Исследованы композиты на основе эпоксидной диановой смолы, для сшивания которой использован низкомолекулярный отвердитель полиэтиленполиамин. В качестве добавки применяли нанодисперсный наполнитель фуллерен. Исследованы теплофизические свойства эпоксидных композитов.

DOI:10.22184/1993-8578.2016.66.4.98.103

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
ISSN 1993-8578
ISSN 2687-0282 (online)
Книги по нанотехнологиям
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Под ред. Ханнинка Р.
Другие серии книг:
Мир материалов и технологий
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #4/2016
А.Сапронов, Н.Букетова, А.Лещенко
Исследование теплофизических свойств эпоксикомпозитов, наполненных наночастицами
Просмотры: 4149
Исследованы композиты на основе эпоксидной диановой смолы, для сшивания которой использован низкомолекулярный отвердитель полиэтиленполиамин. В качестве добавки применяли нанодисперсный наполнитель фуллерен. Исследованы теплофизические свойства эпоксидных композитов.

DOI:10.22184/1993-8578.2016.66.4.98.103
Современная промышленность нуждается в разработке новых эффективных материалов с улучшенным комплексом свойств. Применение композитных материалов (КМ) на основе эпоксидной матрицы позволяет снизить металлоемкость конструкций и защитить их поверхности от влияния внешних факторов (агрессивных сред, переменных температур и др.). При этом эксплуатационные свойства конструкций в значительной степени зависят от теплостойкости новых материалов. Улучшить свойства конечного композиционного материала возможно путем введения в его состав наночастиц различной физико-химической природы [1–4]. Поэтому модификация теплофизических свойств в результате введения наноразмерных частиц является актуальной задачей современного полимерного материаловедения.

Анализ работ [1, 2, 4–9] позволяет утверждать, что одним из эффективных способов улучшения теплофизических свойств эпоксидных композитов является введение наполнителей различной дисперсности и физико-химической природы. Сочетание таких материалов позволяет отказаться от применения традиционных лакокрасочных материалов и использовать КМ в виде защитных покрытий. Для оценки температурного диапазона эксплуатации новых КМ проводится исследование их свойств при нагревании [9–11].

Цель настоящей работы – исследовать влияние количества фуллерена С60 на теплостойкость и коэффициент теплового линейного расширения нанокомпозитов.

Материалы и методика исследования

В качестве основного компонента связующего при формировании нанокомпозитных материалов (НКМ) выбран эпоксидный диановый олигомер марки ЭД-20 (ГОСТ 10587-84). Использование низкомолекулярного отвердителя полиэтиленполиамина (ПЭПА) [-CH2-CH2-NH-]n (ТУ 6-05-241-202-78) позволило сшивать эпоксидную композицию при комнатных температурах. Отвердитель вводили при стехиометрическом соотношении компонентов (масс.%)
10 (ЭД-20) к 1 (ПЭПА).

В качестве наполнителя использованы частицы фуллерена С60 с дисперсностью 5 нм. Эпоксидные НКМ, наполненные С60, формировали с использованием ультразвукового диспергирования композиций в следующих режимах:

•предварительное дозирование ЭД-20, подогрев смолы до Т = 353 ±2 К и ее выдержка при данной температуре в течение времени τ =20 ± 0,1 мин;
•дозирование нанонаполнителя и дальнейшее введение его в эпоксидный олигомер;
•гидродинамическое совмещение олигомера ЭД-20 и нанонаполнителя в течение τ = 1 ± 0,1 мин;
•ультразвуковая обработка (УЗО) композиции в течение τ = 1,5 ± 0,1 мин;
•охлаждение композиции до комнатной температуры в течение τ = 60 ± 5 мин;
•введение ПЭПА и перемешивание композиции в течение τ = 5 ± 0,1 мин.
В дальнейшем НКМ отверждали в экспериментально установленном режиме:

•формирование образцов и их выдержка в течение τ = 12,0 ± 0,1 ч при Т = 293 ± 2 К;
•нагрев со скоростью υ = 3 К/мин до Т = 393 ± 2 К;
•выдержка НКМ в течение τ = 2,0 ± 0,05 ч;
•медленное охлаждение до Т = 293 ± 2 К.
В целях стабилизации структурных процессов в НКМ образцы выдерживали в течение τ = 24 ч на воздухе при Т = 293 ± 2 К.

В работе исследовались следующие теплофизические характеристики НКМ: теплостойкость (по Мартенсу), коэффициент теплового линейного расширения (КТЛР), усадка.

Теплостойкость НКМ по Мартенсу определяли согласно ГОСТ 21341-75, нагревая исследуемый образец со скоростью υ = 3 К/мин под действием постоян­но изгибающей нагрузки F = 5 ± 0,5 МПа, пока он не деформируется на заданную величину (h = 6 мм).

КТЛР материалов рассчитывали по кривой зависимости относительной деформации от температуры, аппроксимируя эту зависимость экспоненциальной функцией. Относительную деформацию определяли по изменению длины образца при повышении температуры в стационарных условиях (ГОСТ 15173-70). Образцы для исследования размером 65 × 7 × 7 мм имели непараллельность шлифованных торцов не более 0,02 мм. Длину образца измеряли с точностью ± 0,01 мм. Скорость нагрева составляла υ = 2 К/мин.

Отклонение значений при исследованиях показателей теплофизических свойств НКМ (теплостойкость по Мартенсу, КТЛР) составляло 4–6% от номинального.

Результаты и их обсуждение

Для определения поведения композитов под влия­нием теплового поля исследовался их КТЛР. Учитывая условия эксплуатации эпоксидных композитов, был выбран диапазон температур ΔТ = 303–473 К.

Результаты расчета КТЛР нанокомпозитов при различных температурных интервалах приведены в табл.1. Установлено, что с ростом температуры КТЛР увеличивается, что свидетельствует о повышении внутренней энергии исследуемых НКМ вследствие подвижности макроцепей и сегментов эпоксидного связующего.

В процессе экспериментальных исследований установлено, что в диапазонах ∆Т = 303–323 К, ∆Т = 303–373 К и ∆Т = 303–423 К наименьшим КТЛР характеризуется НКМ при содержании фуллерена С60 q = 0,010 масс. %, а в области ΔТ = 303–473 К наименьшим значением КТЛР характеризуется композит при максимальном содержании фуллерена С60 (q = 0,100 масс. %). Полученные результаты свидетельствуют об уменьшении флуктуаций связей и подвижности макроцепей и сегментов эпоксидного связующего вследствие увеличения плотности пространственной сетки. Целесообразно отметить, что значение КТЛР в диапазоне повышенных температур несущественно отличается для композитов с различным содержанием наполнителя (Δα = ± 0,09 ∙ 10–4 К–1), что свидетельствует о равномерном протекании физико-химических процессов при сшивании НКМ и целесообразности использования незначительного содержания наполнителя.

Особенно важен анализ релаксационных переходов в эпоксикомпозитах, в частности, температуры стеклования (Тс), которая характеризирует подвижность независимых кинетических элементов (макромолекул и сегментов) эпоксидного связующего. Установлено, что температура стеклования эпоксикомпозитов с частицами фуллерена С60 (q = 0,010–0,100 масс. %) находится в диапазоне Тс = 330–337 К. Незначительная разница значений ∆Тс = 7 К свидетельствует о равномерном протекании релаксационных процессов во всех исследуемых материалах.

Результаты исследования теплостойкости (по Мартенсу) НКМ представлены в табл.2. Предварительные испытания показали [6–9], что теплостойкость модифицированной УЗО эпоксидной матрицы составляет Т = 339 К. Введение С60 (q = 0,010–0,100 масс. %) обеспечивает повышение теплостойкости НКМ до Т = 341–342 К.

Не менее важным является анализ значений усадки нанокомпозитов. Усадка менее 1% (табл.2) свидетельствует об изотропности материалов и их долговечности при нанесении на поверхности сложного профиля.

Согласованность динамики КТЛР и теплостойкости (по Мартенсу) НКМ в зависимости от содержания наполнителя C60 свидетельствует о достоверности полученных экспериментальных данных. Анализ приведенных результатов исследования позволяет констатировать целесообразность использования разработанных нанокомпозитов и покрытий на их основе для защиты оборудования, эксплуатируемого при температурах Т = 303–342 К. В то же время необходимы дополнительные исследования возможности использования разработанных НКМ при температурах выше Т = 342 К.

Выводы

На основе проведенных исследований можно констатировать, что для формирования нанокомпозитного материала или защитного покрытия с повышенными теплофизическими свойствами целесообразно вводить в эпоксидное связующее нанодисперсный наполнитель С60 в количестве q = 0,01–0,05 масс. % на 100 масс. % олигомера ЭД-20 и 10 масс. % отвердителя ПЭПА. Теплостойкость (по Мартенсу) такого нанокомпозитного материала составляет Т = 342 К.

Исследование поведения разработанных нанокомпозитов под влиянием теплового поля показало, что при диапазоне температур ∆Т = 303–473 К целесообразно использовать НКМ с содержанием частиц С60 q = 0,01–0,05 масс. %, поскольку разница значений КТЛР для всего спектра исследуемых композитов колеблется в пределах погрешности эксперимента и составляет Δα = (1,10–1,14) ∙ 10–4 К–1.

ЛИТЕРАТУРА

1.Букетов А.В. Властивості модифікованих ультразвуком епоксипластів / А.В. Букетов, П.Д. Стухляк, І.В. Чихіра. – Тернопіль: Крок, 2011. 201 с.
2.Крыжановский В.К. Технические свойства полимерных материалов: учеб.-справ. пособие / В.К. Крыжановский, В.В. Бурлов, А.Д. Паниматченко, Ю.В. Крыжановская; 2-е изд., испр. и доп. – СПб: Профессия, 2005. 248 с.
3.Методы исследования структуры и свойств полимеров: учеб. пособие / И.Ю. Аверко-Антонович, Р.Т. Бикмуллин. – Казань: КГТУ, 2002. 604 с.
4.Букетов А.В. Фізико-хімічні процеси при формуванні епоксикомпозитних матеріалів / А.В. Букетов., П.Д. Стухляк, Є.М. Кальба. – Тернопіль: Збруч, 2005. 184 с.
5.Стухляк П.Д. Епоксидно-діанові композити: технологія формування, фізико-механічні і теплофізичні властивості [Текст]: монографія / П.Д. Стухляк, А.В. Букетов, О.І. Редько. – Тернопіль: Збруч, 2011. 165 с.
6.Buketov А.V., Sapronov О.О., Brailo М.V., Aleksenko V.L. Influence of the ultrasonic treatment on the mechanical and thermal properties of epoxy nanocomposites // Materials Science. Vol. 49. № 5. 2014. Р. 696–702.
7.Buketov А.V., Sapronov О.О., Brailo М.V. Investigation of the Physico-Mechanical and Thermophysical Properties of Epoxy Composites with a Two-Component Bidisperse Filler // Strength of Materials. Vol. 46. № 5. 2014. Р. 717–722.
8.Букетов А.В. Исследование влияния 1,4-бис (N,N-диметилдитиокарба-мато) бензена на механические свойства епоксидной матрицы / А.В. Букетов, А.А. Сапронов, В.М. Яцюк, Б.Д. Грищук, В.С. Барановский // Пластические массы. 2014. № 3–4. С. 26–34.
9.Букетов А.В. Исследование влияния модификатора 4,4′-метиленбис (4,1-фенилен) бис (N,N-диэтилдитиокарбамата) на структуру и свойства эпоксидной матрицы / А.В. Букетов, А.А. Сапронов, В.Н. Яцюк, В.О. Скирденко // Пластические массы. 2014. № 7–8. С. 9–16.
10.Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполнения полимеров / Ю.С. Липатов. – М.: Химия, 1991. 260 с.
11.Тагер. А.А. Физико-химия полимеров / А.А. Тагер; под ред. А.А. Аскадского; 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Научный мир, 2007. 573 с.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art