Диссертация (1090444), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Установлены закономерности формирования на нано- и микроуровнеагломератов из наночастиц углеродной и оксидной природы вэпоксидных нанодисперсиях и нанокомпозитах в зависимости от ихприроды,полученияразмеров,концентрациинанодисперсийсиразнымоптимизированыуровнемусловиягетерогенности.Показано, что морфология структуры и размер агломератов вэпоксидном олигомере, как на нано- (до ~ 100 нм), так и микроуровне(до ~ 390 нм), практически не изменяются в процессе отверждения припереходе связующего из жидкого в твердое состояние (матрица).2. Доказано, что введение наночастиц углеродной и оксидной природыоказывает влияние на кинетику процессов отверждения, усадки инарастания напряжений в эпоксидных олигомерах.
Показано, что,регулируя кинетику процессов структурообразования и агломерации6наночастиц, можно сократить время гелеобразования при отвержденииЭО ~ в 2-3 раза, снизить усадку ~ на 20-30%, уровень остаточныхнапряжений~враз2,5-12исоздатьвысокотехнологичныеэпоксинанокомпозиты и связующие для армированных пластиков.3. Впервые установлена связь структуры и размеров агломератов изнаночастицуглероднойиоксиднойприродысосвойстваминанодисперсий и эпоксинанокомпозитов.
Показано, что минимальнаявязкость, усадка и остаточные напряжения при отверждении, а такжемаксимальная прочность, модуль упругости и ударная вязкостьдостигаются только при формировании в структуре эпоксиднойматрицыагломератовоптимальногоразмера~150-295нмиконцентрации наночастиц.4. Впервые получены результаты о влиянии агломератов из наночастиц(БС-120) и ультрадисперсных частиц (пылевидный кварц марки «А»)одной оксидной природы (SiO2) и размера (~ 150нм) на морфологиюструктурыиполимеров.физико-механическиеПоказано,диаметром~чтохарактеристикиагломератыповышают150нмизэпоксидныхнаночастицударнуюБС-120вязкостьэпоксинанокомпозитов в ~ 2 раза, а ультрадисперсные частицы(диаметр ~ 150нм) эпоксидных полимеров - всего на ~ 25%, чтоуказывает на высокую эффективность использования наночастиц.Практическая значимость работыРазработанатехнологияступенчатого(дробного)введенияираспределения нанонаполнителей различной природы в ЭО на разныхуровняхгетерогенностинанодисперсийи(нано-имикроуровне)эпоксинанокомпозитовсдлязаданнойполученияструктуройикомплексом улучшенных технологических и эксплуатационных свойств,заключающаясявмногократномпоследовательномразбавлении7высококонцентрированной дисперсии наночастиц в ЭО, с последующиммеханическим смешением при разных температурных режимах.Предложены оптимальные составы эпоксидных нанодисперсий иэпоксинанокомпозитов (МУНТ-0,025 об.%, Астралены «В»-0,1 об.%, БС-500,05 об.%, БС-100 -0,01 об.%, БС-120 -0,005 об.%) с низкой вязкостью (~ на20-30 %) на основе ЭО марки DER-330 и наночастиц углеродной и оксиднойприроды с пониженными усадками (на ~ 20-30%), уровнем остаточныхнапряжений (~ в 2,5-12 раз) и повышенными ударной вязкостью (~ в 2 раза),модулем упругости (~ в 2-2,5 раза) и прочности при сжатии (в ~1,5 раза) вкачестве компаундов, клеев, герметиков и связующих для полученияконструкционных угле- стеклопластиков авиационного назначения.Разработанные составы эпоксинанокомпозитов были использованы вФГУП «ЦАГИ им.
Н. Е. Жуковского» для создания элементарных иконструктивно подобных образцов агрегатов авиационных конструкций изПКМ на основе наномодифицированного эпоксидного связующего сулучшенным комплексом физико-механических характеристик(Акт 1,ФГУП «ЦАГИ им. Н. Е. Жуковского», см. Приложение).Степень достоверностиЭкспериментальные данные, приведенные в диссертационной работе,были выполнены с применением современных методов исследованияморфологииструктуры,реологии,реокинетики,кинетикиусадокиостаточных напряжений, комплекса физико-механических характеристикнанодиспресийиэпоксинанокомпозитов,сиспользованиемметодикстатистической обработки экспериментальных данных и применениемвзаимодополняющих методов изучения свойств.
Полученные в работеданныенадежнокоррелируютсэкспериментальнымиданными,приведенными в отечественных и зарубежных изданиях.8Апробациярезультатовработы.Основные результатыработыдоложены и обсуждены на:1)III Международной конференции с элементами научной школы«Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества»- Москва. 29мая- 1 июня 2012;2)VI Международной научной конференции «Новые перспективныематериалы и технологии их получения НПМ-2014»-Волгоград. 16-18сентября 2014;3)Междисциплинарноммолодежномнаучномфоруме«Новыематериалы. Дни науки»-Санкт Петербург. 20-22 октября 2015;4) XX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии Екатеринбург.
26-30 сентября 2016;5)VI Всероссийской научной конференции «Физикохимия процессовпереработки полимеров»- Иваново. 3-7 октября 2016;6)Кругломстоле«Материалыостеклениявавиационнойпромышленности»-Москва. 16 октября 2016;7)V Конференции молодых ученых «Реология и физико-химическаямеханика гетерофазных систем»-Москва. 19-20 июня 2017.Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложенов 5 научных статьях, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАКРФ, 2 статьях Scopus и 13 тезисах докладов на Международных иВсероссийских конференциях.9ГЛАВА 1 СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХНАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНЫХ ОЛИГОМЕРОВ1.1 Нанодисперсии и нанокомпозиты на основе эпоксидныхолигомеровПоследние 10-15 лет нанотехнологии нашли свое применение вразличных сферах нашей жизни.
Свойствананоразмерных объектов (неболее 100 нм) отличаются от материалов той же химической природы, ноимеющих больший размер. Это связано с высокой поверхностной энергией и,как следствие, высокой адсорбционной способностью наночастиц. Свойствананоматерии отличны от свойств объемной фазы, поэтому иногда говорят обособом наносостоянии вещества.В настоящее время наноразмерные объекты используют в различныхотрасляхпромышленности:электроника,компьютернаятехника,микропроцессоры, медицина, авиационная и космическая промышленности,автомобилестроение,разработкановыхстроительныхматериалов,энергетика и т.д.
[1-15]Одним из наиболее активно развивающихся направлений примененияявляется полимерная промышленность. Композиционные материалы наоснове полимерных связующих имеют широкий спектр применения.Научные разработки и совершенствование технологических процессовнаправлены на поиски методов повышения эксплуатационных свойствполимерных композиционных материалов (ПКМ).
Высокие значения этихпоказателей достигаются главным образом за счет повышения характеристикармирующего наполнителя, так как упруго-прочностные характеристикиполимерной матрицы на порядки уступают аналогичным показателямконструкционных волокон [16]. Наиболее уязвимыми детали из стекло- иуглепластиковоказываютсявтехслучаях,когданаправление10прикладываемой механической нагрузки не совпадает с направлениемуглеродных волокон в армирующих слоях, а полимерная матрица работает насдвиг, т.к.
прочность полимерной матрицы в несколько раз уступаетпрочности углеродного, стеклянного, арамидного и др. волокон. Поэтомудля повышения прочности ПКМ необходимо, в первую очередь повыситьфизико-механические характеристики полимерной матрицы.К современным полимерным матрицам предявляют ряд требований,выполнение которых желательно для получения инновационного связующегодля конкретного изделия из ПКМ [17], такие как:низкая вязкость (лучшая пропитка и пониженное давление прессования);минимальные усадки при отверждении;прочность более 100 МПа;минимальные остаточные напряжения;высокая ударная вязкость (10-15 кДж/м2);высокая трещиностойкость;низкая пористость;Однако, большинство «чистых» связующих не может полностьюудовлетворять всем указанным требованиям. Поэтому совершенствованиеполимерных матриц возможно по трем направлениям:- создание смесей олигомеров и полимеров;- использование комплексных смесевых отвердителей;-введениедобавокразличногоназначениядлямодификациисвязующего, армирующего наполнителя и границы раздела фаз.Одним из способов модификации полимерных связующих являетсявведение нанонаполнителей, которые позволяют улучшить прочностныехарактеристик полимерной матрицы, в особенности ударную вязкость итрещиностойкость [18].Авторы в своих работах[19,20] отмечают изменение структуры,технологических и эксплуатационных свойств ПКМ в которые были введенынаночастицы.
Особое внимание в своих работах уделяют тому, что благодаря11высокой адсорбционной способности наночастицы способны ориентироватьвокруг себя макромолекулы полимеров, выстраивая их вокруг себя и образуя«кластеры», которые способны повысить стойкость полимерных материаловк прорастанию трещин.
Отдельно отмечена способность наночастицстановиться центрами (зародышами) кристаллизации (термопласты) илицентрами химической сшивки (реактопласты) в полимерах, играя рольнуклеирующих агентов, они (нанчоастицы) способны влиять на скоростькристаллизации(сшивки),ориентируяперпендикулярно свое продольной оси [19].полимерныекристаллыДанный процесс затрудняетнаправленную ориентацию макромолекул в присутствии наночастиц.
Привведении от 0,001 до 0,5 масс.% происходит повышение ударной вязкости в1,5-3 раза и прочности в 1,5-2 раза. В своих работах авторы [20] приводятзначения толщины граничного слоя ~ 200-300 нм в системе сшитогополидициклопентадиена и многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ).Показано, что с увеличение концентрации МУНТ происходит повышениефизико-механических характеристик ПКМ, в особенности, относительноеудлинение и ударная вязкость.В работе [21] исследовали влияние фуллероидных углеродныхнаночастиц (фуллерены С60 и астралены) на свойства ПКМ. Показано, чтоввденение наночастиц оказывает существенное влияние иизменяетморфологию эпоксидной матрицы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
