Автореферат (1090443), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Впервые установлена зависимость междупараметрами структуры, размером агломератов наночастиц и комплексом физикомеханических харакетристик эпоксинанокомпозитов.В настоящее время остается нерешенной фундаментальная задача о механизмеусиливающего действия наночастиц и их агломератов в полимерной матрице. Намибыло доказано, что при распределении наночастиц на наноуровне (~ менее 100 нм)физико-механические характеристики эпоксинанокомпозитов не отличаются отхарактеристик эпоксиполимеров.
Для повышения ауд, σсж и Есж необходимоформирование в эпоксидной матрице микрогетерогенности, которая обеспечиваетсятолько агломератами оптимального размера (~ 150-295 нм) из наночастиц.В связи с этим возникает вопрос о целесообразности использования дляповышения комплекса физико-механических характеристик эпоксидных матрицдорогостоящих наночастиц, или можно с успехом применять ультрадисперсныечастицы оптимального размера ~ 150-295 нм, которые более устойчивы к агломерациипри формировании структуры полимерного композита.Для проведения эксперимента были использованы наполнители однойхимической природы – диоксид кремния, в виде наночастиц белой сажи марки БС120 (ГОСТ 18307-78) с диаметром ~20-25 нм и фракция ультрадисперсных частицпылевидного кварца (ПК) марки «А» (ГОСТ 9077-82) с диаметром ~150нм,полученные фракционированием исходного наполнителя.
Размер ультрадисперсныхчастиц кварца выбирали таким образом, чтобы он соответствовал оптимальномуразмеру агломератов (~150 нм) из наночастиц белой сажи БС-120 вэпоксинанокомпозите, при котором достигается оптимум технологических иэксплуатационных характеристик. Нано- и ультрадисперсный наполнители вконцентрации от 0,0025 до 0,02 об. % распределяли в ЭО марки DER-330 методомдробного введения до оптимального размера (~ 150 нм) агломератов из наночастицБС-120 ультрадисперсных частиц кварца.19Размеры агломератов и ультрадисперсных частиц в эпоксикомпозитахконтролировали методом электронной микроскопии с использованием микроскопаE301 Phillips (Нидерланды)*.Рисунок 8.
Зависимость ауд и микрофотографии морфологии структуры эпоксидной матрицна основе DER-330 от содержания наночастиц белой сажи БС-120 с диаметром агломератов~150нм (1) и ультрадисперсных частиц пылевидного кварца с диаметром ~150 нм (2).Как видно из рисунка 8, размеры агломератов из наночастиц БС-120 иультрадисперсных частиц пылевидного кварца в эпоксидной матрице на основе DER330 имеют одинаковые размеры - ~150нм.Зависимости ударной вязкости (ауд) для эпоксидной матрицы на основе DER-330с наночастицами БС-120 (кривая 1) и ультрадисперсными частицами пылевидногокварца (кривая 2) приведены на рисунке 8.
Максимум ударной вязкости дляэпоксинанокомпозита и дисперсно-наполненного эпоксидного полимера достигаетсяпрактически при одной концентрации дисперсной фазы - ~0,005 об. % и одинаковомразмере дисперсных включений (~150 нм).Однако, при введении наночастиц БС-120 и образовании агломератовоптимального размера (~ 150 нм) из наночастиц в эпоксидной матрице ударнаявязкость возрастает в ~2,0 раза, а введение ультрадисперсных частиц кварцаповышает ударную вязкость эпоксиполимера только на ~25%, что указывает навысокую эффективность использования наночастиц.
Таким образом, для повышенияударной вязкости эпоксидных матриц следует использовать наночастицы, с учетом ихагломерации и достижения оптимальных размеров агломерата (~ 150 нм).* Автор выражает благодарность д.х.н., проф. Чалых А.Е. и сотрудникам лаборатории структурноморфологических исследований ИФХ и Э им.
А. Д. Фрумкина за помощь в исследовании морфологииструктуры эпоксинанокомпозитов.20Установлена связь между параметрами структуры, размерами агломератовнаночастиц углеродной и оксидной природы со свойствами нанодисперсий инанокомпозитов на основе эпоксидных олигомеров.Показано, что минимальная вязкость, усадка и остаточные напряжения приотверждении, а также максимальная ударная вязкость, модуль упругости и прочностьпри сжатии достигаются только при оптимальных параметрах структуры иформировании в эпоксидных олигомерах и матрицах агломератов оптимальныхразмеров ~150-295 нм при заданной концентрации нанонаполнителей.Разработанная технология дробного введения и распределения наночастиц наразных уровнях гетерогенности (нано- и микроуровнях) и высокотехнологичныесоставыэпоксинанокомпозитовсоптимальнымитехнологическимииэксплуатационными свойствами были использованы для создания элементарных иконструктивно подобных образцов агрегатов авиационных конструкций из ПКМ наоснове наномодифицированного эпоксидного связующего с улучшенным комплексомфизико-механических характеристик (Акт 1).Заключение1.
Разработана технология введения и распределения наночастиц в эпоксидныхолигомерах и полимерной матрице на разных уровнях гетерогенности (нано- имикроуровень) для получения высокотехнологичных составов нанодисперсий инанокомпозитов на основе эпоксидных олигомеров и нанонаполнителей углеродной иоксидной природы с оптимальными параметрами структуры и комплексомулучшенных технологических и эксплуатационных характеристик.2.
Исследованы процессы агломерации, структурообразования и установленызакономерности формирования на нано- и микроуровне агломератов из наночастицуглеродной и оксидной природы в эпоксидных олигомерах и нанокомпозитах взависимости от их природы, размеров, концентрации и оптимизированы условияполучения наносистем с разным уровнем гетерогенности. Показано, что морфологияструктуры и размер агломератов в эпоксидном олигомере, как на нано- (до ~ 100 нм),так и микроуровне (до ~ 390 нм), практически не изменяется в процессе отвержденияпри переходе связующего из жидкого в твердое состояние (матрица).3.
Установлено, что наночастицы углеродной и оксидной природы распределяются нананоуровне (до ~ 100 нм) в эпоксидных олигомерах DER-330 и ЭД-20 с разнойвязкостью (МУНТ, БС-50, БС-100 – до ~ 80 - 100 нм, БС-120 – до ~ 60 нм иАстралены типа «В» - до ~ 90 нм) только при концентрациях не превышающих ~0,005 об.
%, а при увеличении их содержания формируются агломераты размером до~ 390 нм (микроуровень). Впервые показано, что при распределении наночастиц вэпоксидной матрице до ~ 100 нм вязкость, усадка, остаточные напряжения, а такжефизико-механические характеристики (прочность, модуль, ударная вязкость)практически соответствуют уровню эпоксидных полимеров.214. Исследованы зависимости свойств эпоксинанокомпозитов от размеров агломератовнаночастиц углеродной и оксидной природы при их распределении в ЭО намикроуровне (более ~ 100 нм). Определены размеры агломератов, которыеобеспечивают получение эпоксидных нанодисперсий и нанокомпозитов сулучшенными технологическими и эксплуатационными свойствами: МУНТ ~ 180 190 нм (при 0,025 об.%), Астралены «В» ~280-295 нм (при 0,1 об.%), БС-50 ~190 –220 нм (при 0,05 об.%), БС-100 ~ 150 нм (при 0,01 об.%) и БС-120 ~ 145 нм (при0,005об.%).5.
Впервые получены результаты о влиянии агломератов из наночастиц (БС-120) иультрадисперсных частиц (пылевидный кварц марки «А») одной оксидной природы(SiO2), размера (~ 150 нм), при одной и той же концентрации 0,005 об.%, наморфологию структуры и физико-механические характеристики эпоксидныхполимеров. Показано, что агломераты из наночастиц БС-120 диаметром ~ 150 нм(концентрация 0,005 об.%) повышают ударную вязкость эпоксинанокомпозитов в~2 раза, а ультрадисперсные частицы (диаметр частиц ~ 150 нм остается неизменнымот 0,0025 до 0,02 об.%) эпоксидных полимеров - всего на ~ 25% (при 0,005 об. %), чтоуказывает на высокую эффективность использования наночастиц.6. Установлено, что введение наночастиц углеродной и оксидной природы оказываетвлияние на кинетику процессов отверждения, усадки и нарастания напряжений вэпоксидных олигомерах.
Показано, что, регулируя кинетику процессовструктурообразования и агломерации наночастиц, можно увеличить скорость реакцииотверждения ЭО в 2-3 раза, снизить усадку ~ на 20-30%, снизить уровень остаточныхнапряжений ~ в 2,5-12 раз, и создать высокотехнологичные нанодисперсии,эпоксинанокомпозиты и связующие для армированных пластиков.7. Впервые установлена связь структуры и размера агломератов наночастицуглеродной и оксидной природы со свойствами нанодисперсий и нанокомпозитов.Показано, что при формировании в структуре эпоксидного олигомера и полимернойматрицы агломератов наночастиц размера ~ 150-295 нм при оптимальныхконцентрациях наночастиц происходит снижение вязкости (~ 20-30%), сокращениевремени гелеобразования в ~ 1,5-3 раза, снижение усадки (на ~ 20-30%) и уровняостаточных напряжений (~ в 2,5-12 раз) при разных температурах отверждения, атакже повышение ударной вязкости (~ в 2 раза), модуля упругости (~ в 2-2,5 раза) ипрочности при сжатии (~ в 1,5 раза).8.
Разработана технология дробного введения и распределения наночастицуглеродной и оксидной природы на разных уровнях гетерогенности (нано- имикроуровнях) и высокотехнологичные составы эпоксидных нанодисперсий инанокомпозитов для производства эпоксинанкокомпозитов с комплексомулучшенных технологических и эксплуатационных свойств, которые былииспользованы в ФГУП «ЦАГИ им.
Н. Е. Жуковского» для создания элементарных и22конструктивно подобных образцов агрегатов авиационных конструкций из ПКМ (Акт1, ФГУП «ЦАГИ им. Н. Е. Жуковского» - см. Приложение).Основные публикации по теме диссертации1. Пыхтин А.А. Влияние малых добавок ультрадисперсных наполнителей намеханические и реологические свойства на основе эпоксидных олигомеров / Пыхтин А.А.,Суриков П.В., Кандырин Л.Б., Кулезнев В.Н.
// Вестник МИТХТ-2013-Т.8-№4, С.113-1182. Пыхтин А.А. Остаточные напряжения в нанокомпозитах при отвержденииэпоксидных олигомеров / Симонов-Емельянов И.Д., Пыхтин А.А., Ковалева А.Н. //Российские нанотехнологии-2016-Т.11-№11-12, С. 106-1093. Пыхтин А.А. Технологические свойства нанодисперсий на основе эпоксидногоолигомера марки DER-330 и белой сажи БС-50 / Пыхтин А.А., Симонов-Емельянов И.Д. //Тонкие химические технологии-2016-Т.11-№4, С.63-674. A.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
