Композиционные материалы на основе эпоксидной смолы и наночастиц

Размещено на http://www.allbest.ru/

Композиционные материалы на основе эпоксидной смолы и наночастиц

Т.А.Брусенцева, А.А.Филиппов

Использование композиционных материалов (КМ) вместо традиционных позволяет уменьшить вес продукта существенно не делая прочностные характеристики хуже, что особенно важно для авиационной и аэрокосмической промышленности. Настоящая работа посвящена исследованию физико-механических характеристик нано-модифицированных эпоксидных композиционных материалов, которые широко используются в строительной отрасли в качестве защитных пропитками и покрытиями, увеличить пропускную способность, химическая стойкость и долговечность строительных конструкций.

Ключевые слова: эпоксидная смола, наночастицы, механические характеристики, модификация..

The use of composite materials (CMs) instead of the traditional ones allows significant reduction of the product weight without deteriorating the strength characteristics, which is particularly important for the aviation and aerospace industry. This paper deals with the research of physical and mechanical characteristics of nano-modified epoxy composite materials, which are widely used in the construction industry as protective impregnations and coatings that increase the carrying capacity, chemical resistance, and durability of building structures.

Key words: Epoxy resin; Nanosilica; Mechanical properties; Modification.

Развитие полимерных технологий ведет к непрерывному расширению класса полимеров, наполненных частицами, что, в свою очередь, повышает необходимость предсказания механических свойств подобных материалов.

При наполнении вязких термопластов жесткими наполнителями в количестве более 20% наблюдается переход от пластического течения к хрупкому разрушению. При этом имеет место существенное снижение ударной вязкости, работы разрушения. Модуль упругости растет с увеличением количества наполнителя, но при этом увеличивается размер и количество трещин возникающих в процессе нагружения при отслаивании матрицы от дисперсных частичек в момент достижения напряжений, соответствующих адгезионной прочности системы. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что путем уменьшения размеров частиц наполнителя и разброса их диаметров можно существенно снизить вероятность появления крупных дефектов.

Процедура эксперимента

Для исследований были выбраны гидрофильные наноразмерные порошки диоксида кремния Таркосил (серия Т) с удельной поверхностью 54, 74, 96 и 150 м²/г, что соответствует средним размерам частиц 50, 37, 30 и 18 нм, А-200 (14 нм), А-300 (9 нм), А-380 (7 нм). Во всех экспериментах в качестве матрицы использовалась эпоксидная смола ЭД-20. Для отверждения в смолу добавлялся отвердитель ПЭПА в соотношении 1 часть отвердителя к 6 частям смолы. Для диспергирования нанопорошка в матрице использовался ультрозвук. Для проведения экспериментов были подготовлены образцы в соответствии с ГОСТ 11262-80 с прямоугольным сечением в рабочей части.

Анализ теоретических работ поставил вопрос о влияние порядка смешивания смеси. Порошок обладает большой активной поверхностью и может адсорбировать на неё смолу или отвердитель, меняя тем самым стехиометрию в локальных областях. Для проведения исследований был приготовлен ряд образцов с разной последовательностью смешения компонент. В работе были рассмотрены возможные варианты диспергирования: эпоксидная смола без добавления порошка; в смолу с отвердителем замешивался порошок и диспергировался с помощью УЗД; сначала диспергировали нанопорошок в отвердителе, менее вязком, затем добавляли смолу; порошок смешивали со смолой, затем добавляли отвердитель. Данные по измерению модуля Юнга и разрывного натяжения представлены на рисунке 1.

Видно, что наилучшие результаты показывает диспергация нанопорошка Т-150 с помощью УЗ в отвердителе, с последующим добавлением смолы.

Результаты и обсуждения

Для проведения экспериментов были подготовлены образцы из эпоксидной смолы ЭД-20 с добавлением гидрофильных нанопорошков SiO₂ (Аэросил) различной концентрации. Величина модуля Юнга для образцов из чистой смолы, полученной в таких условиях, составила Е₀=1,2 ГПа. Далее используется величина относительного модуля Юнга отнесенного к этому значению. модифицированный наночастица эпоксидный строительный

В экспериментах использовались гидрофильные порошки А-200 (14 нм), А-300 (9 нм), А-380 (7 нм). Были получены следующие зависимости относительного модуля Юнга (рис. 2). Рост модуля Юнга наблюдается при росте массовой концентрации от 0 до 0,4% массовой концентрации и максимальному значению соответствует 7-15 % при концентрации 0,3-0,5 масс. % для различных наполнителей. При дальнейшем увеличении концентрации наполнителя идет плавное снижение значения модуля Юнга. Снижение модуля, предположительно, связано с ростом количества агломератов наполнителя и пузырьков воздуха, которые остаются даже после использования вакуумирования и использования УЗД.

Для оценки влияния размеров частиц так же был взят порошок диоксида кремния Таркосил Т-05 (50 нм), Т-15 (30 нм), Т-20 (18 нм) и А-200, А-300, А-380 при весовой концентрации 0,4%. Ожидалось, что при уменьшении размера наполнителя будет наблюдаться рост модуля Юнга. Так, для порошков Таркосила размерами от 50 нм до 18 нм наблюдается рост модуля Юнга на 30%. (рис.3)

Результаты для порошков типа Аэросил подтверждают эту зависимость (А-90, А-200), однако с уменьшением размера частиц рост модуля не наблюдался. Нужно отметить, что в данном случае наибольшим эффектом для Аэросила обладает порошок с размером частиц 14 нм (рис. 3). Снижение размера наполнителя до 9 нм и 7 нм оказывает отрицательный эффект на прочность (3- 5%). Подобная зависимость может говорить о том, что молекулы полимера могут обладать определенным характерным размером структуры, при котором частицы наполнителя располагаются между полимерной сеткой, заполняя ее, тем самым усиливая структуру вещества.

Выводы

1. Установлено, что наночастицы наиболее выгодно вводить в наименее вязкую среду (отвердитель), поскольку в такой среде препятствия для разбиения аггломератов и равномерного распределения частиц должны быть минимальны.

2. Определены оптимальные степени наполнения эпоксидной матрицы наночастицами: от 0,20 до 0,30масс. % - для связующих, модифицированных частицами Таркосил и Аэросил. При введении наночастиц в оптимальных пропорциях увеличиваются следующие характеристики эпоксидного связующего: прочность на растяжение увеличивается на 32%

3. Построены зависимости модуля Юнга от размера нанопорошка. Показано, что максимум достигается в диапазоне размера наполнителей 14-18 нм.

Список литературы

1.Брусенцева Т.; Зобов К., Филиппов А., Базарова Д., Лхасаранов С., Чермошенцева А., Сызранцев В. Введение нанопорошков и механические свойства материалов на основе эпоксидных смол. Наноиндустрия, научно-технический журнал. - Москва, 2013. - 3(41). - С. 24-32.

2. Haiyan, Li , Zhisheng Zhang , Xiaofei Ma. (2007) Synthesis and characterization of epoxy resin modified with nano-SiO2 and г-glycidoxypropyltrimethoxy silane. ScienceDirect., 201, pp. 5269-5272.

3.Hassan Mahfuz. (2008) Reinforcement of nylon 6 with functionalized silica nanoparticles for enhansed tensile strengh and modulus. Nanotechnology, IOP Publishing Ltd, No19,pp 1-7.

Рисунок 1. Изменение модуля Юнга и разрывного натяжения от очередности введения наполнителя Т-150

Рисунок 2. Зависимость относительного модуля Юнга смолы ЭД-20 от массовой концентрации гидрофильных нанопорошков Аэросил для различных размеров частиц.

Рисунок 3. Сопоставление зависимостей относительного модуля Юнга для композитов с разными размерами наполнителя.

Размещено на Allbest.ru