Полимерматричные композиционные материалы на основе эпоксидной матрицы, наполненной дисперсным базальтом

УДК 678.7

Ю.А. Кадыкова, С.В. Улегин, Э.Г. Фархутдинова, В.А. Сотник ПОЛИМЕРМАТРИЧНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНОЙ МАТРИЦЫ, НАПОЛНЕННОЙ ДИСПЕРСНЫМ БАЗАЛЬТОМ

Изучены возможность и эффективность применения дисперсного базальта в качестве наполнителя для эпоксидного компаунда. Установлено повышение физико-химических и механических свойств композиций, наполненных базальтом, что позволяет расширить области применения данного наполнителя для создания полимерматричных композиционных материалов широкого спектра использования.

Эпоксидная смола, отвердитель, базальт, наполнение, физико-химические и механические свойства

Yu.A. Kadykova, S.V. Ulegin, E.G. Farhutdinova, V.A. Sotnik POLYMERMATRIX COMPOSITE MATERIALS BASED ON EPOXY MATRIX OF FILLING DISPERSIVE BASALTS

The article provides a study of the feasibility and effectiveness of particulate basalt as a filler for epoxy resin. The increase of physical, chemical and mechanical properties of the compositions, filled with basalt was diagnosed, which allows to extend the application area of the filler to create polymetmatrix composite materials having a wide range of application.

Epoxy resin, hardener, basalt, content, physical, chemical and mechanical properties

Эпоксидные олигомеры и полимеры являются одним из лучших видов связующих для большого числа наполнителей. Достоинствами эпоксидных связующих являются: хорошая адгезия к большинству наполнителей, отсутствие выделения летучих побочных продуктов при отверждении, пониженная усадка по сравнению с фенольными и полиэфирными материалами, высокая химическая стойкость, хорошие электроизоляционные показатели. Эпоксидные олигомеры и полимеры применяются в различных областях техники благодаря удачному сочетанию несложной технологии переработки с высокими физико-механическими показателями, теплостойкостью, адгезией к различным материалам, стойкостью к различным средам, а также способностью отверждаться при атмосферном давлении с малой усадкой. Так, они широко используются для герметизации и капсулирования различных деталей в целях защиты от действия окружающей среды. В электротехнике эпоксидные олигомеры используют для заливки обмоток трансформаторов и двигателей, для герметизации стыков электрических кабелей и т.п. [1].

В настоящее время современные экономические условия требуют получения композитов не только с высоким комплексом характеристик, но и доступных, с достаточно низкой стоимостью. Поэтому большие потенциальные возможности улучшения характеристик композиционных материалов заложены в использовании недорогих и эффективных наполнителей, в число которых, безусловно, входит базальт - наиболее распространенная излившаяся вулканическая порода на поверхности нашей планеты. В РФ известно более 200 месторождений базальтовых пород, из них более 50 месторождений эксплуатируются. Базальты распространены повсеместно: Камчатка, Сибирь, Урал, Карелия. Например, запасы только двух разведанных и изученных месторождений базальтов на территории Плесецкого и Онежского районов Архангельской области составляют более 600 млн. м3 (около 2 млрд т). Базальты добывают в карьерах открытым способом. Спектр его применения в строительстве очень широк. Базальт используется в виде блоков-плит для мощения, облицовки, в качестве строительного камня, в виде щебня, брусчатки, в качестве наполнителя бетона. Базальты часто используют как сырьё для каменного литья. Из него производят базальтовое волокно, из которого получается прекрасный тепло- и звукоизоляционный материал (каменная или базальтовая вата).

В ранних работах [2] был исследован состав эпоксидного связующего и определено оптимальное соотношение компонентов: 70 масс. ч. эпоксидной смолы ЭД-20 15 масс. ч. полиэтиленпо-лиамина (ПЭПА) (в качестве отвердителя) и 30 масс. ч. трихлорэтилфосфата (ТХЭФ) (в качестве пластификатора). Подготовка базальта заключалась в его измельчении на шаровой мельнице в течение

3 часов и фракционировании до размера < 140 мкм. Следует отметить, что в эпоксидных композициях измельченный базальт ведет себя как активный наполнитель, повышающий свойства, причем это проявляется как в повышении механических свойств - возрастают твердость по Бринеллю, устойчивость к статическому и динамическому изгибу (удару) при наполнении эпоксидного компаунда 50 масс. ч. базальта, так и физико-химических - кислородный индекс также повышается и снижаются потери массы при поджигании на воздухе (табл. 1).

Таблица 1

Влияние отвердителя на свойства базальтонаполненных эпоксидных композиций состава: 70 масс. ч. ЭД-20 + 30 масс. ч ТХЭФ

Количество базальта, масс. ч. Ударная вязкость, 2 кДж/м Твердость по Бринеллю, МПа Разрушающее напряжение при изгибе, МПа Потери массы при поджигании на воздухе, % (масс.) Кислородный индекс, %

Отвержденные 15 масс. ч. ПЭПА

- 34 130 45 20 26

1 38 141 50 19 28

50 76 261 122 0,7 37

Отвержденные 40 масс. ч. П0-300

- 34 не определяется 4* 23 27

1 52 не определяется 6* 20 29

50 64 152 10* 1,4 31

Примечание: * - образцы испытаны с надрезом

Эластические свойства эпоксидных матриц можно повысить заменой отвердителя. Применение полиамидного отвердителя марки П0-300 обеспечивает получение композиций с повышенной эластичностью, большей жизнеспособностью, сравнительно малой усадкой, коррозионной стойкостью и повышенной ударной прочностью, а также не менее важным является и то, что низкомолекулярные полиамиды менее токсичны, чем другие отвердители (например, амины) [3]. У отвержденных П0-300 эпоксидных составов возрастает устойчивость к ударным нагрузкам при практически одной и той же степени отверждения в сравнении с композитом отвержденным ПЭПА (табл. 1).

При изучении термостабильности образцов термогравиметрическим анализом отмечены: увеличение коксовых остатков, снижение скоростей пиролиза, существенное уменьшение (более чем в 2 раза) потерь массы вплоть до 6000С/г. Выявленное влияние дисперсного базальта на пиролиз эпоксидной смолы проявляется и в поведении материала при горении на воздухе. Образцы, содержащие 50 масс. ч. базальта не поддерживают горения на воздухе и потери массы составляют 0,7%. С увеличением степени наполнения эпоксидной композиции возрастают кислородный индекс и выход кар-бонизованного остатка (табл. 2).

Таблица 2

Показатели пиролиза и горючести эпоксидных композиций, отвержденных ПЭПА

Состав, масс. ч. на 70 масс. ч. ЭД-20 Температура начала деструкции, Тн, °С Выход карбонизованного остатка по завершении основной стадии пиролиза, % (масс.) Потери массы при поджигании на воздухе, Ат, % (масс.) Кислородный индекс, %

ЭД-20+15ПЭПА 200 48 (390°С) 95 19

ЭД-20+30ТХЭФ+ 15ПЭПА 210 26 (533°С) 20 26

ЭД-20+30ТХЭФ+ 15ПЭПА+ 1 базальта 210 29 (600°С) 19 28

ЭД-20+30ТХЭФ+ 15пЭПА+30базальта 210 57 (630°С) 1,4 30

ЭД-20+30ТХЭФ+ 15пЭПА+50базальта 210 62 (644°С) 0,7 37

Применение базальта в качестве наполнителя эпоксидных композиций не ухудшает диэлектрические свойства материала (табл. 3).

Таблица 3

Электрические свойства

Состав материала, масс. ч. Pv, Омм

100ЭД-20+15ПЭПА 4,14-101и

70ЭД-20+15ПЭПА+ 30ТХЭФ 1,86-101и

70ЭД-20+15ПЭПА+ 30ТХЭФ+1 базальта 3,391010

70ЭД-20+15ПЭПА+ 30ТХЭФ+30базальта 4,15-10|и

70ЭД-20+15ПЭПА+ 30ТХЭФ+50базальта 4,65-101и

Таким образом, доказаны эффективность и целесообразность использования для наполнения эпоксидной смолы измельченного базальта, не перерабатывая его в волокна. Установлено повышение физикохимических и механических свойств композиций, наполненных базальтом, что позволяет расширить области применения базальта для создания ПКМ широкого спектра использования. Выявлено влияние базальта на показатели горючести ПКМ на основе эпоксидной смолы: повышается кислородный индекс, снижается время самостоятельного горения, уменьшаются потери массы при поджигании на воздухе.

Применение полиамидного отвердителя марки П0-300 обеспечивает получение композиций с повышенной эластичностью, большей жизнеспособностью, сравнительно малой усадкой, коррозионной стойкостью и повышенной ударной прочностью. У отвержденных ПО-300 эпоксидных составов возрастает устойчивость к ударным нагрузкам при практически одной и той же степени отверждения в сравнении с композитом, отвержденным ПЭПА.

ЛИТЕРАТУРА

1. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технологии: учеб. пособие / М.Л. Кербер, В.М. Виноградов, Г.С. Головкин и др. СПб.: Профессия, 2008. 560 с.

2. Исследование влияния состава эпоксидной композиции на кинетику процесса отверждения / Е.В. Плакунова и [др.] // Пластические массы. 2009. № 1. С. 9-11.

3. Мостовой А. С. Модифицированные эпоксидные смолы как перспективные связующие полимерных композиционных материалов / А.С. Мостовой, Е.В. Плакунова , Л.Г. Панова // Известия вузов. Технология легкой промышленности. 2011. № 2. С. 34-37.

Кадыкова Юлия Александровна -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Химическая технология» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Улегин Сергей Валерьевич -

аспирант кафедры «Химическая технология» Энгельсского технологического института

Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Фархутдинова Эльвира Г алинуровна -

магистрант технологического факультета Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Сотник Виктория Алексеевна -

студент технологического факультета Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Julia A. Kadykova -

Ph.D., Associate Professor

Department of Chemical Technology

Engel Institute of Technology

Part of Gagarin Saratov State Technical University

Sergey V. Ulegin -

Postgraduate

Department of Chemical Technology

Engels Institute of Technology

Part of Gagarin Saratov State Technical University

Elvira G. Farkhutdinova -

Postgraduate

Department of Technology

Engels Institute of Technology

Part of Gagarin Saratov State Technical University

Victoria A. Sotnik -

Undegraduate

Department of Technology

Engels Institute of Technology

Part of Gagarin Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 11.08.12, принята к опубликованию 06.11.12