V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Прогнозирование свойств дисперсно-наполненных реактопластов, в частности эпоксидных полимеров, является сложной задачей вследствие наличия в них различного вида дефектов. Еще более сложной задачей является прогнозирование свойств композитов с наполнителями наноразмерного диапазона, к которым относится, используемый нами в работе, полититанат калия (ПТК). ПТК имеет следующие размеры частиц: диаметр от 100 до 400 нм; толщину от 20 до 90 нм и от 5 до 20 мкм в длину. В работе рассматриваются вопросы распределения и стабилизации состава композиций, содержащих 0,1 и 20 массовых частей ПТК, а также в качестве пластификатора-антипирена 30 масс. ч. трихлорэтилфосфата (ТХЭФ).

Введение ТХЭФ обеспечивает получение материалов, относящихся по показателям, характеризующим процессы воспламенения и горения, к классу трудносгораемым [1].

Анализ физико-механических свойств показал, что при введении в эпоксидный олигомер ТХЭФ увеличиваются (в 2 раза) разрушающее напряжение при изгибе и, более чем вдвое, ударная вязкость, табл.1.

Введение в пластифицированный состав малого количества (0,1 масс.ч.) ПТК приводит к возрастанию твердости, теплостойкости, кроме того, при таком малом содержании ПТК повышается кислородный индекс с 27% до 29% объем., табл.1, что подтверждает влияние ПТК на структурообразование и структуру эпоксидного полимера.

С увеличением содержания твердой фазы 20 масс.ч. заметно снижаются физико-механические свойства, табл.1.

Таблица 1

Состав композиции масс.ч, отвержденной 15 масс.ч. ПЭПА,.	Разрушающее напряжение при изгибе, МПа	Ударная вязкость, кДж/м2	Твердость по Бринеллю, МПа	Тепло-стойкость по Вика, °С
100ЭД-20	17	3	110	70
100ЭД-20+30ТХЭФ	34	8	80	100
70ЭД-20+30ТХЭФ+0,1ПТК	55	11	105	126
70ЭД-20+30ТХЭФ+20ПТК	27	6	140	131
70ЭД-20+30ТХЭФ+0,1ПТК(АГМ-9)	73	16	130	106
70ЭД-20+30ТХЭФ+20ПТК(АГМ-9)	38	8	140	115
70ЭД-20+30ТХЭФ+20ПТК(АГМ-9) (вибрационное воздействие)	53	13	122	115
70ЭД-20+30ТХЭФ+0,1ПТК(АГМ-9) (механоактивация на планетарной мельнице)	65*	25	-	-

* - образец не разрушается, прогиб 1,5 толщины образца

Проведена обработка поверхности ПТК -аминопропилтриэтоксисиланом (АГМ-9), обеспечивающим возможность химического взаимодействия минерального наполнителя с полимерной матрицей. Введение в эпоксидную матрицу ПТК, модифицированных АГМ-9, повышает устойчивость к изгибающим нагрузкам, к удару и обеспечивает увеличение твердости с 105 до 140 МПа, табл.1.

Для улучшения распределения ПТК в составах, с различной степенью наполнения, проводили механоактивацию составов с использованием методов вибровоздействия (продолжительность определялась с учетом кинетики отверждения) и высокоскоростного перемешивания на планетарной мельнице. Анализ результатов показал, что использование вибрации как метода модификации приводит к повышению устойчивости к изгибающим и ударным нагрузкам ~ в 1,5 раза, табл. 1.

В результате механоактивации составов на планетарной мельнице, полученные образцы при испытании на изгиб не разрушаются, при достаточно высоком изгибающем напряжении (65 МПа), также возрастает устойчивость к ударным нагрузкам в 1,5 раза и составляет 25 кДж/м², табл.1.

В дальнейших исследованиях, для дезинтеграции ПТК в эпоксидной матрице применялось ультразвуковое воздействие. Ультразвуковое воздействие на жидкие среды настолько эффективно и уникально, что аналогичных результатов невозможно достичь высокоскоростным перемешиванием или низкочастотной вибрацией. Уникальность воздействия обеспечивается возникновением в жидких средах кавитационных парогазовых пузырей, накапливающих энергию при их расширении и взрывающихся при сжатии с созданием ударных волн и кумулятивных струй [2].

Воздействие осуществлялось на рабочей частоте 22±1,65 кГц. Так как именно при этой частоте происходит наиболее интенсивная ультразвуковая обработка. Это объясняется тем, что при таких частотах газовые пузырьки имеют большие размеры и при кавитации выделяют больше энергии. В результате такого воздействия происходило снижение вязкости эпоксидной композиции, формирование и схлопывание кавитационных пузырей, объединяющихся и всплывающих на поверхность. Это обеспечивало дегазацию и активацию эпоксидной композиции. Дегазация, происходящая при ультразвуковой обработке материала, приводит к уменьшению воздушных включений, получению более монолитной структуры композита. При таком воздействии наблюдается значительное повышение физико-механических характеристик. В связи с этим, проводился выбор оптимальной продолжительности ультразвукового воздействия, табл.2.

Таблица 2

Влияние продолжительности ультразвукового воздействия на физико-механические характеристики эпоксидных композитов

Продолжительность ультразвукового воздействия на состав композиции, отвержденной 15 масс.ч. ПЭПА, масс.ч: 70ЭД-20+30ТХЭФ+0,1ПТК(АГМ-9)	Разрушающее напряжение при изгибе, МПа	Ударная вязкость, кДж/м2
-	73	16
15	74	17
30	74	17
45	68*	25
60	87*	42
90	53*	18

* - не разрушается, прогиб на 1,5 толщины образца

Проведенные исследования показывают, что оптимальным временем ультразвукового воздействия является 60 мин, так как при этом значительно возрастают физико-механические характеристики: образцы при испытании на изгиб не разрушаются, при высоком значении изгибающего напряжения (87 МПа) и значительно (до 42 кДж/м²)возрастает устойчивость к ударным нагрузкам, табл.2.

Уменьшение до 45 минут и увеличение свыше 60 минут времени воздействия ультразвука на состав ведет к потере эффекта, что подтверждается снижением физико-механических характеристик эпоксидного полимера, табл.2.

Показана возможность направленного регулирования физико-механических, физико-химических свойств эпоксидных композитов, за счет введения наноразмерных наполнителей и применение различных видов физической модификации композиционного материала, с приданием ему комплекса новых физико-химических и более высоких физико-механических свойств и расширяет области их применения так как по физико-механическим свойствам такие эпоксидные составы удовлетворяют требованиям большинства отраслей промышленности.

Литература

1. Мостовой А. С. Разработка новых пожаробезопасных эпоксидных композитов с повышенным комплексом механических свойств / А. С. Мостовой, Е. В. Плакунова, Л. Г. Панова // Вопросы современной науки и практики. Университет им. Верданского. Спецвыпуск (43)/2012. С. 37-40

2. Голых Р. Н. Ультразвуковая кавитационная обработка вязких и жидких высокодисперсных сред / Р. Н. Голых, С. С. Хмелев, В. Н. Хмелев // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях (ИАМП-2010): материалы 7-й Всероссийской научно-технической конференции 6-7 октября 2010 года / Алт. готехн. ун-т, БТИ. Бийск: Изд-ва Алт. гос. техн. ун-та, 2010. – 125-129 с.

Код для цитирования: Скопировать