Автореферат (1090443), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Введение в ЭО марки DER-330нанонаполнителей способствует снижению усадки эпоксинанокомпозитов приотверждении. Так при введении белой сажи марки БС-50 происходит снижение усадокдо 3,9 % (~ на 20%) при концентрации 0,05 об. %, диаметр агломератов наночастицсоставляет ~ 190 нм. При введении МУНТ усадки снижаются до 3,2 % (~ на 25%) при0,025 об. %, диаметр агломератов ~ 190 нм. В эпоксинанокомопзитах с Астраленами«В» при концентрации наночастиц 0,1 об.% значения усадки снижаются до 2,95 % (на~30 %), диаметр агломератов составляет ~280 нм.Снижение усадок эпоксидных нанодисперсий при отверждении связано сформированием рыхлой структуры граничных слоев, увеличением скоростирелаксационных процессов и влиянием процессов агломерации наночастиц наструктуру эпоксинанокомпозитов.Установлено, что при введении наночастиц углеродной и оксидной природыпроисходит изменение кинетики усадки эпоксидных олигомеров.
Показано, чтоварьируя концентрацией нанонаполнителей и диаметром агломератов наночастиц,можно регулировать кинетику усадки эпоксинанокмпозитов. При формированииагломератов из наночастиц размером ~ 150-280 нм можно снизить усадкуэпоксинанокомпозитов с 4,45 до 2,95-3,9 об.% (на ~ 20-30%) и создатьвысокотехнологичные эпоксидные нанодисперсии и нанокомпозиты дляпроизводства компаундов, клеев, герметиков и угле- и стеклопластиков.153.5 Исследование кинетики нарастания остаточных напряжений изависимости их уровня от структуры эпоксинанокомпозитовВ процессе реакции отверждения и формирования трехмерной молекулярнойструктуры происходит усадка эпоксиполимера, что приводит к возникновениюостаточных напряжений, которые способствуют образованию трещин, дефектов иснижению физико-механических характерситик.При созданиидисперсно-наполненных полимерных композиционныхматериалов (ДНПКМ) и армированных пластиков на основе эпоксидных матрицуровень напряжений в материалах стараются снизить, однако для этого необходимоизучить кинетику нарастания и уровень остаточных напряжений формирующихся впроцессе отверждения ЭО.
В настоящее время данных о напряжениях и кинетики ихнарастания при отверждении эпоксидных нанодисперсий с разным уровнемгетерогенности практически отсутствуют.Кинетику нарастания и уровень остаточных напряжений при отвержденииизучали при формировании структуры эпоксинанокомпозитов на основе DER-330 иЭД-20, наполненных наночастицами углеродной и оксидной природы.В качестве примера на рисунке 6 приведены результаты исследования кинетикинарастания остаточных напряжений эпоксидных нанодисперсий с БС-50 и ихзависимости при 30 оС от концентрации и диаметра агломератов из наночастиц.Аналогичные зависимости были получены при других концентрациях наночастиц внанодисперсиях на основе DER-330 и ЭД-20 и разных температурах отверждения.а)б)в)Рисунок 6.
Зависимость нарастания остаточных напряжений (а) при отверждении DER-330(1) и нанодисперсий с БС-50 при разных концентрациях (об. %): 0,01 (2), 0,025 (3), 0,05 (4),0,1 (5), 1,0 (6), 3,0 (7), 0,25 (8) и 0,5 об. % (9) во времени и зависимость остаточныхнапряжений в эпоксинанокомпозитах от концентрации (б) и диаметра агломератов (в)Кинетические кривые нарастания остаточных напряжений (рисунок 6а) имеют Sобразную форму и можно выделить три характерных области: область 1 индукционный период (до 2 ч); область 2 - нарастания остаточных напряжений (от 2до 6 ч) и область 3 - постоянный уровень остаточных напряжений (от 6 до 10ч).Введение наночастиц снижает скорость нарастания и уровень остаточных напряжений16при отверждении эпоксидного олигомера (в ~12 раз), при этом индукционный периодвозрастает с 2 до 4 часов.На уровень остаточных напряжений в эпоксинанокомпзитах существенноевлияние оказывет температура отверждения и структурные паметры нанодисперсий.Так, при температуре отверждения 30 оС остаточные напряжения вэпоксинаносистемах снижаются с 12,5 до 1,0 МПа при введении ~0,5 об.
% БС-50, с12,5 до 3,0 МПа - 1,0об.% Астралена «В», с 12,5 до 2,0 МПа – 0,25об.% МУНТ; при50 оС - с 21,0 до 6,2 МПа - ~0,5об.% БС-50, с 21,0 до 8,0 МПа – 1,0об. % Астралена«В», с 21,0 до 6,0 МПа- 0,25 об. % МУНТ; при 70 оС - с 39,0 до 10,0 МПа- 0,05об.%БС-50, с 39,0 до 15,0 МПа – 0,1 об. % Астралена «В», с 39,0 до 17,0 МПа – 0,025 об. %МУНТ. Следует отметить, что минимальные значения остаточных напряжений вэпоксинанокомпозитах достигаются при оптимальных размерах агломератов изнаночастиц (150 – 380нм).Введение в ЭО марки DER-330 и ЭД-20 наночастиц БС-50 в концентрационноминтервале - 0,05-0,5 об. % приводит к снижению остаточных напряжений в ~ 4-12 раз,Астраленов «В» (0,1 - 1 об.
%) - в ~2,5- 4 раза, а МУНТ (0,025 – 0,25 об. %) - в ~2,5 - 6раз. Снижение уровня остаточных напряжений в эпоксидных наносистемах связано собразованием рыхлых граничных слоев, а тажке с агломерацей наночастиц ивозрастанием скорости релаксационных процессов.Глава4Исследованиефизико-механическиххарактеристикэпоксинанокомпозитов с разными параметрами структуры и природойнаночастицВведение наночастиц различной природы и процесс их агломерации оказываетвлияние как на технологические (вязкость, реокинетика, усадка и остаточныенапряжения), так и на эксплуатационные параметры (ударная вязкость, модульупругости и прочность при сжатии). При формировании агломератов оптимальногоразмера (150-295 нм) наблюдается снижение усадки и уровня остаточныхнапряжений, что оказывает влияние на физико-механические характеристикиэпоксинанокомпозитов.Исследовали комплекс физико-механических характеристик - ударная вязкость(ауд), прочность (σсж) и модуль упругости (Есж) при сжатии, эпоксинанокомпозитов наоснове эпоксидиановых олигомеров DER-330 и ЭД-20 и нанонаполнителейуглеродной и оксидной природы.
Нанокомпозиты отверждали ТЭТА при 20 оС втечение 24 часа и затем при 80 оС - 10 часов.В работах по нанокомпозитам обычно зависимости физико-механическиххарактеристики представляют в координатах от концентрации наночастиц. Впервые вработе для эпоксидных нанокомпозитов на рисунке 7 приведены зависимости физикомеханических характеристик от диаметра агломератов наночастиц (уровнягетерогенности). Аналогичные зависимости от концентрации нанонаполнителей вэпоксидных наносистемах на основе DER-330 и ЭД-20 приведены в диссертационной17работе.
Зависимости физико-механических характеристик эпоксинанокомпозитов наоснове DER-330 и наночастиц от диаметров агломератов наночастиц имеютэкстремальный характер. Максимумы ауд, σсж и Есж достигаются при формировании вполимерной матрице из наночастиц агломератов оптимальных размеров: МУНТ ~ 180нм, БС-50 ~ 190 нм, Астралены «В» ~ 280 нм (рисунок 7).а)б)в)Рисунок 7. Зависимость ударной вязкости (а), прочности при сжатии (б) и модуля упругостипри сжатии (в) эпосиполимера и эпоксинанокомпозитов на основе DER-330 от диаметраагломератов наночастиц МУНТ (1), БС-50 (2), Астраленов «В» (3)DER-330В отличие от ударопрочных пластиков с дисперсными частицами каучука,введение твердых нанонаполнителей в ЭО (DER-330 и ЭД-20) повышает не толькоударную вязкость, но и модуль упругости в ~2,5 раза и прочность при сжатии ~ в 1,5раз (таблица 2).Таблица 2Физико-механические характеристики эпоксинанокомпозитов при оптимальныхпараметрах дисперсной структурыСистемаdаг, нмφн,об.%aуд, кДж/м2σсж, МПаEсж, ГПаDER-3309,8100,02,519,0144,05,61800,025МУНТ19,0145,05,72800,10Астрален «В»18,0144,05,61900,05БС-5018,01500,01БС-10017,01450,005БС-120ЭД-209,890,02,518,0148,05,61900,025МУНТЭД-2018,0150,05,52950,1Астрален «В»Примечание: dаг- диаметр агломератов наночастиц в точке максимума, φн- концентрациянанонаполнителя в точке максимума, aуд –ударная вязкость в тчоке максимума, σсж – прочность присжатии в точке максимума, Eсж – модуль упругости при сжатии в точке максимума.Рассматривая структуру ударопрочных пластиков, например АБС, следуетотметить, что оптимальный размер частиц дисперсной фазы в них составляет ~ 20018300 нм, и это хорошо согласуется с оптимальными размерами агломератов изнаночастиц в исследованных эпоксинанокомпозитах ( ~ 150-295 нм).Наиболее чувствительной характеристикой к размеру частиц в ДНПКМ инанокомпозитах является ударная вязкость, которая связана с взаимодействием приразрушении композита растущей микро- и макротрещины с дисперсными частицами.При введении наночастиц МУНТ, БС-50, БС-100, БС-120 и Астраленов «В» вDER-330 ударная вязкость возрастает в ~2 раза, а МУНТ и Астраленов «В» в ЭД-20 - в~ 1,8 раза (таблица 2).Для эпоксинанокомпозитов с наночастицами, распределенными на наноуровне(до ~100 нм), повышения физико-механических характеристик прочности непроисходит и для достижения оптимальных прочностных показателей необходимоформирование оптимальной структуры нанодисперсий на микроуровне с размеромагломератов из наночастиц ~150-295 нм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
