Автореферат (Высокотехнологичные эпоксидные нанодисперсии и нанокомпозиты с регулируемой структурой и комплексом свойств)

На правах рукописиПыхтин Александр АлексеевичВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫЕ ЭПОКСИДНЫЕ НАНОДИСПЕРСИИ ИНАНОКОМПОЗИТЫ С РЕГУЛИРУЕМОЙ СТРУКТУРОЙ ИКОМПЛЕКСОМ СВОЙСТВСпециальность: 05.17.06 – «Технология и переработка полимеров икомпозитов»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква 2017Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего образования «Московский технологический университет (Институттонких химических технологий имени М.В. Ломоносова)» на кафедре химии и технологиипереработки пластмасс и полимерных композитовНаучныйСимонов-Емельянов Игорь Дмитриевич,руководитель:доктор технических наук, профессор,заведующий кафедрой химии и технологии переработкипластмассиполимерныхкомпозитовФедеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждениявысшегообразования«Московскийтехнологическийуниверситет» (Институт тонких химических технологий им.М.В.

Ломоносова)ОфициальныеБадамшина Эльмира Рашатовнаоппоненты:доктор химических наук, профессор, заместитель директораФедерального государственного бюджетного учреждения науки«Институт проблем химической физики РАН»Андреева Татьяна Ивановнакандидат технических наук, первый заместитель генеральногодиректора открытого акционерного общества «Институтпластмасс им. Г.С. Петрова»Ведущаяорганизация:Акционерное общество НПО «Стеклопластик»Защита диссертации состоится «20» декабря 2017 г.

в 13.00 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.131.09 на базе ФГБОУ ВО «Московский технологическийуниверситет» (Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова) по адресу:119831, г. Москва, ул. М. Пироговская, д.1, ауд. А-221.С авторефератом диссертации можно ознакомиться на Интернет-сайтах ВАК РФhttp://vak.ed.gov.ru и http://mirea.ru.С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВО«Московский технологический университет» (Институт тонких химических технологий им.М.В.

Ломоносова) по адресу: 119454, Москва, проспект Вернадского, д. 78 и на Интернетсайте http://mirea.ru.Ваши отзывы на автореферат просим присылать по адресу: 119454, ЦФО, г. Москва,Проспект Вернадского, д. 78, ФГБОУ ВО «Московский технологический университет»,диссертационный совет Д 212.131.09.Автореферат диссертации разослан « ______»______________ 2017 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.131.09,доктор технических наук, профессорЮ.А.Наумова2Общая характеристика работыАктуальность работы.

К современным полимерным композиционнымматериалам (ПКМ) и высоконагруженным конструкциям различного назначенияпредъявляются достаточно жесткие требования, как по комплексу технологических,так и эксплуатационных свойств. В последнее время для улучшения их характеристикиспользуют эпоксинанокомпозиты на основе эпоксидиановых олигомеров (ЭО),которые находят все большее применение в авиа- и ракетостроении, электронике,приборостроении, строительстве, автомобильной промышленности и т.д.Наночастицы (НЧ) в полимерной матрице, благодаря своей развитойповерхности и наноразмерным свойствам, оказывают существенное влияние наформирование гетерогенной структуры и взаимодействие на границе раздела фаз, чтоприводит к изменению комплекса технологических и эксплуатационных свойствэпоксинанокомпозитов.В научно-технической и патентной литературе по полимернымнанокомпозитам приводятся многочисленные данные о связи физико-механическиххарактеристиксконцентрациейнанонаполнителей,однакопроцессыструктурообразования,агломерацииизависимоститехнологическихиэксплуатационных свойств эпоксинанокомпозитов от размеров агломератовнаночастиц, как правило, в полном объеме не рассматриваются.

Остается нерешенной фундаментальная задача о механизме усиливающего действия агломератовиз наночастиц в полимерной матрице и аналогичных по размерам ультрадисперсныхчастиц одной и той же химической природы.Системный подход к исследованию процессов структурообразования внанодисперсиях и эпоксинанокомпозитах с учетом агломерации наночастиц,содержания и влияния агломератов на свойства нанодисперсий и полимернойматрицы, а также к комплексному изучению реологических и реокинетическихзависимостей, кинетики усадки, остаточных напряжений при отвержденииолигомерных эпоксинаносистем и физико-механических характеристик, являетсяактуальной задачей полимерного материаловедения и технологии переработки.Разработка технологии получения эпоксикомпозитов с наночастицамиразличной химической природы, формы, размера, удельной поверхности на основеЭО с регулируемым комплексом технологических и эксплуатационных свойствявляется актуальной задачей при создании новых компаундов, клеев, герметиковсвязующих для производства угле- и стеклопластиков и изделий авиационнойтехники из полимерных композитов.Цель работы: разработка технологии получения высокотехнологичныхсоставов эпоксидных нанодисперсий и нанокомпозитов с оптимальными параметрамиструктуры и комплексом улучшенных технологических и эксплуатационныххарактеристик, а также производства компаундов, клеев, герметиков иконструкционных угле- и стеклопластиков для авиационной техники.3Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основныезадачи: исследовать процессы агломерации и структурообразования в эпоксидныхолигомерах в зависимости от химической природы, формы, размеров, удельнойповерхности и концентрации наночастиц, а также влияние процессаотверждения на конечный размер агломератов наночастиц при переходе отжидкого связующего к эпоксиполимеру; научно обосновать технологию введения и распределения наночастиц вэпоксидных олигомерах и полимерной матрице на разных уровняхгетерогенности (нано- и микроуровень) для получения нанодисперсий иэпоксинанокомпозитов с заданными параметрами структуры; установить влияние концентрации наночастиц и размеров их агломератов нареологические свойства и реокинетику эпоксидных олигомеров приотверждении; исследовать кинетики усадки и нарастания остаточных напряжений приотверждении эпоксидных олигомеров инанодисперсий при различныхтемпературах; изучить влияние параметров структуры, концентрации и размера агломератовнаночастицнакомплексфизико-механическиххарактеристикэпоксинанокомпозитов; разработать высокотехнологичные составы и технологию полученияэпоксидных нанодисперсий с пониженной вязкостью, минимальными усадкамии остаточными напряжениями при отверждении и повышенными прочностнымихарактеристиками эпоксинанокомпозитов, а также производства компаундов,клеев, герметиков и конструкционных угле- и стеклопластиков дляавиационной техники.Научная новизна работы1.

Установлены закономерности формирования на нано- и микроуровнеагломератов из наночастиц углеродной и оксидной природы в эпоксидныхнанодисперсиях и нанокомпозитах в зависимости от их природы, размеров,концентрации и оптимизированы условия получения нанодисперсий с разнымуровнем гетерогенности. Показано, что морфология структуры и размерагломератов в эпоксидном олигомере, как на нано- (до ~ 100 нм), так имикроуровне (до ~ 390 нм), практическине изменяются в процессеотверждения при переходе связующего из жидкого в твердое состояние(матрица).2.

Доказано, что введение наночастиц углеродной и оксидной природы оказываетвлияние на кинетику процессов отверждения, усадки и нарастания напряженийв эпоксидных олигомерах. Показано, что, регулируя кинетику процессовструктурообразования и агломерации наночастиц, можно сократить время4гелеобразования при отверждении ЭО ~ в 2-3 раза, снизить усадку ~ на 20-30%,уровень остаточных напряжений ~ в 2,5-12 раз и создать высокотехнологичныеэпоксинанокомпозиты и связующие для армированных пластиков.3.

Впервые установлена связь структуры и размеров агломератов из наночастицуглеродной и оксидной природы со свойствами нанодисперсий иэпоксинанокомпозитов. Показано, что минимальная вязкость, усадка иостаточные напряжения при отверждении, а также максимальная прочность,модуль упругости и ударная вязкость достигаются только при формировании вструктуре эпоксидной матрицы агломератов оптимального размера ~150-295нми концентрации наночастиц.4.

Впервые получены результаты о влиянии агломератов из наночастиц (БС-120)и ультрадисперсных частиц (пылевидный кварц марки «А») одной оксиднойприроды (SiO2) и размера (~ 150 нм) на морфологию структуры и физикомеханические характеристики эпоксидных полимеров. Показано, чтоагломераты из наночастиц БС-120 диаметром ~ 150 нм повышают ударнуювязкость эпоксинанокомпозитов в ~ 2 раза, а ультрадисперсные частицы(диаметр ~ 150 нм) эпоксидных полимеров - всего на ~ 25%, что указывает навысокую эффективность использования наночастиц.Практическая значимость работыРазработана технология ступенчатого (дробного) введения и распределениянанонаполнителей различной природы в ЭО на разных уровнях гетерогенности(нано- и микроуровне) для получения нанодисперсий и эпоксинанокомпозитов сзаданнойструктуройикомплексомулучшенныхтехнологическихиэксплуатационных свойств, заключающаяся в многократном последовательномразбавлении высококонцентрированной дисперсии наночастиц в ЭО, с последующиммеханическим смешением при разных температурных режимах.Предложеныоптимальныесоставыэпоксидныхнанодисперсийиэпоксинанокомпозитов (МУНТ-0,025 об.%, Астралены «В»-0,1 об.%, БС-50-0,05об.%, БС-100 -0,01 об.%, БС-120 -0,005 об.%) с низкой вязкостью (~ на 20-30 %) наоснове ЭО марки DER-330 и наночастиц углеродной и оксидной природы спониженными усадками (на ~ 20-30%), уровнем остаточных напряжений (~ в 2,5-12раз) и повышенными ударной вязкостью (~ в 2 раза), модулем упругости (~ в 2-2,5раза) и прочности при сжатии (в ~1,5 раза) в качестве компаундов, клеев, герметикови связующих для получения конструкционных угле- стеклопластиков авиационногоназначения.Разработанные составы эпоксинанокомпозитов были использованы в ФГУП«ЦАГИ им.