The aim of the work is to develop composite materials based on an epoxy oligomer by combining nanofillers and modifiers that provide a complex effect on the physical, mechanical and deformation characteristics of the material.
epoxy oligomer, modifier, nanofill, physical and mechanical properties
Работа посвящена решению материаловедческих задач создания новых полимерных систем с улучшенными эксплуатационными и технологическими свойствами на основе эпоксидных смол. Актуальность работы обусловлена растущими темпами потребления и производства новых полимерных материалов, а также большим интересом к технологиям создания нанокомпозитов.
В работе исследованы физико-механические и деформационные характеристики материала на основе эпоксидного олигомера ЭД-20 (в первую очередь, для работы при низких температурах и под действием УФ-воздействия) в зависимости от метода получения и эксплуатационных требований к изделиям [1].
При разработке нанокомпозитов исследовано влияние природы нанонаполнителя на интеркаляционную способность, а в результате на структуру и свойства материалов. Результаты электронной микроскопии позволили сделать важный вывод об эксфолиации нанодобавки графена при введении в матрицу ЭД-20. Показано, что такая структура наполненного олигомера позволяет получать материал с улучшенными технологическими, релаксационными свойствами, повышенной стойкостью к УФ-излучению, а также морозостойкостью [2].
Для формирования матрицы использовалась эпоксидиановая смола марки ЭД-20 с массовой долей эпоксидных групп 21.3. В качестве модификаторов использован поливинилацетали- винифлекс (ВФ) и поливинилбутираль (ПВБ). Отверждение эпоксидных олигомеров проводилось действием промышленного аминного отвердителя. В качестве нанонаполнителей были использованы углеродные нанотрубки с удельной поверхностью 277 м2/г, графен с удельной поверхностью 1685 м2/г и фуллерен С60 с удельной поверхностью 168 м2/г.
Из большого разнообразия композиционных материалов особый интерес представляют те материалы, свойства которых за 25–30-летний период эксплуатации снижаются не более чем на 10-20%. Известно, что основные необратимые изменения механических свойств полимерных композиционных материалов обусловлены их климатическим старением. В космосе на материалы космических летательных объектов наибольшее негативное влияние оказывает ультрафиолет (УФ), изменяя шероховатость поверхностей и, как следствие, их оптические характеристики.
Исследуемые композиты с разным содержанием модификаторов и нанонаполнителей помещались в экспериментальную установку, где проходило воздействие УФ-излучения. Эксперимент проводили в течение 55, 96 и 123 часов при комнатной температуре 20-22С. Нанодобавки вводились в количестве 0,1 масс.%. Результаты представлены на рисунке 1.
Рис. 1. Ударная вязкость композитов на основе ЭД-20 при воздействии
УФ- излучения
Как и следовало ожидать, значительный свободный объем и большая удельная поверхность графена способствуют диссипации механической энергии, т.е. повышению ударной вязкости. Как видно из представленного рисунка, при воздействии УФ-излучения происходит снижение ударной вязкости всех композиций, однако в меньшей степени данное снижение наблюдается при введении графена и нанотрубок в модифицированную поливинилацеталями эпоксидную смолу (кривые 4 и 5).
Те же закономерности наблюдаются при изучении стойкости эпоксикомпозитов к действию отрицательных температур (рис. 2). Как известно, увеличение термостойкости полимеров и их морозостойкости путем выбора подходящего наполнителя является важной в технологическом отношении задачей.
Рис. 2. Ударная вязкость композиций на основе ЭД-20+отвердитель и углеродных нанонаполнителей после выдержки при -30°С: 1 - ЭД-20, 2 - ЭД-20 +ПВБ(5%), 3 - ЭД-20+ВФ(10%), 4 – ЭД-20+ПВБ(5%)+графен,
5 - ЭД-20 +ВФ(10%)+графен
Как видно из рисунка 2 введение графена позволяет увеличить ударную стойкость композиционных материалов на основе модифицированной эпоксидной смолы к отрицательным температурам.
Таким образом в работе показано, что механизм действия добавок поливинилацеталей (ПВБ и ВФ), вводимых для улучшения совместимости фаз, основан на физическом взаимодействии или на образовании химических связей на границе раздела, за счёт регулирования которой удаётся получать готовый композит с необходимыми, заранее заданными свойствами [3,4]. Введение углеродных нанодобавок не всегда даёт положительный результат, очень важно подобрать тип нанонаполнителя с высокой удельной поверхностью и определенной протяженностью графитовых плоскостей. К таким нанонаполнителям, как показано в нашей работе, относится графен, введение которого в ЭД-20 позволило существенно повысить физико-механические свойства. По всей видимости, подобные результаты можно объяснить препятствиями со стороны углеродных нанонаполнителей, обладающих высокой собственной прочностью и жесткостью, образованию и развитию трещин, что проявляется в более высокой ударной вязкости композита.
Разработанные материалы имеют повышенную морозостойкость, стойкость к УФ-излучению, пониженную вязкость и способны перерабатываться при технологических режимах, характерных для исходного полимера.
1. Kochnova, Z.A. Epoksidnye smoly i otverditeli: promyshlennye produkty / Z.A. Kochnova, E.S. Zhavoronok, A.E. Chalyh. - M.: Himiya, 2006. – 200 s.
2. Malahovskiy, S.S. Modificirovannye svyazuyuschie na osnove epoksidnogo oligomera, ustoychivye k povyshennym udarnym nagruzkam / S.S. Malahovskiy, Zo. U. Hlaing, A.A. Repina, N.V. Kostromina // Uspehi v himii i himicheskoy tehnologii. - 2019. – T. 33. –№ 6 (216). – S. 59-61.
3. Gubin, S.P. Grafen i rodstvennye nanoformy ugleroda / S.P. Gubin, S.V. Tkachev. Izd. 4-e, dop. – M.: LENAND, 2015. – 112 s.
4. Bogatov, V.A. O mehanizme usileniya epoksidnyh smol uglerodnymi nanotrubkami / V.A Bogatov, S.V. Kondrashov, I.A. Mansurova, V.T. Minakov, I.V. Anoshkin // Vse materialy. Enciklopedicheskiy spravochnik. – 2012. – №4. – S. 7-11.
Authors: Bayramova Aygyun Seymur kyzy
