Влияние начальной скорости формирования структуры на свойства полимерных композиционных материалов

В настоящее время актуальна проблема утилизации крупнотоннажных отходов промышленности, в том числе загрязняющих окружающую среду. Использование их в качестве наполнителей полимерных композиционных материалов (ПКМ), является одним из путей решения этой проблемы.

Совершенствование технологии производства и применения ПКМ имеет значительные резервы, связанные с решением проблем управления процессами структурообразования и получения ПКМ с заранее заданными свойствами. В этой связи важнейшее значение приобретают вопросы прогнозирования свойств ПКМ.

Анализ литературных источников /1,2/ показал, что существует зависимость между начальной скоростью формирования структуры и конечными свойствами композитов, но никто ранее не выделял это в отдельно исследуемый элемент.

Нами проверялась эта гипотеза, и мы предполагаем, что необходимо выделить зависимость между начальной скоростью формирования структуры и конечными свойствами композитов в отдельный элемент исследования.

Для проверки этого утверждения нами использовались карбамидные, эпоксидные, полиэфирные смолы и различные наполнители.

Исследования по изучению зависимости роста прочности полимерной матрицы от количества введенного отвердителя (рис.1) (при этом производились замеры потери массы образцов и набор прочности во времени), показали, что увеличение прочности полимерной матрицы или мастики в начальный период времени не зависит от количества отвердителя или отношения П/Н, а характеризуется различными потерями массы. Установлено, что время начала схватывания равно 12 минутам и не зависит от количества отвердителя. Однако при прочих равных условиях разное количество отвердителя оказывает влияние на дальнейшую скорость полимеризации карбамидных смол. При одинаковой потере массы, прочность составов с разным количеством отвердителя, имеющих различное время отверждения одинакова. В более поздние сроки отверждения эта зависимость нарушается. Это можно объяснить развитием внутренних напряжений, нарастание которых напрямую связанно с начальной скоростью формирования структуры. Чем выше начальная скорость формирования структуры ПКМ, тем быстрее происходит падение прочности. “Мягкий” режим отверждения (медленная потеря массы) дает более высокую прочность, и, наоборот, быстрая потеря массы, высокая скорость формирования структуры не позволяют достигнуть большой прочности. Это хорошо иллюстрируется графиком зависимости прочности и потери массы смолы в зависимости от количества отвердителя и времени отверждения (рис. 1). Из графика видно, что чем меньше количество отвердителя, тем меньше начальная скорость формирования структуры и тем выше конечная прочность образцов. Установлено, что оптимальное количество отвердителя составляет 3% от массы смолы.

Также известно, что процесс отверждения ПКМ сопровождается саморазогревом смеси. При формировании массивных ПКМ происходит выделение большого количества тепла, что приводит к интенсивному парообразованию, появлению эффекта термодеструкции.

Исследования саморазогрева смеси (рис. 2,3) показали, что наибольшая начальная скорость формирования структуры наблюдалась у ненаполненной матрицы. Это сопровождалось самой высокой температурой саморазогрева смеси, высокими потерями массы, быстрым набором прочности и дальнейшим саморазрушением образцов.

τ*10^-3

Рис. 2 Кинетика саморазогрева эпоксидных композитов, наполненных молотым кварцем: 1- ν = 0,02; 2- ν =0,083; 3- ν = 0,154;

4- ν = 0,214; 5- ν = 0,476.

τ *3600^-1

Рис.3 Влияние вида наполнителя на кинетику саморазогрева полиэфирных композитов(ν = 0,5): 1- негашеная известь; 2- песчаник; 3- известняк; 4- молотый кварц; 5- белый цемент; 6- фторид кальция.