Хімія і хімічні технології/1

к.т.н. Голотенко С.М.¹, к.т.н. Гарматюк Р.Т.², к.т.н. Замора Я.П.¹

¹Тернопільський національний педагогічний університет

імені Володимира Гнатюка

²Кременецький обласний гуманітарно-педагогічний інститут

ім. Тараса Шевченка

ФІЗИКО- МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ЗАХИСНИХ ЕПОКСИКОМПОЗИТНИХ ПОКРИТТІВ

Вступ. Одними із основних характеристик захисних полімеркомпозитних покриттів є фізико-механічні та експлуатаційні властивості, які характеризуються структурою та їх складом. Поєднуючи індивідуальні властивості компонентів, захисні покриття можуть володіти комплексом властивостей, яких не має жоден з окремо взятих компонентів [1]. Особливість формування та ефективність використання захисних полімеркомпозитних покриттів на основі епоксидних смол у різних галузях промисловості полягає у тому, що необхідний такий підбір дисперсних наповнювачів та режимів обробки, який би задовільняв їх умовам експлуатації. У роботі показано, що одним із способів отримання захисних покриттів із заданими фізико-механічними властивостями є їх обробка зовнішніми фізичними полями.

Дослідження фізико-механічних властивостей полімеркомпозитних захисних покриттів є складне завдання, внаслідок багатофакторності такого процесу (абразивне зношування, зовнішнє середовище, температура експлуатації, вібрація, ерозія) [2]. Тому з метою забезпечення високих механічних властивостей необхідний раціональний підбір складу і структури композитних покриттів.

Різноманітність методів регулювання структури полімеркомпозиційних покриттів дозволяє покращити їх характеристики за рахунок введення у матрицю зародків структуроутворення, обробки композицій зовнішніми фізичними полями. Обробка зовнішніми фізичними полями у прцесі формування покриттів підвищує їх характеристики за рахунок регулювання параметрів надмолекулярної структури полімеру і орієнтованого розподілу частинок наповнювача на межі розподілу основа – покриття [3].

У роботі досліджено вплив ультразвукової і електромагнітної обробки на процес структуроутворення та фізико-механічні властивості захисних покриттів на основі епоксидних смол. Крім того, досліджено комплексний вплив зовнішніх фізичних полів на їх властивості. З метою дослідження впливу зовнішніх фізичних полів обробці піддавались, як окремі компоненти, так і композиція в цілому.

Мета роботи. Дослідити вплив природи наповнювача і дії зовнішніх фізичних полів на процес структуроутворення та фізико-механічні властивості зохисних полімеркомпозитних покриттів на основі епоксидних смол та дисперсних наповнювачів.

Матеріали та методика досліджень. При формуванні полімерної матриці за основу вибрали низькомолекулярні (епіхлоргідринові) епоксиднодіанові смоли ЕД-16 і ЕД-20 (ГОСТ 10678-76, 10584-84) із вмістом епоксидних груп (%) 16,0…18,0; 19…22,0 і молекулярною масою 480-640, 390-430 відповідно, що володіють високими адгезійними, теплофізичними, міцнісними властивостями, а також можливістю твердіння при різних температурах в залежності від типу твердника. В якості пластифікатора використовували поліефір марки ПЕ-220 а твердника - поліетиленполіамін (ПЕПА). При використанні дисперсних наповнювачів враховували природу, їх фізико-механічні властивості та собівартість. У роботі досліджували вплив феромагнітної (металовуглецева композиція - МВК) природи на фізико-механічні властивості захисних покриттів. Концентрацію наповнювача змінювали в межах від 10 до 100 мас.ч.

Вплив ультразвукових коливаннь на властивості наповнених композицій досліджували на ультразвуковій установці при частоті коливань 22 кГц, амплітуді коливань – 10-40 мкм і часі обробки – до 5 хвилин.

При дослідженні впливу високочастотного електромагнітного поля на властивості епоксидних матеріалів проводили обробку полімерних композицій змінним магнітним полем на розробленій устаноці. Напруженість магнітного поля пропорційна силі струму в обмотках соленоїду і становила 100 А/м. Частоту змінного магнітного поля регулювали за допомогою паралельно з^”єднаних конденсаторів у межах 5...100 МГц. Час оброки композиції до 5 хвилин.

Критерієм оцінки впливу зовнішніх фізичних полів на фізико-механічні властивості полімеркомпозитних матеріалів вибрано адгезійну міцність, руйнівне напруження при згині, ударну в’язкість та внутрішні напруження.

Обговорення результатів досліджень.

При дослідженні впливу ультразвукової обробки на процеси полімеризації, стуктуроутворення і фізико-механічні властивості композитів на основі епоксидних смол з метою підвищення адгезійно-міцнісних властивостей захисних покриттів встановлено, що збільшення амплітуди коливань концентратора з 10 до 20 мкм скорочує час обробки композицій ультразвуком з 5 до 2 хвилин ( рис.1 ).

Для досягнення оптимальних адгезійно-міцнісних властивостей покриттів із збільшенням амплітуди коливань концентратора необхідно скорочувати час дії ультразвуку.

Встановлено, що найбільшу адгезійну міцність мають епоксидні композиції оброблені при амплітуді коливань концентратора 15...20 мкм протягом 2 хвилин. Так, як вплив амплітуди коливань і часу обробки на адгезійі властивості мають екстремальний характер, то збільшення часу обробки призводить до зменшення адгезійно-міцнісних властивостей, що пояснюється частковим зшиванням в’яжучого у процесі обробки, що у свою чергу викликає підвищення в’язкості композиції і зниження змочуваності субстрату.

Результати досліджень свідчать, що УЗ обробка сприяє покращенню фізико-механічних властивостей полімеркомпозиту. Як свідчать результати (рис. 2) адгезійна міцністть при розтягу і зсуві збільшується на на 25 і 30% відповіднно, ударна в’язкість на 50%. Підвищення зазначених показників пояснюється покращенням когезійних характеристик зшитих композицій.

Рис.1. Залежність адгезійної міцності епоксидної композиції від амплітуди коливань і тривалості ультразвукової обробки ( f = 22 кГц ).

Дані досліджень свідчать про наявність реакційноздатних груп епоксидного олігомеру і твердника у полімерній композиції. Їх наявність зумовлена неровномірністю розподілу молекул твердника у полімеризованій композиції, а також утворенням гетерогенної фази при формуванні просторової сітки за рахунок нерівномірного розподілу молекул твердника через високу в’язкість олігомеру. Ультразвукова обробка композицій сприяє інтенсивному суміщенню компонентів, рівномірному розподілу в об’ємі, підвищенню швидкості і повноти процесу зшивання.

Встановлено, що в результаті ультразвукової обробки час полімеризації і температура термообробки скорочуються на 20 і 30% у порівнянні з необробленими композиціями при інших рівних умовах. Також встановлено, що при ультразвуковій обробці відбувається дегазація композиції, що сприяє покращенню якості матеріалу покриття, особливо при використанні високонаповнених систем із великим вмістом газових включень. Використання вакуумної дегазації є недоцільним, тому, що композиції, полімеризовані поліетиленполіаміном, мають невелику життєздатність, а час обробки збільшується в 2 рази у порівнянні з ультразвуковою обробкою.

Рис. 2. Залежність руйнівних напружень при відриві (1) і зсуві (2), ударної

в’язкості (3) і теплостійкості (4) від тривалості ультразвукової
обробки.

Результати досліджень свідчать ( рис. 3 ), що міцність при розтягу і ударна в’язкість, композицій оброблених ультразвуком, в середньому на 10% вищі ніж аналогічні композиції, одержані механічним змішуванням.

Підвищення механічних властивостей пяснюється: по-перше, здатністю поверхні наповнювача сорбувати низькомолекулярні речовини; по- друге, механо-хімічними процесами, які проходять під дією ультразвуку, а також збільшенням площі поверхні наповнювача, яка контактує з епоксидним в’яжучим.

Регулювання процесу структуроутворення полімеркомпозитних покриттів також можливе за рахунок введення у полімерну матрицю пара- і феромагнітних наповнювачів при дії високочастотного електромагнітного поля ( ВЧЕМП ), що зумовлює орієнтацію частинок на поверхні субстрату і при оптимальих умовах відіграє роль диспергатора при формуванні орієнтованої просторової сітки наповнювача у полімері.

При елетромагнітній обробці покриттів протягом 2...3 хвилин адгезійна міцність збільшується на 4...8 МПа, що узгоджується з роботами Беркгаузена, Ребіндера, Вейса.

Відомо, що частинки феро-магнітних наповнювачів дисперсністю 2...10 мкм, внаслідок впливу зовнішнього намагнічуючого поля, формують енергетично

Рис.3 Вплив ультразвукової обробки на адгезійну міцність (1,2) і ударну в’язкість (3,4) епоксидної композиції, що містить 80 мас.ч. МВК зернистістю 40 мкм:

1,3 – обробка ультразвуковим поле, 2,4 – механічне змішування

вигідний однодоменний стан і у такій структурі відсутні однодоменні шари. Внаслідок впливу зовнішнього ВЧЕМП підсилене магнітне поле наповнювача взаємодіє з магнітним полем доменів основи, що у свою чергу призводить до концентрації частинок в міждоменній зоні розсіювання.

Самоорганізація структуроутворення під дією надвисоких частот дозволяє знизити внутрішні напруженя захисних покриттів на 20...25 % за рахунок формування густої просторової сітки наповнювача, однорідної структури і більш повного протікання релаксаційних процесів.

Додаткове підвищення адгезійної міцності на 20% і зниження внутрішніх напружень на 30%, досягається в результаті комплексної обробки зовнішніми фізичними полями і зумовлено зміною структури епоксидного в’яжучого, інтенсивного диспергування компонентів, формуванням однорідної структури по товщині композиту, швидким прходженням фізико-механічних процесів на межі полімер-наповнювач, полімер-основа, наповнювач-основа.

Висновки. Отримані результати проведених досліджень свідчать, що одним із перспективних напрямків створення захисних полімеркомпозитних покриттів з оптимальними фізико – механічними властивостями є попередня їх обробка зовнішніми фізичними полями.

Ультразвукова обробка дозволяє підвищити адгезійну міцність при розтягу і зсуві на 25 і 30 % відповідно, ударну в”язкість на 50 % та знизити температуру термообробки на 20...30 %. У результаті проведених досліджень встановлно, що залежність адгезійної міцності композитів від частоти обробки електромагнітним полем носить екстремальний характер. Показано, що адгезійно-міцнісні характеристики захисних покриттів покращуються при обробці у змінному електромагнітному полі при частоті 40 МГц протягом 2...3 хвилин, при цьому адгезійна міцність збільшується на 4...8 МПа. Комплексна обробка зовнішніми фізичними полями дозволяє додатково підвищити адгезійні властивості на 15...20 %, знизити внутрішні напруження на 30% підвищити зносостійкість на 20 %, що пояснюється зміною структури та збільшенням енергії взаємодії феромагнітного наповнювача із стальною основою.

Література.

1. Терхунов А.Г., Черновол М.И., Типунов В.М. Комбинированные металлополимерные покрытия и материалы. – К.: Техника, 1983. – 168с.

2. Стухляк П.Д., Митник М.М., Орлов В.О. Вплив граничних прошарків на властивості полімерних композитних матеріалів (Огляд) // Фізико-хімічна механіка матеріалів.-2001.-№1.-С.69-75.

3. А.В.Букетов., Стухляк П.Д., Кальба Є.М. Фізико- хімічні процеси при формуванні епоксикомпозитних матеріалів. – Тернопіль, Збруч, 2005. – 184с.