Диссертация (1090444), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Аналогичные зависимости для эпоксинанокомпозитов на основеЭО марки ЭД-20 представлены на рисунках 4.7-4.9.Рисунок 4.1 - Зависимость прочности нанокомпозита на основе эпоксидногоолигомера марки DER-330 при сжатии от концентрации нанонаполнителей1-МУНТ, 2-БС-50, 3-Астрален типа «Б».97Рисунок 4.2 - Зависимость модуля упругости нанокомпозита на основеэпоксидного олигомера марки DER-330 при сжатии от концентрациинанонаполнителей 1-МУНТ, 2-БС-50, 3-Астрален типа «Б».а)б)Рисунок 4.3 - Зависимость ударной вязкости нанокомпозита на основеэпоксидного олигомера марки DER-330 от концентрации нанонаполнителейна основе углерода (а) МУНТ (1), Астрален типа «Б» (2) и диоксида кремния(б) БС-50 (1), БС-100 (2), БС-120 (3)Для всех исследованных нанокомпозитов на зависимостях свойство –состав в области содержания от 0,001 до 1,0 об.% нанонаполнителейнаблюдается повышение прочностных характеристик.
Максимум физикомеханических показателей достигается при введении углеродных нанотрубок98ужеприконцентрации0,025об.%,длядостижениямаксимальныхпоказателей в нанокомпозите наполненных белой сажей БС-50 необходимоввести 0,05об.%, а Астраленами типа В – 0,1 об.%. Дальнейшее увеличениесодержания нанонаполнителей приводит к снижению физико-механическиххарактеристик. Введение Астраленов типа «В» приводит к наибольшемуувеличению характеристик нанокомпозитов: прочность в ~1,5 раза и модульупругости~в2,5раза.Внаибольшейстепенипривведениинанонаполнителей возрастает ударная вязкость наносистем [111,112].Введение Астраленов типа «В», БС-50 и УНТ повышает ударную вязкость в~2 раза.Возрастание прочностных показателей связано с изменениемструктурыДННКиобразованиемвнейагломератовнаночастицоптимальных размеров ~140-300нм.
В работах по нанокомпозитам обычнозависимостифизико-механическиххарактеристикипредставляютвкоординатах от концентрации наночастиц. Впервые в работе для эпоксидныхнанокомпозитов на рисунках 4.4-4.6 приведены зависимости физикомеханических характеристик от диаметра агломератов наночастиц (уровнягетерогенности).Зависимостифизико-механическиххарактеристикэпоксинанокомпозитов на основе DER-330 и наночастиц от диаметровагломератов наночастиц имеют экстремальный характер. Максимумы а уд, σсжи Есж достигаются при формировании в полимерной матрице агломератовоптимальных размеров: МУНТ ~ 180 нм, БС-50 ~ 190 нм, Астралены «В» ~280 нм. Физико-механические характеристики эпоксинанокомпозитов наоснове ЭО марок DER-330 и ЭД-20 и нанонаполнителей углеродной иоксидной природы при огптимальных параметрах структуры приведены втаблице 4.1.99Рисунок 4.4 – Зависимость прочности при сжатии систем DER-330 +нанонаполнитель + ТЭТА от диаметра агломератов наночастиц МУНТ (1),БС-50 (2), Астралены «В» (3)Рисунок 4.5 – Зависимость модуля упругости при сжатии систем DER-330 +нанонаполнитель + ТЭТА от диаметра агломератов наночастиц МУНТ (1),БС-50 (2), Астралены «В» (3)100а)б)Рисунок 4.6 – Зависимость ударной вязкости систем DER-330 +нанонаполнитель + ТЭТА от диаметра агломератов наночастиц углероднойприроды (а) [МУНТ (1), Астралены «В» (2)] и на основе диоксида кремния(б) [БС-50 (1), БС-100 (2), БС-120 (3)]Рисунок 4.7 - Зависимость прочности при сжатии систем ЭД-20 +нанонаполнитель +ТЭТА от концентрации наночастицМУНТ (1) иАстраленов «В» (2)101Рисунок 4.8 - Зависимость модуля упругости при сжатии систем ЭД-20 +нанонаполнитель +ТЭТА от концентрации наночастицМУНТ (1) иАстраленов «В» (2)Рисунок 4.9 - Зависимость ударной вязкости систем ЭД-20 +нанонаполнитель +ТЭТА от концентрации наночастицМУНТ (1) иАстраленов «В» (2)102Рисунок 4.10 - Зависимость прочности при сжатии систем ЭД-20 +нанонаполнитель +ТЭТА от диаметра агломератов наночастиц МУНТ (1) иАстраленов «В» (2)Рисунок 4.11 - Зависимость модуля упругости при сжатии систем ЭД-20 +нанонаполнитель +ТЭТА от диаметра агломератов наночастиц МУНТ (1) иАстраленов «В» (2)103Рисунок 4.12 - Зависимость ударной вязкости систем ЭД-20 +нанонаполнитель +ТЭТА от диаметра агломератов наночастиц МУНТ (1) иАстраленов «В» (2)Таблица 4.1Физико-механическиехарактеристикиэпоксинанокомпозитовприоптимальных параметрах дисперсной структурыaуд, кДж/м2σсж, МПаEсж, ГПаdаг, нмφн,об.%DER-3309,8100,02,5--МУНТ19,0144,05,61800,025Астрален «В»19,0145,05,72800,10БС-5018,0144,05,61900,05БС-10018,0--1500,01БС-12017,0--1450,0059,890,02,5--МУНТ18,0148,05,61900,025Астрален «В»18,0150,05,52950,1DER-330СистемаЭД-20ЭД-20Примечание: dаг- диаметр агломератов наночастиц в точке максимума, φн- концентрациянанонаполнителя в точке максимума, aуд –ударная вязкость в тчоке максимума, σсж – прочностьпри сжатии в точке максимума, Eсж – модуль упругости при сжатии в точке максимума.При введении в ЭО марки ЭД-20 (рисунки 4.7 - 4.9) нанонаполнителей(МУНТ и Астраленов «В») происходит возрастание ударной вязкости ~1,8-2раза, прочности при сжатии ~ в 1,5 раза и модуля упругости при сжатии ~ 21042,5 раза.
При этом размер агломератов МУНТ, при формировании которыхзафиксированы максимальные значения физико-механических показателейэпоксинанокомпозитов, составляет ~190нм, а размер агломератов Астраленов«В» ~295нм (рисунки 4.10-4.12).Наиболее чувствительной характеристикой к размеру частиц внанокомпозитеявляетсяударнаявязкость,котораяопределяетсявзаимодействием растущей макротрещины с дисперсными частицами[10,11,113].Механизм роста трещины в ударопрочном полистироле (УПС) иакрилонитрил-бутадиен-стирольномсополимере(АБС)происходитаналогичным образом. Причем размер частиц каучука в УПС составляет 1-2мкм, а в АБС пластике от 200 – 300нм [113,114], что примерно совпадает сразмерам агрегатов наночастиц в исследованных нами нанокомпозитах (от140 до 300 нм).
Известно, что с уменьшением размера дисперсных частиц вполимерной матрице растущая трещина при движении по гетерогенномуматериалу может не реагировать на наличие дискретных включений. Так дляэпоксинанокомпозитов с наночастицами, распределенными на наноуровне(до ~100 нм), повышения физико-механических характеристик прочности непроисходит и для повышения и достижения оптимальных прочностныхпоказателейнеобходимоформированиеструктурынанодисперсийнамикроуровне с размером агломератов из наночастиц ~150-295 нм [111,114].В отличие от ударопрочных пластиков с дисперсными частицамикаучука[113], введение твердых нанонаполнителей в ЭО (DER-330 и ЭД-20)повышает не только ударную вязкость, но и модуль упругости в ~2,5 раза ипрочность при сжатии ~ в 1,5 раз (таблица 4.1). Для эпоксинанокомпозитов снаночастицами, распределенными на наноуровне (до ~100нм), повышенияфизико-механических характеристик прочности не происходит и длядостиженияоптимальныхпрочностныхпоказателейнеобходимоформирование структуры нанодисперсий на микроуровне с размеромагломератов из наночастиц ~150-295нм.105Впервые установлена зависимость между параметрами структуры,размером агломератов наночастиц и комплексом физико-механическиххаракетристик эпоксинанокомпозитов.
Показано, что при формировании вЭО марок DER-330 и ЭД-20 агломератов наночастиц (МУНТ, БС-50, БС-100,БС-120, Астралены «В») размерами ~ 150-295 нм повышается ударнаявязкость в ~ 1,7-2 раза, модуль упругости в ~2,5 раза и прочность при сжатии~ в 1,5 раза.В настоящее время остается нерешенной фундаментальная задача омеханизме усиливающего действия наночастиц и их агломератов вполимерной матрице (рисунок 4.13). Нами было доказано, что прираспределении наночастиц на наноуровне (~ менее 100 нм) физикомеханические характеристики эпоксинанокомпозитов не отличаются отхарактеристик эпоксиполимеров. Для повышения ауд, σсж и Есж необходимоформированиевэпоксиднойматрицемикрогетерогенности,котораяобеспечивается только агломератами оптимального размера (~ 150-295 нм) изнаночастиц.В связи с этим возникает вопрос о целесообразности использования дляповышения комплекса физико-механических характеристик эпоксидныхматриц дорогостоящих наночастиц, или можно с успехом применятьультрадисперсные частицы оптимального размера ~ 150-295 нм, которыеболее устойчивы к агломерации при формировании структуры полимерногокомпозита.106УльтрадисперснаяАгломерат изчастица а)наночастицб)Рисунок 4.13 - Ультрадисперсная частица пылевидного кварца марки Аразмером ~150-200 нм (а) и агломерат размером ~150-200 нм изнаночастиц белой сажи марки БС-120 размером 20-25нм.Для проведения эксперимента были использованы наполнители однойхимической природы – диоксид кремния, в виде наночастиц белой сажимарки БС-120 (ГОСТ 18307-78) с диаметром ~20-25 нм и фракцияультрадисперсных частиц пылевидного кварца (ПК) марки «А» (ГОСТ 907782) с диаметром ~150 нм, полученные фракционированием исходногонаполнителя.
Размер ультрадисперсных частиц кварца выбирали такимобразом, чтобы он соответствовал оптимальному размеру агломератов(~ 150 нм) из наночастиц белой сажи БС-120 в эпоксинанокомпозите, прикоторомдостигаетсяоптимумтехнологическихиэксплуатационныххарактеристик. Нано- и ультрадисперсный наполнители в концентрации от0,0025 до 0,02 об. % распределяли в ЭО марки DER-330 методом дробноговведения до оптимального размера (~ 150 нм) агломератов из наночастиц БС120ультрадисперсныхчастицкварца.Размерыагломератовиультрадисперсных частиц в эпоксикомпозитах контролировали методомэлектронной микроскопии с использованием микроскопа E301 Phillips(Нидерланды)*.107Рисунок 4.14 - Микрофотографии морфологии структуры эпоксидныхматриц DER-330 наполненных БС-120 (1) и пылевидным кварцем марки А(2)*Автор выражает благодарность д.х.н., проф.
Чалых А.Е. и сотрудникам лаборатории структурно-морфологическихисследований ИФХ и Эим. А. Д. Фрумкина за помощь в исследовании морфологии структурыэпоксинанокомпозитов.Как видно из рисунка 4.14, размеры агломератов из наночастиц БС-120 иультрадисперсных частиц пылевидного кварца в эпоксидной матрице наоснове DER-330 имеют одинаковые размеры - ~150нм.Зависимости ударной вязкости (ауд) для эпоксидной матрицы на основеDER-330 с наночастицами БС-120 (кривая 1) и ультрадисперснымичастицами пылевидного кварца (кривая 2) приведены на рисунке 4.15.Максимум ударной вязкости для эпоксинанокомпозита и дисперснонаполненного эпоксидного полимера достигается практически при однойконцентрации дисперсной фазы - ~0,005 об. % и одинаковом размередисперсных включений (~150 нм).Однако, при введении наночастиц БС-120 и образовании агломератовоптимального размера (~ 150 нм) из наночастиц в эпоксидной матрицеударная вязкость возрастает в ~2,0 раза, а введение ультрадисперсных частицкварца повышает ударную вязкость эпоксиполимера только на ~25%, чтоуказывает на высокую эффективность использования наночастиц.108Рисунок 4.15 - Зависимость ауд эпоксидных матриц на основе DER-330 отсодержания наночастиц белой сажи БС-120 с диаметром агломератов~150нм (1) и ультрадисперсных частиц пылевидного кварца с диаметром~150 нм (2).Таким образом, для повышения ударной вязкости эпоксинанокмпозитовнеобходимо использовать наночастицы (размер которых менее 100 нм), номаксимум ударной вязкости (~ в 2 раза) достигается только приформировании рыхлых агломератов наночастиц размерами ~140-280нм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
