Изучение влияния модифицированных ПАН-волокон на процесс отверждения эпоксидного связующего

ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 678.5.046

Н.Г. Зубова, Т.П. Устинова

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПАН-ВОЛОКОН

НА ПРОЦЕСС ОТВЕРЖДЕНИЯ ЭПОКСИДНОГО СВЯЗУЮЩЕГО

Для получения эпоксидных композитов с повышенными эксплуатационными свойствами предложено использование модифицированного органосиланами технического ПАН-жгутика. Изучено влияние аппретированного ПАН-ТЖ на кинетику отверждения эпоксидного связующего. Показано ускоряющее действие модифицированного волокнистого наполнителя на формирование полимерной матрицы.

По данным ИКС высказано предположение о химическом взаимодействии ПАН-ТЖ с исследуемыми аппретами.

Эпоксидные композиты, модифицированные волокнистые армирующие системы, кинетика отверждения, структурные особенности, эксплуатационные характеристики

N.G. Zubova, T.P. Ustinova

THE IMPACT OF THE MODIFIED PAN-FIBERS ON THE EPOXY BINDER SETTING PROCESS

To obtain the epoxy composites with enhanced performance characteristics it is proposed to use a modified organosilanes technical PAN-fibers. The effect of dressing PAN-fibers on the kinetics of curing epoxy binder has been analysed. The accelerating effect of the modified fiber filler to form a polymer matrix is displayed. Based on the IRS data it is assumed that PAN-fibers and the test dressing undergo chemical interaction. .

Epoxy-composites, the modified fibrous reinforcing systems, the kinetics of curing, structural features, operational characteristics

При создании полимерных композиционных материалов (ПКМ) важную роль играют армирующие системы. Взаимодействие волокон с матрицей должно обеспечивать высокую реализацию механических свойств волокон в армированном материале и его монолитность [1]. Повышение физико-химической совместимости компонентов, определяющей полноту контакта, природу, количество и прочность физических и химических связей, возникающих при взаимодействии матрицы с поверхностью волокна [2-3], может быть достигнуто путем модификации волокнистого наполнителя, усиливающей их каталитическое влияние на процесс отверждения связующего.

Целью работы являлось изучение влияния модифицированных полиакрилонитрильных волокон на процесс отверждения эпоксидной смолы.

Объектом исследования служил композиционный материал на основе эпоксидной смолы (ЭД-20) - ГОСТ 10587-93, отвержденной полиэтиленполиамином (ПЭПА) - ТУ 6-02-594-85, модифицированного полиакрилонитрильного технического жгутика (ПАН-ТЖ) - ТУ 6-06-С253-87. В качестве модификаторов использовали органосиланольные аппреты:

• 3-аминопропилтриэтоксисилан (АГМ-9);

• 3-глицидоксипропилтриметоксисилан (Silquest А-187);

• 3-метакрилоксипропилтриметоксисилан (Silquest А-174).

Для оценки влияния аппретированных полиакрилонитрильных волокон на процесс отверждения эпоксидной смолы были изучены кинетические особенности отверждения эпоксидного связующего в присутствии модифицированных волокнистых систем (рис. 1, табл. 1).

Рис. 1. Кинетические кривые отверждения: 1 -ненаполненная смола ЭД-20; 2- ЭД-20+ПАН-ТЖ; 3-ЭД-20+ПАН-ТЖ+АГМ-9; 4-ЭД-20+ПАН-ТЖ+А-187; 5-ЭД-20+ПАН-ТЖ+А-174

Кинетика отверждения эпоксидных композитов

Таблица 1

Состав материала Время гелеоб-разования, мин Время отверждения, мин Максимальная температура отверждения, °С Степень отверждения, %

ЭД-20 60 71 119 93

ЭД-20+ПАН-ТЖ 30 40 62 98

ЭД-20+ПАН-ТЖ+АГМ-9 35 45 63 97

ЭД-20+ПАН-ТЖ+А-187 15 26 102 98

ЭД-20+ПАН-ТЖ+А-174 15 23 94 98

Из приведенных данных видно, что введение ПАН-ТЖ в эпоксидное связуюущее (кривая 2) в значительной степени меняет характер процесса отверждения эпоксидного связующего (кривая 1): время гелеообразования сокращается в 2 раза, время отверждения - в 1,8 раза, максимальная температура отверждения снижается на 57°С, с одновременным повышением степени отверждения до 98%. Аппретирование ПАН-ТЖ АГМ-9 (кривая 3) практически не изменяет характер отверждения эпоксидной матрицы, содержащей волокнистый наполнитель (кривая 2). В большей степени ускоряющее влияние на процесс отверждения эпоксидного связующего оказывает аппретирование ПАН-ТЖ орга-носиланами А-187 (кривая 4) и А-174 (кривая 5). Полученные данные по влиянию модифицированного ПАН-ТЖ на процесс формирования структуры отвержденной эпоксидной матрицы в полной мере согласуются с данными по активному влиянию армирующих химических волокон в условиях отверждения термореактивных связующих [1].

Для установления механизма влияния модифицированного ПАН-ТЖ в эпоксидном композите были изучены ИК-спектры аппретированных армирующих систем (рис. 2) с использованием литературных данных [4, 5].

Как следует из рис. 2, проведение обработки ПАН-ТЖ аппретирующими составами с последующей двухступенчатой термообработкой (1 ступень - 50°С в течение 24 ч, 2 ступень - 100°С в течение 15-20 мин) создает условия для их химического взаимодействия с волокнистым наполнителем, о чем свидетельствует снижение интенсивности пика в области 2240 см-1, соответствующего колебаниям группы СК (кривые 2-4).

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1 000 500 0

Вопнсеое ЧИ010, см-1

Рис. 2. ИК-спектры: 1-ПАН-ТЖ; 2-ПАН-ТЖ+АГМ-9; 3-ПАН-ТЖ+А-187; 4-ПАН-ТЖ+А-174

Очевидно, химическая модификация волокнистого наполнителя органосиланольными аппретами обеспечивает повышение активности поверхности ПАН-ТЖ за счет введения новых функциональных групп, что и проявляется в ускоряющем действии модифицированных армирующих систем на процесс формирования эпоксидной матрицы.

Таким образом, предложенная модификация ПАН-ТЖ исследуемыми аппретирующими композициями, содержащими АГМ-9, 81Цие$1 А-187 и 81Цие$1 А-174, повышает физико-химическую совместимость в системе полимерное связующее - волокнистый наполнитель, что обеспечивает повышение эксплуатационных свойств композиционного материала (табл. 2).

Таблица 2

Сравнительная оценка эксплуатационных свойств разработанных ПКМ на основе модифицированных ПАН-прекурсоров

Состав композита Разрушающее напряжение при растяжении, МПа Разрушающее напряжение при сжатии, МПа Твердость по Бринеллю, МПа Теплостойкость по Вика, °С

ЭД-20 ненаполненная 20 55 50 86

ЭД-20+ПАН-ТЖ 80 65 118 201

ЭД-20+ПАН-ТЖ+АГМ-9 87 85 185 220

ЭД-20+ПАН-ТЖ+А187 58 80 141 220

ЭД-20+ПАН-ТЖ+А174 81 80 121 213

ЛИТЕРАТУРА

1. Артеменко С.Е. Композиционные материалы, армированные химическими волокнами: учебник / С.Е. Артеменко. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1989. 160 с.

2. Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполнения полимеров: учебник / Ю.С. Липатов. М.: Химия, 1991. 267 с.

3. Берлин А.А. Принципы создания полимерных композиционных материалов: учебник / А. А. Берлин [и др.]. М.: Химия, 1990. 240 с.

4. Тарутина Л.И. Спектральный анализ полимеров: учеб. / Л.И. Тарутина, Ф.О. Позднякова. Л.: Химия, 1986. 248 с.

5. Инфракрасная спектроскопия полимеров / под ред. И. Деханта. М.: Химия, 1976. 472 с.

Зубова Наталья Геннадьевна - Natalia G. Zubova -

аспирантка кафедры «Химическая Postgraduate,

технология» Энгельсского технологического Department of Chemical Technologies

института (филиала) Саратовского Engels Institute of Technology - Branch of

государственного технического университета Yu. Gagarin Saratov State Technical University

имени Гагарина Ю.А.

Устинова Татьяна Петровна -

доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой «Химическая технология» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Tatiana P. Ustinova -

Dr. Sc., Professor,

Head: Department of Chemical Technologies Engels Institute of Technology -Branch of

Yu. Gagarin Saratov State Technical University

в редакцию 24.10.11, принята к опубликованию 15.11.11

Статья поступила