Результат интеллектуальной деятельности: Эпоксидная композиция

Изобретение относится к полимерным композициям на основе эпоксиангидридной смеси, которые могут быть использованы в различных отраслях машиностроения, строительства, а также в производстве стеклопластика.

Среди материалов, обеспечивающих повышение износостойкости, все более заметную роль играют полимеры и композиционные материалы на их основе, в частности эпоксидные композиты, которые отличаются высокими физико-механическими и адгезионными свойствами. Наиболее существенную роль в придании композитам механических заданных свойств играет наполнитель; свойства дисперсно-упрочненного композита во многом определяются природой и дисперсностью наполнителя; для создания абразивостойкой композиции в большинстве случаев в качестве наполнителя используются оксиды металлов и кремния.

Известна эпоксидная композиция, включающая эпоксидную диановую смолу, отвердитель изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид, 2,4,6-трис-(диметиламинометил)фенол и модификатор эпоксиуретановую смолу [RU 2345106 С1, 27.01.2009].

Недостатком композиции является недостаточная стойкость к абразивному износу (снижению истираемости).

Известна эпоксидная композиция, включающая эпоксидную диановую смолу, изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид, триэтаноламин, оксид алюминия и дополнительно эпоксидную алифатическую смолу [SU 1541227 А1, 07.02.1990].

Недостатком композиции является невысокая прочность, так как размер частиц оксида алюминия находится в пределах десятков мкм, и это приводит к образованию дефективных участков из-за того, что частицы не могут свободно располагаться в межструктурных пространствах полимера.

В работе [Ненашев М.И. и др. Триботехнические свойства нанокомпозитов на основе эпоксидной смолы // Известия Самарского научного центра РАН. 2011. Т. 13. №4 (3). С. 839-841] исследовано влияние порошков слюды, корунда, резины, дисульфида вольфрама, фторопласта и ультрадисперсного алмаза на изнашивание эпоксидных композиционных материалов. Результаты исследований показали, что наименьшим износом обладает эпоксидный композиционный материал, наполненный порошком резины, фторопласта и корунда.

Недостатком работы является отсутствие детальных исследований ультрадисперсного порошка оксида алюминия, которые, в свою очередь, ограничивают сферу применения в различных отраслях машиностроения из-за высокой склонности к разрушению.

Наиболее близкой к заявленной композиции является эпоксидная композиция [RU 2160291 С1, 10.12.2000], включающая эпоксиангидридную смесь и ультрадисперсный порошок оксида алюминия.

Составы на основе известного связующего могут быть использованы в качестве связующего для производства стеклопластиковых материалов, но не могут быть использованы для получения изделий с высокими трибологическими свойствами, так как ультрадисперсные порошки с диаметром частиц 20-30 нм распределяются в межструктурных пространствах полимера при малом добавлении такого порошка, что не достаточно для абразивостойкости.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание эпоксидной композиции с повышенными трибологическими и механическими свойствами, а также повышение качественных характеристик изделий из композиции и расширение сферы применения композита за счет однородности структуры.

Технический результат достигается тем, что эпоксидная композиция, содержащая эпоксиангидридную смесь и частицы оксида алюминия, отличается от аналога тем, что композиция наполнена наночастицами оксида алюминия с размерами 5-20 нм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

при этом композицию предварительно обрабатывают ультразвуком при частоте 22 кГц в течение времени, обеспечивающего равномерное распределение наночастиц в объеме композиции.

Эпоксиангидридная смесь содержит эпоксидную диановую смолу ЭД-20, ангидридный отвердитель - изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид (изо-МТГФА), пластификатор ЭДОС, ускоритель УП-606/2 при соотношении эпоксидная диановая смола ЭД-20:изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид (изо-МТГФА):пластификатор ЭДОС:ускоритель УП-606/2 - 100:80:5:1,5 соответственно.

Наночастицы обладают высокой поверхностной энергией, что приводит к высокой степени их агломерации. Существует проблема равномерного распределения наночастиц в объеме композиций. Заявленное изобретение решает эту проблему. Обработка ультразвуком наполненной наночастицами оксида алюминия эпоксиангидридной смеси при определенных условиях обеспечивает равномерное распределение частиц в объеме композиции.

Применение наночастиц оксида алюминия для создания композитов на основе эпоксиангидридной смеси дает ряд преимуществ: нанокомпозиты имеют однородную структуру; нанопорошок оксида алюминия проявляет «нехарактерные» свойства для составляющих их материалов, т.к. наночастицы оксида алюминия обладают специфическим набором кислотно-основных свойств (точка нулевого заряда, константы поверхностного комплексообразования (рК_а), формирующие заряд и потенциал поверхности), обусловливающей их физико-химическую активность, что обеспечивает расширение сферы применения заявленной композиции.

Точка нулевого заряда для оксида алюминия рН=8.2 лежит в щелочной области, т.е. на поверхности преобладают центры, являющиеся донорами электронов: Al-O^- (кислоты Льюиса). Известно, что кислоты Льюиса вызывают процессы гомополимеризации эпоксидного олигомера, увеличивая тем самым жесткость граничного слоя в композите.

Выполнение композиции согласно изобретению позволило повысить трибологические, механические свойства и качественные показатели композита за счет однородности структуры.

Способ осуществлялся следующим образом.

Эпоксидную композицию берут при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Наночастицы оксида алюминия имеют размеры 5-20 нм [Сафронов А.П. и др. Самостабилизация водных суспензий наночастиц оксида алюминия, полученных электровзрывным методом // Журнал физической химии. 2011. Т. 84. №12. С. 2319-2324].

Наполненную композицию для обеспечения равномерного распределения частиц в объеме эпоксиангидридной смеси и повышения качества обрабатывали ультразвуком. Распределение наночастиц оксида алюминия в полимерной матрице проводили с помощью ультразвукового генератора IL - 10-0.1 с частотой 22 кГц, с мощностью 1000 Вт.

Свойства полученных композиционных материалов исследовали и характеризовали с помощью стандартных методик. Разрушающее напряжение при растяжении и изгибе определяли соответственно по ГОСТу 11262-80 и 4648-71 с помощью испытательной машины ИР 5057-50. Истираемость определяли по ГОСТу 11012-69.

Температура стеклования была определена по данным дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Свойства композита, полученного из наполненной эпоксиангидридной смеси с добавкой наночастиц оксида алюминия приведены в таблице 1.

Примеры осуществления.

Пример 1.

Предварительно готовят эпоксиангидридную смесь. Берут:

- эпоксидная диановая смола (ЭД-20) - 100 мас.ч.;

- изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид (изо-МТГФА) -80 мас.ч.;

- пластификатор (ЭДОС) -5 мас.ч.;

- ускоритель (УП-606/2) - 1,5 мас.ч.

Компоненты перемешивают механической мешалкой в течение 30 мин.

Полученную смесь наполняют наночастицами оксида алюминия с размерами 5-20 нм. Берут 99.5 мас.% приготовленной эпоксиангидридной смеси и добавляют 0,5 мас.% наночастиц оксида алюминия и эту смесь подвергают ультразвуковому воздействию с помощью ультразвукового генератора IL при частоте 22 кГц в течение 15 мин. После чего эту смесь заливают в металлические формы и отверждают по ступенчатому режиму: 100°C - 1 ч, 160°C - 3 ч, 100°C - 1 ч. Свойства и характеристики полученной композиции приведены в табл. 1.

Примеры 2-9 осуществляют аналогично примеру 1, свойства и характеристики полученных композиций указаны в таблице 1.

Проведенные исследования показали, что модификация стандартной эпоксиангидридной смеси на основе ЭД-20 и изо-МТГФА наноструктурированным оксидом алюминия позволяет значительно повысить однородность структуры, модуль упругости (на 14%) и износостойкость (в 2 раза) полученного материала по сравнению с аналогом [Ненашев М.И. и др. Триботехнические свойства нанокомпозитов на основе эпоксидной смолы // Известия Самарского научного центра РАН. 2011. Т. 13. №4 (3). С. 839-841]. Содержание наночастиц оксида алюминия в смеси зависит от требуемых потребительских и/или эксплуатационных свойств конечных изделий и составляет от 0.5-30%. Дальнейшее повышение количества наночастиц в смеси не приводит к улучшению свойств изделий (композита).

Применение ультразвукового воздействия на любые наполненные смеси на основе эпоксидиановых олигомеров обеспечивает равномерное распределение наночастиц оксида алюминия в объеме композиции.

Таким образом, использование заявляемого изобретения позволит повысить качество изделий за счет улучшенных трибологических, механических свойств и характеристик эпоксидной композиции, которые могут быть использованы в машиностроении, строительстве.