Современные тенденции в области создания полимерных композитных материалов конструкционного назначения на основе эпоксидной смолы и дисперсных наполнителей

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Министерство образования и науки РФ

Энгельсский технологический институт(филиал)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

Курсовая работа

по дисциплине «Технология переработки полимеров»

На тему:

Современные тенденции в области создания полимерных композитных материалов конструкционного назначения на основе эпоксидной смолы и дисперсных наполнителей

Выполнила: Белосюк Е.П.

Студентка группы ХМТН-41

Руководитель: Лёвкина Н.Л.

Энгельс 2018 г



Содержание

Введение

1. Информационный анализ

1.1 Эпоксидные смолы для создания ПКМ конструкционного назначения

1.2 Наполнители конструкционного назначения

Заключение

Список использованной литературы



Введение

Эпоксидные смолы представляют самое универсальное семейство смол, применяемых для производства композитных материалов. Практически по всем параметрам эти смолы обеспечивают самые высокие показатели клеевого шва и прочности. Смолы обладают крайне малой усадкой. Когда эпоксидная смола используется в качестве химически стойкого барьерного слоя, покрытие ею обладает очень низким водопоглощением (менее 0.5%) и можно быть уверенным в том, что отделочные покрытия будут иметь хорошее сцепление с эпоксидной основой. Современные эпоксидные смолы могут обладать низкой вязкостью и контролируемым временем отверждения. Эпоксидные смолы - это, пожалуй, самый доступный материал для точного холодного изготовления деталей в домашних условиях.

В «чистом» виде эпоксидные смолы почти не применяются. Поскольку эти материалы позволяют широко регулировать их характеристики в широком диапазоне свойств, за многие годы применения и эксплуатации эпоксидных соединений и композитов в военных технологиях и изделиях авиационно-космического назначения накоплен большой опыт по их модификации.

Композитные материалы, по сравнению с традиционными конструкционными материалами, обладают подробно описанными в научной литературе преимуществами и, в частности, обеспечивают превосходные механические свойства веществам, имеющим очень низкую плотность. В результате использование подобных материалов становится все более распространенным, и области их применения простираются от "промышленных" применений до обладающих высокими эксплуатационными характеристиками.

Сама по себе эпоксидная смола обладает низкими физико-механическими свойствами и для ее широкого применения требуется введение наполнителей.

Поэтому целью курсовой работы является анализ существующих марок эпоксидных смол и наполнителей конструкционного назначения для улучшения свойств эпоксидных смол.



1. Информационный анализ

1.1 Эпоксидные смолы для создания ПКМ конструкционного назначения

Существуют различные марки эпоксидных смол для создания ПКМ конструкционного назначения. Они отличаются друг от друга рядом параметров, например, разные марки имеют разную плотность, молекулярную массу, внешний вид и т.д.

Предлагаю ознакомиться более подробно с каждой из них.

В зависимости от физико-химических свойств устанавливаются следующие марки эпоксидно-диановых смол: ЭД-22, ЭД-20, ЭД-16, ЭД-14, ЭД-10, ЭД-8.

Обозначение марок смол состоит из следующих букв: Э - эпоксидная; Д - дифенилолпропановая; цифр, указывающих предел нормы содержания эпоксидных групп.

По физико-механическим показателям эпоксидно-диановые смолы должны соответствовать требованиям и нормам, приведенным ниже.

Смола эпоксидно-диановая неотвержденная (ЭД-8) (ОКП 22 2511, ГОСТ 10587-84). Представляет собой растворимый и плавкий реакционно-способный олигомерный продукт на основе эпихлоргидрина и дифенилолпропана.

Используют в электротехнической, радиоэлектронной промышленности, авиа-, судо- и машиностроении, в строительстве в качестве компонента заливочных и пропиточных компаундов, клеев, герметиков, связующих для армированных пластиков. Технические характеристики представлены в таблице 1.



Таблица 1

Технические характеристики смолы ЭД-8

Внешний вид	Высший сорт	Первый сорт
	Твердая, прозрачная	Твердая, прозрачная
Цвет по железо-кобальтовой шкале, не более	2	6
Массовая доля эпоксидных групп, %	8.5-10	8-10
Массовая доля иона хлора, %, не более	0.001	0.003
Массовая доля омыляемого хлора, %, не более	0.2	0.3
Массовая доля гидроксильных групп, %, не более	-	-
Массовая доля летучих веществ, %, не более	0.2	0.3
Температура размягчения по методу «кольцо и шар», °C, не выше	65	65
Время желатизации, часов, не менее	3	2

Смола эпоксидно-диановая неотвержденная (ЭД-16) (ОКП 22 2511, ГОСТ 10587-84). Представляет собой растворимый и плавкий реакционно-способный олигомерный продукт на основе эпихлоргидрина и дифенилолпропана. Используют в электротехнической, радиоэлектронной промышленности, авиа-, судо- и машиностроении, в строительстве в качестве компонента заливочных и пропиточных компаундов, клеев, герметиков, связующих для армированных пластиков. Технические характеристики представлены в таблице 2.

Смола эпоксидно-диановая неотвержденная (ЭД-20) (ОКП 22 2511, ГОСТ 10587-84). Представляет собой растворимый и плавкий реакционно-способный олигомерный продукт на основе эпихлоргидрина и дифенилолпропана.

Таблица 2

Технические характеристики смолы ЭД-16

Внешний вид	Высоковязкая, прозрачная	Высоковязкая, прозрачная
Цвет по железо-кобальтовой шкале, не более	3	8
Массовая доля эпоксидных групп, %	16-18	16-18
Массовая доля иона хлора, %, не более	0.002	0.004
Массовая доля омыляемого хлора, %, не более	0.3	0.5
Массовая доля гидроксильных групп, %, не более	2.5	-
Массовая доля летучих веществ, %, не более	0.2	0.4
Динамическая вязкость, Па*сек, при (25±0.1)°C при (50±0.1)°C	-5-18	-5-20
Температура размягчения по методу «кольцо и шар», °C, не выше	-	-
Время желатизации, час., не менее	4	3

Используют в электротехнической, радиоэлектронной промышленности, авиа-, судо- и машиностроении, в строительстве в качестве компонента заливочных и пропиточных компаундов, клеев, герметиков, связующих для армированных пластиков. Технические характеристики представлены в таблице 3.

Таблица 3

Технические характеристики смолы ЭД-20

Внешний вид	Вязкая, прозрачная	Вязкая, прозрачная
Цвет по железо-кобальтовой шкале, не более	3	8
Массовая доля эпоксидных групп, %	20-22.5	20.2-22.5
Массовая доля иона хлора, %, не более	0.001	0.005
Массовая доля омыляемого хлора, %, не более	0.3	0.8
Массовая доля гидроксильных групп, %, не более	1.7	-
Массовая доля летучих веществ, %, не более	0.2	0.8
Динамическая вязкость, Па*сек, при (25±0.1)°C при (50±0.1)°C	13-20-	12-25-
Время желатизации, час., не менее	8	4

Смола эпоксидно-диановая неотвержденная (ЭД-22) (ОКП 22 2511, ГОСТ 10587-84). Представляет собой растворимый и плавкий реакционно-способный олигомерный продукт на основе эпихлоргидрина и дифенилолпропана. Используют в электротехнической, радиоэлектронной промышленности, авиа-, судо- и машиностроении, в строительстве в качестве компонента заливочных и пропиточных компаундов, клеев, герметиков, связующих для армированных пластиков. Технические характеристики представлены в таблице 4.



Таблица 4

Технические характеристики смолы ЭД-22

Внешний вид	Низковязкая, прозрачная	Низковязкая, прозрачная
Цвет по железо-кобальтовой шкале, не более	3	5
Массовая доля эпоксидных групп, %	22.1-23.6	22.1-23.6
Массовая доля иона хлора, %, не более	0.001	0.003
Массовая доля омыляемого хлора, %, не более	0.2	0.5
Массовая доля гидроксильных групп, %, не более	1.0	-
Массовая доля летучих веществ, %, не более	0.1	0.4
Динамическая вязкость, Па*сек, при (25±0.1)°C при (50±0.1)°C	8-12-	7-12-
Температура размягчения по методу «кольцо и шар», °C, не выше	-	-
Время желатизации, час., не менее	18	9

Смола эпоксидная неотвержденная (Э-40) (ОКП 22 2512, ТУ 2225-154-05011907-97). Представляет собой растворимый и плавкий полимерный продукт конденсации эпихлоргидрина с дифенилолпропаном в щелочной среде. Используют для изготовления эмалей, лаков, шпатлевок, а также в качестве полуфабриката для производства других эпоксидных смол, заливочных масс и клеев. Технические характеристики представлены в таблице 5.

Таблица 5

Технические характеристики смолы Э-40

Внешний вид	Вязкая, прозрачная жидкость	Вязкая, прозрачная жидкость
Цвет по ИМШ, мг J2/100 см3, не более	3	5
Чистота раствора смолы, % светопропускания	73	73
Массовая доля нелетучих веществ, %, не менее	94	94
Условная вязкость раствора смолы по вискозиметру типа ВЗ-246 (ВЗ-4) с диаметром сопла 4 мм при температуре (20.0±0.5)°C с раствор 2:1 в толуоле	25-40	25-40
Массовая доля эпоксидных групп, %	13-15	13-15
Массовая доля хлор-иона, %, не более	0.0035	0.0035
Массовая доля омыляемого хлора, %, не более	0.30	0.35



Смолы эпоксидные алифатические (ДЭГ-1 и ТЭГ-1) (ОКП 22 2529, ТУ 2225-027-00203306-97). Представляет собой продукт конденсации многоатомных спиртов с эпихлоргидрином с последующим дегидрохлорированием едким натром.

ДЭГ-1 - продукт конденсации диэтиленгликоля с эпихлоргидрином.

ТЭГ-1 - продукт конденсации триэтиленгликоля с эпихлоргидрином.

Смолы растворимы в воде, спиртах, ацетоне.

Применяют в качестве активных разбавителей и пластификаторов заливочных, пропиточных, клеевых и герметизирующих составов на основе эпоксидно-диановых смол, эпоксидных связующих для стеклопластиков, клеев, компаундов в электротехнической промышленности, авиа- и судостроении и т.д., а также для отделки тканей (придание эффектов несминаемости и безусадочности). Технические характеристики представлены в таблице 6.

Таблица 6

Технические характеристики смолы ДЭГ-1 и ТЭГ-1

Внешний вид	ДЭГ-1	ТЭГ-1
	Низковязкая жидкость от светло-желтого до коричневого цвета
Массовая доля эпоксидных групп, %	26	22
Массовая доля иона хлора, %, не более	0.04	0.05
Массовая доля омыляемого хлора, %, не более	1.4	1.5
Массовая доля гидроксильных групп, %, не более	-	-
Массовая доля летучих веществ, %, не более	1.5	1.5
Динамическая вязкость, при (25±0.1)°C, Па*сек, не более	0.07	0.09

Смола или композиции смолы, используемые в настоящем изобретении, предпочтительно, содержат отверждаемые эпоксидные смолы, отверждающий агент и ускоритель отверждающего агента. Ускорители отверждения, как правило, могут быть активированы теплом, и их обычно включаются в состав смолы с тем, чтобы сократить время цикла отверждения. Обычно композиции отверждают путем нагревания до определенной температуры в течение определенного времени. Композиции разрабатывают таким образом, чтобы они имели требуемую температуру отверждения и время отверждения для предполагаемого применения. Реакционную способность композиции определяют как время, необходимое для достижения определенной степени отверждения при выдерживании при определенной температуре. Системы полимерной смолы могут также содержать термопластичное вещество, которое растворимо в эпоксидной смоле, такое как полиэфирсульфон, с целью улучшения ударной вязкости смолы.

1.2 Наполнители конструкционного назначения

По агрегатному состоянию все известные наполнители делятся на: газообразные, жидкие и твердые. По своей природе они делятся на органические и неорганические. По источнику получения - на растительные, синтетические, минеральные. По назначению - на армирующие, упрочняющие, усиливающие и нейтральные. По размерам, форме частиц и структуре - на четыре основных вида: дисперсные (порошкообразные), волокнистые (волокна, нити, жгуты), листовые (пленочные) с заданной структурой (ткани, бумага, листы, ленты, сетки, пленки) и объёмные (каркасные) с непрерывной трехмерной структурой (объемные ткани, войлок, скелетные и пористые каркасы).

Дисперсные наполнители - наиболее распространенный вид наполнителей ПКМ в качестве которых выступают разнообразные вещества органической и неорганической природы. Одним из основных назначений дисперсных наполнителей является снижение стоимости композиций. В основном это порошкообразные вещества с различным размером частиц - от 2-10 до 200-300 мкм. К числу важнейших требований, предъявляемых к дисперсным наполнителям, относятся способность совмещаться с полимером или диспергироваться в нем, хорошая смачиваемость расплавом или раствором полимера, отсутствие склонности к агломерации частиц, однородность их размера, а также низкая влажность (как правило, необходима сушка).

Свойства некоторых наиболее распространенных видов дисперсных минеральных наполнителей.

1) Каолин (белая глина - гидратированный силикат алюминия) - получается из минерала каолинита путем его измельчения. Используется двух видов -- очищенный и прокаленный, у которого удалена гидратационная вода. Частицы каолина имеют структуру пластинчатых чешуек, отличаются высокой степенью белизны; они плохо диспергируются в большинстве полимеров. Из-за большой величины площади поверхности введение каолина способствует значительному повышению вязкости.

2) Тальк (гидратированный силикат магния) - получается из ряда природных пород путем обогащения, дробления, измельчения (тонкого помола) и фракционирования. Представляет собой тонкоизмельченный порошок белого цвета с пластинчатыми частицами различного размера (от 10 мкм до 70 мкм). Наиболее широко применяется в качестве наполнителя термопластов, в первую очередь полипропилена (автомобилестроение, приборостроение). Получение материала осуществляется смешением в расплаве, с использованием смесителей тяжелого типа.

3) Кварц (диоксид кремния, SiO₂). Существует ряд модификаций диоксида кремния аморфной и кристаллической структуры, используемых в качестве дисперсных наполнителей. Часть из них имеет минеральное происхождение и получается на основе природного сырья (кварцит, трепел, диатомит, новакулит), часть получается синтетическим путем (пирогенетический, осажденный диоксид кремния). Эти модификации отличаются по своему химическому составу, форме и размеру частиц, стоимости, областям применения.

4) Кварцевая мука представляет собой измельченный кварцит со средним размером частиц от 5 до 150 мкм (чистый кварцевый песок). Из-за относительно высокой твердости характеризуется повышенным износом технологического оборудования. При высоких степенях наполнения повышает хрупкость. Широко применяется для наполнения термопластов конструкционного назначения, а также реактопластов с повышенными механическими и электрическими характеристиками. И другие (древесная мука- представляет собой тонкоизмельченную и высушенную древесину волокнистой структуры. Она используется для усиления пластмасс, Сажа (технический углерод) - занимает большое место в качестве порошкообразных наполнителей пластмасс. Графит - представляет собой минерал, имеющий слоистую структуру; может быть получен искусственным путем из антрацита при нагревании без доступа воздуха. Обладает хорошей тепло- и электропроводностью. В качестве наполнителя используется аморфный графит в тонкоизмельченном виде (коллоидный графит).

Для реактопластов наполнители могут иметь большие размеры, больший разброс по размерам, функциональные группы не должны оказывать каталитического или ингибирующего влияния на процесс отверждения, при наполнении пластифицированных смол наполнитель не должен иметь пористой поверхности [1].

Выбор наполнителя определяется в первую очередь размерами его частиц и их распределением по размерам (полидисперсностью), а также формой частиц и характером их упаковки.

Большинство традиционно используемых минеральных дисперсных наполнителей имеют сферическую, кубическую, брусчатую, пластинчатую и игольчатую (оксиды, соли, силикаты) форму частиц. К органическим наполнителям относятся: древесная мука, измельченная скорлупа орехов, сажа, графит. К волокнистым наполнителям относится: целлюлоза, бумага, ткань, химические волокна, стекловолокно, асбест, хлопок и др. [2].

В зависимости от химической природы наполнителя КМ можно придать специальные свойства: негорючесть (гидрат оксида алюминия, оксид сурьмы), магнитные свойства (железный порошок, ферриты), износостойкость (графит, фторопласт), окрашиваемость, электропроводность, антифрикционность, повысить коэффициент трения при одновременной простоте технологии переработки и относительно низкой стоимости [3].

Наполнители могут оказывать усиливающее, упрочняющее действие на полимер (активные), либо играют пассивную роль, лишь разбавляя полимер, снижая его расход и стоимость (инертные).

Общими требованиями к наполнителям являются: способность совмещаться с полимером или диспергировать в нем с образованием однородных композиций: хорошая смачиваемость расплавами или растворами полимеров или олигомеров; стабильность свойств при хранении, при переработке и эксплуатации.

Желательно также, чтобы наполнители были доступны, дешевы, нетоксичны, негорючи, не вызывали абразивного износа перерабатывающего оборудования.

Свойства некоторых наиболее распространенных видов дисперсных минеральных наполнителей показаны в таблице 8.

Таблица 8

Свойства дисперсных минеральных наполнителей

Наполнитель	Плотность, кг/м3	Модуль упругости, ГПа	Коэффициент Пуассона	Температура, oC
Каолин	2600	-	-	1000 (Tр)
Тальк	2788	3,5	0,4	1500 (Tпл)
Слюда	2834	0,25	0,25-0,35	1290 (Tр)
Мел	2600	6-9	0,8-3	920 (Tр)
Кварц(стекло)	2248	6,7-8	0,07-0,45	1600 (Tпл)
Барит	4480	5,9-6,1	0,25-0,32	1143 (Tр)
Аэросил	2350	6,5	0,15	1400 (Tпл)
Асбест	2100-2800	16	-	1110 (Tпл)
Белая сажа	2100-2200	4,5-5,5	0,3	1200 (Tпл)
Технический углерод	1820	-	0,35	1000(применение)
Гидроксид алюминия	24200	-	-	420 (Tр)
Рутил	4200-4300	29	0,28	1980 (Tпл)
Гипс	2317	1,4	0,22-0,34	550 (Tр)
Корунд	3900-4000	37-52	0,13-0,2	2050 (Tпл)

Наполнители различной природы неодинаково диспергируют в объеме полимера и воздействуют на его структуру. С увеличением поверхности частиц дисперсных наполнителей, снижается подвижность макромолекулярных цепей при формировании поверхностного слоя, в результате чего происходит уменьшение плотности упаковки в нём макромолекул. Эквивалентный эффект частиц дисперсного наполнителя на деформационно-прочностные характеристики полимера, достигается за счет уменьшения содержания гидрофильных наполнителей (каолина, кальцита и др.), по сравнению с гидрофобным наполнителем - графитом. При малом введении структурно-активных дисперсных наполнителей, они выступают в роли структурообразавателей, способствующих измельчению глобулярной структуры. эпоксидный полимерный композитный конструкционный

С увеличением содержания наполнителя в полимерной матрице образуется значительное количество частиц, уже не являющихся структурообразователями, и полимер становится более жестким. Это обусловливает резкое падение деформационно-прочностных свойств полимеров с большим содержанием дисперсных наполнителей. С увеличением количества наполнителя растет доля межфазного слоя в полимерной матрице композиции, что приводит к увеличению отличия реальных значений физико-механических показателей ПКМ от аддитивной величины.

А.Л. Тренисова, И.В. Аношкин и др. в своей работе рассматривают влияние различных наполнителей на вязкость эпоксидного полимера [4]. Авторы изучали влияние различных нанонаполнителей на реологические свойства и вязкость в процессе отверждения. Ими было показано, что воздействие ультразвука приводит к повышению вязкости исследуемых композиций, поэтому можно предполагать, что воздействие ультразвука вызывает измельчение агрегатов наполнителя. Для получения наполненных полимерных композиций, в большинстве случаев, применялись тонкодисперсные наполнители с частицами зернистой (кремнезем, сажа, мел, древесная мука, и др.) формы, а также различные волокнистые наполнители. Проведен анализ свойств некоторых наполнителей.

Карбонат кальция обладает высокой площадью поверхности, что приводит к резкому увеличению вязкости композиции при наполнении [1].

Карбонат кальция имеет высокую распространенность в природе; относительно низкую стоимость. Отсутствие запаха и нетоксичность позволяет получать экологически чистые и безопасные материалы на его основе, которые разрешены к использованию в контакте с кожей и пищевыми продуктами. Обладает стойкостью к повышенным температурам до 550°С (при температурах 800-900°С разлагается с образованием СО2 и СаО), также имеет показатель преломления, схожий с большинством полимеров и их пластификаторов, что позволяет создавать окрашенные материалы практически любого цвета. При получении карбоната кальция существует возможность простого регулирования полидисперсности, благодаря чему возможно добиться оптимальной упаковки частиц в различных полимерных системах. Для него характерна низкая твердость, следовательно, невысокая абразивность КМ, а также легкость диспергирования в большинстве полимеров и способность уменьшать усадку.

Авторами работы [5] сделан вывод о том, что даже небольшое содержание (от 2 до 6% масс) карбоната кальция в составе эпоксидной композиции, может привести к увеличению термической стабильности и механических свойств композиции.

Карбонат кальция обладает высокой реакционной способностью и полярностью, которые обусловливают выделение углекислого газа и образование растворимых солей, это является существенным недостатком при действии на композицию кислот (вместе с тем, ПКМ на основе эпоксидных и полиэфирных смол достаточно кислотостойки, если хорошо сформованны материалы). Также при наполнении карбонатом кальция различных полимеров увеличивается их хрупкость, в основном полиэтилена (ПЭ) и полистирола (ПС). Карбонат кальция оказывает слабый усиливающий эффект по сравнению с другими наполнителями.

Полимеры отличаются более низкой жесткостью, модулем упругости при изгибе и теплостойкостью, по сравнению с тальконаполненными и асбестонаполненными полимерами, устойчивость к удару возрастает, в связи с повышением адгезионной прочности на границе наполнитель - связующее. Перед использованием карбонат кальция необходимо его просушивать, так как массовая доля воды даже в очищенном КК составляет 0,1-0,2%, что может привести к некоторым технологическим проблемам при его транспортировке и дозировании.

Также в качестве наполнителя используется такой минерал, как каолин (белая глина). Он представляет собой гидратированный силикат алюминия Al?O?*SiO?. Применяется как природный, так и модифицированный (прокаленный при температуре 550°С). Каолин, содержащий в своем составе гидратированную воду, неабразивный, химически стойкий, легко диспергируюемый, особенно в присутствии ПАВ, наполнитель.

Каолин нашел применение в бумажной промышленности. Данный наполнитель имеет пластинчатую форму частиц, вследствие чего выступает в качестве тиксотропного загустителя [6], который предотвращает отжим связующего и уменьшает, одновременно, шероховатость поверхности КМ, в производстве полиэфирных препрегов или премиксов. Кроме того, используется в производстве резин и других КМ.

В работе [7] рассматривается воздействие каолина на свойства эпоксидной матрицы. Одним из преимуществ введения данного минерала в состав композиции является увеличение микротвердости.

Тальк может выступать в роли усиливающего наполнителя за счет пластинчатой формы частиц [8]. При высокой степени наполнения снижается устойчивость к ударным нагрузкам, повышается вязкость композиции. Для полимеров, наполненных тальком этот отрицательный эффект можно свести к минимуму благодаря правильному выбору размера и поверхностной модификации частиц.

Диоксид титана (в чистом виде) - бесцветные кристаллы (желтеет при нагревании). Для технических целей применяется в раздробленном состоянии, представляя собой белый порошок. Не растворяется в воде и разбавленных минеральных кислотах. Применяется в качестве пигмента при производстве полимерных изделий, а также в качестве модификатора [9].

Полевой шпат имеет кристаллическую структуру каркасного типа. К достоинствам можно отнести прозрачность полевого шпата, благодаря чему наполненные им полимеры прозрачны или полупрозрачны. Хорошо смачивается и распределяется во множестве полимеров. Из перерабатываемой композиции легко удалить воздух, который попадает в неё в процессе приготовления. Полевой шпат не повышает вязкость композиции, даже при высокой степени наполнения. Легко окрашивается в композиции, что экономит содержание красителя. Повышает такие показатели как износостойкость и прочность. Не изменяет своих свойств при воздействии различных химикатов и кислорода воздуха, безвреден, что позволяет использовать КМ на его основе для создания изделий, контактирующих с пищевыми продуктами. К недостаткам следует отнести повышенную абразивность, что требует введения полевого шпата на финальных стадиях совместно со связующим, возможность седиментации в высокотекучих полимерах, крупнозернистость.

Наиболее эффективно наполнять полевым шпатом полярные полимеры - сополимеры этилена, полиамида, винилацетата, полиуретана и др. При этом ПКМ обладают повышенной прочностью при изгибе, жесткостью, теплостойкостью [1].

Отходы химических производств также используются в роли наполнителей для ПКМ. В основном, это оксиды металлов всевозможного сочетания [10].

Так ПКМ содержащие в своем составе пиритные огарки (отходы производства серной кислоты) негорючи, обладают антистатическими свойствами, устойчивы к действию паров масел и бензина [11].

Оксид алюминия применяется главным образом в качестве дисперсного наполнителя полиэфирных и эпоксидных смол [12, 13]. Композиции на его основе имеют повышенные электрические характеристики, теплопроводность, химическую стойкость, твердость и износостойкость, а также пониженный термический коэффициент расширения.

Полимерные композиции, наполненные оксидом бериллия, имеют повышенную теплопроводность при малом изменении электрических показателей.

Полимерные композиции содержащие с своем составе оксиды железа (II, III) и цинк характеризуются повышенной термостойкостью, твердостью и жесткостью.

При введении оксиды свинца в состав ПКМ повышается их плотность и экранирующая способность при воздействии жестких излучений. Диоксид циркония и сульфат бария вводят в связующие с целью ускорения процесса их отверждения. При наполнении ПКМ дисульфидом молибдена обеспечивается высокая термостойкость, электрическая прочность, повышается модуль упругости и разрушающее напряжение при изгибе и растяжении. Кроме того, улучшаются технологические свойства композиции.

Сажа успешно применяется в качестве наполнителя и красящего агента. Ею наполняют полиэфиры, ПС, АБС, гомо- и сополимеры винилового ряда. Добавив сажу в состав полиэфирных стеклопластиков, можно направленно регулировать продолжительность гелеобразования и окрашивания [14].

Кроме этого, сажу используют в качестве активного наполнителя. В статье [15] показано, что электропроводимость составов, содержащих в качестве наполнителя сажу, увеличивается. Это происходит в результате образования частичками наполнителя цепочечных структур.

Широкое распространение получили отходы, образующиеся при переработке отработанных каталитических комплексов, которые содержат оксиды цветных металлов - меди, хрома, цинка и др. [16, 17]. Применяя эти наполнители, можно добиться интенсификации процесса коксобразования. ПКМ на их основе характеризуются КИ до 36% объем. при степени наполнения 40%. При наполнении алюмосиликатами и силикатами циркония улучшаются электроизоляционные свойства, стойкость к тепловому старению и тепловому удару, уменьшается поглощение воды, усадка и растрескивание, ускоряются процессы отверждения. Благодаря такому комплексу свойств, ПКМ содержащие в своем составе алюмосиликаты и силикаты циркония, могут использоваться в таких отраслях как: медицина, производство энергии, а также выступать в качестве фильтров, датчиков и сенсоров [18, 19]. Титанат бария вводится в эпоксидные компаунды, которые в дальнейшем находят широкое применение в изделиях электротехнического назначения. Они отличаются стабильностью диэлектрических свойств, высокой диэлектрической проницаемостью и низкими диэлектрическими потерями.

А.В. Ишков и А.М. Сагалаков применяли в своей работе в качестве активного наполнителя карбонитриды титана, придавая полимерам электропроводящие свойства [20].

Диоксид кремния характеризуется тиксотропным и усиливающим эффектом в ПКМ. При увеличении степени наполнения значительно возрастает вязкость композиции, что в большинстве случаев не желательно. Диоксид кремния, в основном, вводится в состав резины, термо- и реактопластов.

Силоксановые каучуки (СК) используются в качестве активного (усиливающего) наполнителя для натуральных и синтетических каучуков. СК вулканизируются при повышенных температурах. ПКМ, содержащие в своем составе СК характеризуются повышенной прочностью при растяжении, износостойкостью, сопротивлением разрыву. Кроме того РТИ прозрачные или полупрозрачные.

При наполнении пирогенным SiO₂ жидких эпоксидных смол, происходит их загустевание, как следствие, происходит образование трехмерной сетчатой структуры.

При наполнении полимеров металлическими порошками, можно добиться улучшения таких специфических свойств как, тепло- и электропроводность, магнитная восприимчивость, теплоемкость. Большой интерес представляют такие порошки как: Al, Ag, Zn, Ni, Pb, Сu или гальваношламы, содержащие цветные металлы, а именно Ni, Cr, Zn и др. С их помощью можно получить наполненные полимеры специального назначения, для которых существует возможность изменения внешнего вида, плотности, магнитных и др. физических свойств [21]. Широко распространены эпоксидные смолы, содержащие в своем составе магнитные порошки, обладающие повышенной текучестью в неотвержденном состоянии и улучшенными физико-механическими свойствами в отвержденном состоянии.

Одним из недостатков металлонаполненных полимеров является потеря прочности при изгибе и растяжении, может быть обусловлено содержанием адсорбированной влаги на поверхности металлических порошков и высокой пористостью наполненных композиций.

Наполняя полимеры асбестом можно добиться повышения прочности и модуля упругости изделий при изгибе, улучшения их сопротивляемости ползучести и теплостойкости, снижения термического коэффициента расширения, легкости регулирования текучести композиции, также снизить стоимость материала.

В качестве аналога асбеста для реактопластов применяют измельченные (рубленные) минеральные волокна.

Базальтовыми волокнами наполняют большое количество полимеров. Базальтопластики обладают аналогичными положительными свойствами, что и стеклопластики, но отличаются при этом еще рядом преимуществ. Среди них улучшение щелоче- и теплостойкости. При наполнении эпоксидных смол повышается адгезионное взаимодействие по границе раздела связующее волокно.

При обработке аппретом базальтовых волокон повысилась адгезионная прочность волокна с матрицей [22].

Следует отметить, что в эпоксидных композициях измельченный базальт ведёт себя как активный наполнитель, повышающий свойства. Причем это проявляется как в повышении механических свойств - твердость по Бринеллю, так и физико-химических - теплостойкость повышается со 114 до 206 градусов по Цельсию, что отражено в таблице 9.

Таблица 9

Влияние базальта на физико-химические и механические свойства эпоксидной композиции состава: 70 масс.ч. ЭД-20 + 15 масс.ч. ПЭПА + 30 масс.ч. ТХЭФ

Количество базальта, масс.ч.	Ударная вязкость, кДж/мІ	Твердость по Бринеллю, МПа	Разрушающее напряжение при изгибе, МПа	Водопоглощение, %	Теплостойкость по Вика, ?
-	7	130	45	0,20	114
1	8	134	50	0,17	124
50	10	253	122	0,07	206

Испытание разработанных ПКМ на старение при воздействии естественных климатических факторов показало, что эпоксидные компаунды, наполненные 50 масс.ч базальта практически не изменяют физико-механических свойств при экспонировании в климатических условиях в течение 1 года и 2 лет.



Заключение

В последние годы эпоксидные смолы перестали быть дефицитным продуктом. Появилась возможность и тенденция более широкого использования эпоксидных связующих и композитов на их основе в гражданских технологиях, и в частности, в строительстве. Это даёт толчок к более активному изучению эпоксидных смол и их свойств при внедрении различных наполнителей.

На основе проведенного анализа научно-технической литературы изучили существующие марки эпоксидных смол и наполнителей конструкционного назначения для улучшения их свойств. В соответствии с изученным материалом наиболее предпочтительным посчитали использование марки эпоксидной смолы ЭД-20.

Для повышения эксплуатационных характеристик эпоксидных композитов перспективным является использование дисперсного базальта.



Список литературы

1. Суменкова О.Д. Влияние наполнителей на процессы отверждения и свойства ЭД-20 / О.Д. Суменкова, B.C. Осипчик, Е.Д. Лебедева, О.А. Кононова // Пластические массы. - 2001. - №12 - С. 35-37.

2. Панова Л.Г. Наполнители для полимерных композиционных материалов: учеб. пособие / Л.Г. Панова. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2002. - 72 с. -ISBN 5-7245-0267-1.

3. Трение и износ материалов на основе полимеров / В.А. Белый, А.И. Свириденюк, Н.И. Петроковец и др. -Минск: Наука и техника,1976. -431с.

4. Тренисова А.Л. Изучение влияния различных наполнителей на вязкость эпоксидного полимера / А.Л. Тренисова, И.В. Аношкин, С.А. Крючков, И.Ю. Горбунова, М.Л. Кербер, Э.Г. Раков, Е.П. Плотникова // Пластические массы. - 2008. -№3. - С. 33-36.

5. He H. Study on thermal and mechanical properties of nano-calcium carbonate/epoxycomposites / H. He, K. Li, J. Wang, G. Sun, Y. Li, J. Wang // Materials and Design.- 2011. - №32. - P. 4521-4527.

6. Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполненных полимеров / Ю.С. Липатов. - М.: Химия, 1991. - 256 с.

7. Astruc A. Incorporation of kaolin fillers into an epoxy/polyamidoamine matrix for coatings / A. Astruc, E. Joliff, J.-F. Chailan, E. Aragon, C.O. Petter, C.H. Sampaio // Progress in Organic Coatings. - 2009. - №65. - P. 158-168.

8. Модифицированные эпоксидные композиции / Пинкас М.В., Мызникова О.А., Плакунова Е.В., Панова Л.Г. // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых: в 2 т. Т.2, 91 Саратов. 15-16 сентября 2009 г. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2009. - C.276- 278.

9. Белошенко В.А. Особенности отверждения эпоксидной композиции, наполненной диоксидом титана / В.А. Белошенко, М.К. Пактер, Л.Е. Чуйкова // Пластические массы. - 2007. - №7. - С. 36-38.

10. Мухленов А.Д. Общая химическая технология / под ред. А.Д. Мухленова.- М.: Химия, 1984. - 242 с.

11. Куликова Ю.Б. Эпоксидные композиции со специфическими свойствами / Ю.Б. Куликова, Л.Г. Панова, С.Е. Артеменко // Химические волокна. - 1997.- №5. - С.48-51.

12. Стухляк П.Д. Электрические свойства оксидосодержащих эпоксидных композиционных материалов / П.Д. Стухляк и [и др.] // Пластические массы. -1995. - №4. - С. 27-29.

13. Мамуня Е.П. Композиционные полимерные материалы / Е.П. Мамуня. - М.: Химия, 1989. - 127 с.

14. Фойгт И. Стабилизация синтетических полимеров противодействием тепла и света / Под ред. Б.М. Коварской. Пер. с англ. Л.: Химия, 1972. - 544 с.

15. Ширшова Е.С. Изучение влияния модификаторов на свойства эпоксидных композиций / Е.С. Ширшова, Е.А. Татаринцева, Е.В. Плакунова, Л.Г. Панова // Пластические массы. - 2006. - №12. - С. 34-36.

16. Каблов В.Ф. Разработка и исследование металлоорганических ингредиентов полимерных композиций на основе эпоксидных смол с использованием отработанных каталитических комплексов / В.Ф. Каблов, С.М. Москвичев, Л.А. Хайлина // Пластические массы. 2002. - №8. - С.41-44.

17. Лобачева Г.К. Состояние вопроса об отходах и современных способах их переработки / Г.К. Лобачева, В.Ф. Желтобрюхов. - Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2005. - 176 с.

18. Lopes A. Aluminosilicate and aluminosilicate based polymer composites: Present status, applications and future trends / A.C. Lopes, P. Martins, S. Lanceros-Mendez // Progress in Surface Science. - 2014. - №89. - P. 239-277.92

19. Yamazaki S. Aluminum silicate nanotube coating of siloxane-poly (lactic acid)- vaterite composite fibermats for bone regeneration / Yamazaki S.H. Maeda, A. Obata, K. Inukai, K. Kato, T. Kasuga // Journal of Nanomaterials. - 2012. - №3. - Р. 76-78.

20. Ишков А.В. Электропроводящие полимерные материалы с нестехиометрическими карбонитридами титана / А.В. Ишков, А.М. Сагалаков // Пластические массы. - 2006. - №12. - С. 10-12.

21. Гуль В.Е. Электропроводящие полимерные композиции / В.Е. Гуль, Л.З. Шенфильд. - М.: Химия, 1980. - 472 с.

22. Наполнители для полимерных композиционных материалов / под ред. П.Г. Бабаевского. - М.: Химия, 1981. - 734 с

Размещено на allbest.ru

...