Влияние дисперсности микрокальцита на длительность и экзотермичность процесса отверждения наполненных эпоксидных композитов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ МИКРОКАЛЬЦИТА НА ДЛИТЕЛЬНОСТЬ И ЭКЗОТЕРМИЧНОСТЬ ПРОЦЕССА ОТВЕРЖДЕНИЯ НАПОЛНЕННЫХ ЭПОКСИДНЫХ КОМПОЗИТОВ

Низина Т.А., Чернов А.Н., Низин Д.Р.,

Ерофеева А.А., Попова А.И.

Мордовский государственный университет

им. Н.П. Огарёва, Саранск, Россия

Приведены результаты исследования влияния микрокальцита различной дисперсности на изменение температуры экзотермической реакции и время ее достижения. Установлено снижение максимальной температуры разогрева полимерных смесей до 50 ^оС при степени наполнения микромрамором 80%. Описано изменение экзотермичности процесса отверждения от степени наполнения и дисперсности микрокальцита.

Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, эпоксидные связующие, наполнитель, микрокальцит, экзотермичность, жизнеспособность

THE INFLUENCE OF DISPERSITY OF MICROCALCITE ON DURATION AND EXOTHERMICITY OF PROCESS OF HARDENING THE FILLED EPOXY COMPOSITES

Nizina T.A., Chernov A.N., Nizin D.R., Erofeeva A.A., Popova A.I., National Research Mordovia State University, Russia, Saransk

Here shown the results of study of the influence of microcalcite of various dispersity on the temperature change of the exothermic reaction and the time of its attainment. Established the decrease of the maximum temperature of heating of polymer mixtures to 50 оС at a degree of filling with a micromarble of 80%. Described the change of exothermicity of process of hardening depending on the degree of filling and the dispersity of the microcalcite.

Keywords: polymer composite materials, epoxy binders, filler, microcalcite, exothermicity, viability

Активное развитие материаловедения в последние десятилетия привело к появлению широкого ассортимента полимерных композиционных материалов, нашедших свое применение в самых разных отраслях экономики. В строительстве особое место занимают композиты на основе эпоксидных диановых смол, применяемые в качестве защитно-декоративных покрытий и пропиток [1, 4, 7, 9, 14]. Отверждение эпоксидных смол происходит в результате химической реакции между смолой и отвердителем, сопровождаемой выделением значительного количества тепла. В зависимости от окружающих условий и состава связующего может происходить разогрев полимерной смеси свыше 200 . Нагрев до столь высоких температур может приводить к появлению дефектов в структуре материала [2], инициирующих процессы деструкции, а также «закипанию» составов. Также при устройстве полимерных покрытий большое значение имеет жизнеспособность полимерной смеси, от которой зависит технологичность нанесения защитного покрытия и глубина его проникновения в бетонное основание [5, 6, 8].

Одним из возможных способов снижения температуры экзотермической реакции является введение в состав связующего дисперсных наполнителей, в качестве которых могут использоваться пески, минеральные порошки, различные волокна, древесная стружка, стеклянные микросферы и т. д. [10, 12, 13]. На сегодняшний день одним из перспективных наполнителей полимерных композитов является микрокальцит (микромрамор), представляющий собой природный минеральный наполнитель, получаемый путем измельчения белого мрамора [3]. Благодаря высокой прочности зерен, низкому содержанию примесей и постоянству химического состава микрокальцит широко применяется в производстве строительных материалов, полимерных изделий, резин и бумаги. Количество введенного наполнителя, его дисперсность и гранулометрический состав могут оказывать значительное влияние как на физико-механические характеристики композитов, так и на кинетику твердения [3, 11, 15].

Проведены исследования кинетики набора температуры при отверждении двухкомпонентного эпоксидного компаунда Этал-27НТ/12НТ производства АО «ЭНПЦ ЭПИТАЛ», в состав которого вводился микромрамор 3 различных фракций:

1) МКМ1 - 0,5ч1 мм;

2) МКМ2 - 0,2ч0,5 мм;

3) МКМ3 - менее 0,2 мм.

Степень наполнения варьировалась в интервале 40 - 80 % от предельного содержания микрокальцита, определяемого на основе предварительных экспериментальных исследований (таблица).

Уровни варьирования переменных факторов

Исследование процесса отверждения происходило в теплоизолированной системе. Температура экзотермической реакции фиксировалась с интервалом в 1 минуту. В ходе эксперимента были построены кинетические кривые температуры для различных составов, представленные на рисунке 1.

Для всех исследуемых составов установлено закономерное снижение пиковой температуры с повышением степени наполнения, связанное как с уменьшением потенциально возможного числа реакций, вследствие снижения доли связующего в общем объёме, так и с повышением теплопроводности за счет присутствия минеральных частиц. Время достижения максимальной температуры разогрева, напротив, растет с повышением степени наполнения. По результатам проведенных исследований установлено, что фракционный состав наполнителя оказывает существенное влияние на кинетику набора температуры при различном содержании наполнителя. Согласно полученным данным, при степени наполнения, равной 40%, введение в состав связующего микрокальцита мелкой фракции (МКМ3) приводит к снижению максимальной температуры на 32 ^оС, что почти в два раза выше значений, полученных при использовании средней (МКМ2) и крупной (МКМ1) фракций (рис. 1, а). При повышении степени наполнения от 40 до 60% для композитов, наполненных МКМ1 и МКМ2, зафиксировано снижение температуры экзотермической реакции на 15%, в то время как пиковая температура состава, наполненного микрокальцитом мелкой фракции (МКМ3) практически не изменилась (рис. 1, б).

дисперсность микрокальцит отверждение эпоксидный

аб

в

Рисунок 1. Кинетика набора температуры наполненных микрокальцитом эпоксидных композитов в зависимости от степени наполнения: а - 40 %; б - 60 %; в - 80 %

При дальнейшем наполнении влияние дисперсности микромрамора на максимальную температуру существенно снижается, о чем свидетельствуют близкие значения пиковой температуры для всех составов при степени наполнения, равной 80%. Наибольшее снижение температуры, составившее 50 ^оС, зафиксировано для состава, наполненного микромрамором крупной фракции (МКМ1). При этом время достижения пиковой температуры увеличилось в 3 раза по сравнению с контрольным составом.

Столь различное влияние дисперсности наполнителя, очевидно, связано с характером распределения частиц микрокальцита в композите (рис. 2). При минимальной степени наполнения мелкодисперсные частицы находятся во взвешенном состоянии и равномерно распределяются во всем объеме связующего, в то время как частицы крупного и среднего микромрамора в процессе седиментации оседают в нижней части сечения.

Рисунок 2. Распределение наполнителя по сечению эпоксидных композитов, наполненных микрокальцитом различной дисперсности и при степенях наполнения 40, 60 и 80%

При степени наполнения, равной 80%, частицы наполнителя занимают практически весь объем вне зависимости от размера фракции. Учитывая, что масса введенного микрокальцита зависит от дисперсности зерен (табл. 1), причиной высоких показателей, зафиксированных для состава, наполненного микрокальцитом крупной фракции (МКМ1) при максимальной степени наполнения, очевидно, является большая объемная доля по сравнению с МКМ2 и МКМ3.

Вывод

Установлено, что введение микрокальцита в состав эпоксидного связующего позволяет снизить температуру экзотермической реакции и значительно повысить жизнеспособность состава. Эффект от введения микрокальцита растет с увеличением степени наполнения. Характер влияния дисперсности наполнителя различается в зависимости от степени наполнения. При низком содержании наполнителя наилучшими показателями обладает состав, наполненный микромрамором мелкой фракции, а при максимальном наполнении напротив состав, полученный с добавлением крупной фракции микромрамора, что связано как с количеством наполнителя, так и с его распределением по объему.

Список литературы

1. Бобрышев А.Н., Жарин Д.Е., Кондратьева Е.В., Бобрышев А.А., Биктимиров Р.Л. // Эпоксидные и полиуретановые строительные композиты. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2005. - 159 с.

2. Влияние вида отвердителя на вязкость, жизнеспособность и экзотермичность составов модифицированных эпоксидных связующих / Селяев В.П., Д.Р. Низин, Т.А. Низина, Н.Е. Фомин, В.А. Юдин, А.Н. Чернов // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2016. - №6 (690). - С. 47-57.

3. Влияние гранулометрического состава микромрамора на физико-механические характеристики наполненных эпоксидных композитов / Т.А. Низина, А.Н. Чернов, М.А. Морозов, Д.Р. Низин, А.И. Попова // Вестник МГСУ. - 2016. - №9. - С. 98-107.

4. Низина Т.А. Защитно-декоративные покрытия на основе эпоксидных и акриловых связующих / Т.А. Низина. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2007. - 260 с.

5. Полимерные композиционные материалы. Свойства. Структура. Технологии / под ред. А.А. Берлина. - СПб.: Профессия, 2009. - 560 с.

6. Полимерные композиционные материалы. Прочность и технологии / С.Л. Баженов, А.А. Берлин А.А. Кульков В.Г. Ошмян. - М.: Изд-во «Интеллект», 2009. - 352 с.

7. Полимерные покрытия для бетонных и железобетонных конструкций / В.П. Селяев, Ю.М. Баженов, Ю.А. Соколова, В.В. Цыганов, Т.А. Низина. - Саранск: Изд-во СВМО, 2010. - 224 с.

8. Селяев В.П. Полимербетоны: монография / В.П. Селяев, Ю.Г. Иващенко, Т.А. Низина. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2016. - 284 с.

9. Селяев В.П. Химическое сопротивление и долговечность строительных материалов, изделий, конструкций: учеб.пособие / В.П. Селяев, Т.А. Низина, В.Н. Уткина. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2003. - 48 с.

10. Структура и свойства дисперсно-наполненных композитных материалов / А.Н. Бобрышев, А.В. Лахно, Р.В. Козомазов, А.А. Бобрышев. - Пенза: ПГУАС, 2012. - 160 с.

11. Функционально-градиентные покрытия на основе полимерных связующих / В.П. Селяев, Т.А. Низина, А.Л. Лазарев, Ю.А. Ланкина, В.В. Цыганов // Известия ВУЗов. Строительство. - 2007. - № 7. - С. 36-40.

12. Функциональные наполнители для пластмасс. / под. ред. М. Ксантоса; пер. с англ. под ред. В.Н. Кулезнева. - СПб.: Научные основы и технологии, 2010. - 462 с.

13. Хозин В.Г. Влияние наполнителей на свойства эпоксидных материалов / В.Г. Хозин // Клеи. Герметики. Технологии. - 2006. - № 11. - С. 12-22.

14. Хозин В.Г. Усиление эпоксидных полимеров / В.Г. Хозин. - Казань: Дом печати, 2004. - 446 с.

15. Экзотермичность наполненных эпоксидных композитов / Т.А. Низина, М.А. Морозов, Д.Р. Низин, А.Н. Чернов // Региональная архитектура и строительство. - 2016. - №3(28). - С. 68-76.

Размещено на Allbest.ru