CC BY
12
УДК 678.5.02:539.3
Жиронкина Н.В., Сакина А.И., Горбунова И.Ю., Пигарева В.А., Корохин Р.А.
ВЛИЯНИЕ ВОДНОЙ СРЕДЫ НА АДГЕЗИОННЫЕ СВОЙСТВА ЭПОКСИДНЫХ ПОЛИМЕРОВ
Жиронкина Наталия Викторовна, магистр кафедры технологии переработки пластмасс, ассистент ВХК РАН, e-mail: ashatan.94@mail.ru;
Сакина Александра Ивановна, аспирант кафедры технологии переработки пластмасс;
Горбунова Ирина Юрьевна, д.х.н., профессор кафедры технологии переработки пластмасс;
Пигарева Владислава Алексеевна, студент 4 курса бакалавриата кафедры технологии переработки пластмасс;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева;
Россия, 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9.
Корохин Роман Андреевич, к.х.н., научный сотрудник отдела полимеров и композиционных материалов лаборатории армированных пластиков;
ФГБУН Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН; Россия, 119991, Москва, ул. Косыгина, д.4.
Данная статья посвящена исследованию влияния водной среды на адгезионные свойства эпоксидных полимеров, модифицированных полисульфоном. Для этого было изучено их водопоглощение и изменение адгезионной прочности при экспозиции в воде.
Ключевые слова: эпоксидный олигомер, полисульфон, водопоглощение, адгезия.
INFLUENCE OF WATER ENVIRONMENT ON ADHESION PROPERTIES OF EPOXY POLYMERS
Zhironkina N.V., Sakina A.I., Gorbunova I. Yu., Pigareva V.A., Korohin R.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Semenov Institute of Chemical Physics, Moscow, Russia
This article is devoted to the study of the effect of the influence of the aqueous medium on the adhesion properties of epoxy polymers modified with polysulfone. For this purpose, their water absorption and the change in adhesion strength under exposure in water were studied.
Key words: epoxy oligomer, polysulfone, water absorption, adhesion.
Эпоксидные смолы имеют широкую область применения. Их используют в клеях различного назначения, в качестве пропиточного материала для корпусов, для гидроизоляции помещений, в авиационной, строительной, автомобильной промышленности, в судо- и машиностроении. Обладая значительными преимуществами, эпоксидные смолы в то же время имеют и некоторые недостатки. Это повышенная хрупкость и склонность к растрескиванию. Однако, эти недостатки успешно компенсируются путем модификации эпоксидных смол термопластами [1].
Композиты на основе смесей реактопластов с термопластами - одни из наиболее перспективных в настоящее время конструкционных материалов. В процессе эксплуатации композиционные материалы
Н3С
СН CHj-O-
подвергаются влиянию различных факторов, один из которых - воздействие жидких сред. Механические свойства композиционных материалов могут ухудшиться, когда материал подвергается воздействию влаги в течение длительного периода времени. Поэтому чтобы использовать весь потенциал композиционных материалов, их реакция на влажную среду должна быть известна.
Исследования проводились на
эпоксидиановой смоле ЭД-20, полисульфоне ПСК-1 и смесевых композициях ЭД-20-ПСК-1.
В качестве основы исследуемых систем был выбран эпоксидный олигомер ЭД-20 (ГОСТ 1058772), который имеет следующую структурную формулу:
оскц-сн-сн^-с^нд C^H^-0-tHj сн сн.
(|>Н
о
В качестве модификатора использовался полисульфон (ПСК-1).
Структурная формула полисульфона:
о сн,
Модификатор совмещали с эпоксидным олигомером при температуре 130°С без применения растворителей. В качестве отвердителя использовался триэтаноламинотитанат (ТЭАТ).
Водопоглощение измеряли по ГОСТ 46502014 (ISO 62:2008). Целью этого исследования было определение содержания влаги в зависимости от времени выдержки композитных материалов, когда материал полностью погружался в воду.
Величину влагопоглощения рассчитывали по формуле:
= -100%
т„
, (1)
где mj - вес насыщенного водой образца, m0 - вес сухого образца.
Прочность сцепления волокон с полимерной матрицей во многом определяет прочностные характеристики будущих волокнистых полимерных композитов. В связи с этим было изучено влияние воды на адгезию связующего к поверхности волокна с целью оценки возможности использования композита во влажных средах. Мерой адгезии служила сдвиговая адгезионная прочность (т) соединений полимер-волокно. Измерения проводили на модельных образцах методом pull-out (при выдергивании волокна из слоя отвержденного полимера). В качестве волокна использовалась титановая проволока диаметром 150 мкм. Сдвиговую адгезионную прочность т для каждого испытанного образца рассчитывают по формуле:
t=f/s, (2) А)
где F-сила, необходимая для сдвига волокна относительно слоя адгезива; S- площадь контакта адгезив-субстрат лШ, где 1- толщина слоя
адгезива, d - диаметр волокна) В каждом опыте испытывалось 70-100 образцов. Методики изготовления адгезионных соединений, проведения испытаний и обработки результатов подробно описаны в работах [2-3].
На рисунке1 представлено водопоглощение (W) модифицированного полисульфоном связующего на основе ЭД-20 и ТЭАТ. \¥, %
2.5
0.5
J г — эд- 20+ТЭАТ
-ЭД-20+Т'ЭАТ+5°/»ПСК-1 --ЭД-20+Т'ЭАТ+12,5°/ЬПСК-1 — ЭД-20+ТЭАТ+20%ПСК-1
20
40
60
80 100 t, дни
Рис. 1. Зависимость величины водопоглощения от времени выдержки образцов в воде
Из рисунка 1 видно, что образцы, содержащие 20мас.% полисульфона, сорбируют примерно на 20% меньше воды, чем образцы, содержащие до 12,5мас.% ПСК-1. Разница в водопоглощении может быть связана с фазовым составом полимеров: в образцах, содержащих 20мас.% ПСК-1, в связи с инверсией фаз, диффузия и сорбция влаги происходят гораздо медленнее, чем в матрицах, содержащих меньшее количество термопласта.
На рисунке 2 представлены графики зависимости адгезионной прочности от площади контакта адгезив-субстрат после различного времени выдержки образцов в воде для разных концентраций полисульфона.
Б)
Рис.2. Зависимости адгезионной прочности от площади контакта адгезив-субстрат после 10 (А) и 60 (Б) дней выдержки
образцов в воде
Как видно из графиков, наиболее устойчивы к воздействию влаги образцы с большим содержанием модификатора. Это согласуется с результатами испытаний на водопоглощение.
Кривая рисунка 3 показывает, как снижается адгезионная прочность композиции в зависимости от времени выдержки в воде.
8 6 4 2
О 20 4-0 50 80 100 120 145
гдни
Рис. 3. Зависимость адгезионной прочности от времени выдержки образцов в воде для композиции с 12,5 мас.% ПСК-1 при S=0,5 мм2
Как видно из графика, адгезионная прочность резко снижается в первые 10 дней выдержки, затем изменения несущественны. Прочность системы уменьшилась на 44%.
Таким образом, для всех исследованных композиций выдержка в воде приводит к снижению адгезионной прочности, что необходимо учитывать при эксплуатации изделий из данных материалов.
Список литературы
1. Сопотов Р.И. Связующие для композиционных материалов на основе эпоксидного олигомера, модифицированного смесями термопластов: дис. канд. хим. наук: 05.17.06 /Сопотов Ростислав Игоревич. - М., 2016. - 190 с.
2. Горбаткина Ю.А., Адгезионная прочность в системах волокно-полимер - М: Химия, 1987. -С.192.
3. Горбаткина Ю.А., Иванова-Мумжиева В.Г., Адгезия дисперсно-наполненных эпоксидов к твердым телам//Механика композитных материалов. 2012. - Т.48. -№2. - С.235-248.
