 от условий одновременной поляризации и отверждения / Лимаренко Н.А., Мочалова Е.Н., Леонтьева А.В., Дебердеев Р.Я. // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. - № 6. - С.151-154.
9. Галиханов М.Ф., Дебердеев Р.Я. Полимерные короно-электреты традиционные и новые технологии и области применения // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - Т. 13, № 4. - С. 45-57.
10. Галиханов М.Ф., Гороховатский Ю.А., Гулякова А.А., Карулина Е.А., Рычков А.А., Рычков Д.А., Темнов Д.Э. Способы получения, методы исследования и электрофизические свойства композитных полимерных пленок / под общ. ред. проф. Ю.А. Гороховатского. - Санкт-Петербург: изд-во «Фора-принт», 2014. - 264 с.
11. Мочалова, Е. Н. Исследование влияния термообработки на процессы образования трехмерной эпоксиаминной матрицы на основе олигомера ЭД-20 в присутствие модификатора ПЭФ-3А / Е.Н. Мочалова, А.И. Хасанов, Р.Я. Дебердеев, Р.М. Гарипов // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. - № 13, С. 228-231.
© Е. Н. Мочалова, канд. техн. наук, доцент, кафедра технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, tppkm1@kstu.ru, Р.Р. Бурганов, магистрант, кафедра технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, burganoff1992@yandex.ru; Р. Н. Вахитова, магистрант той же кафедры; Н. А. Лимаренко, асп той же кафедры, natalimarenko@gmail.com.
© E. N. Mochalova, Ph.D. in Science, Associate Professor, Department technology of processing of polymers and composite materials, KNRTU, e-mail: tppkm1@kstu.ru; R. R. Burganov, graduate Student, Department technology of processing of polymers and composite materials, KNRTU, burganoff1992@yandex.ru; R. N.Wahitova, graduate Student, Department technology of processing of polymers and composite materials, KNRTU; N. A. Limarenko, Ph.D.Student, Department technology of processing of polymers and composite materials, KNRTU, natalimarenko@gmail.com.
