Эпоксидный компаунд, наполненный модифицированными полисахаридами
Владельцы патента RU 2561085:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к эпоксидной композиции для получения высокопрочных, теплостойких материалов, которые могут быть использованы в различных отраслях промышленности.
Эпоксидная композиция горячего отверждения включает эпоксидный диановый олигомер марки ЭД-20 (100 мас.ч.), отвердитель ангидридного типа (80 мас.ч.), в качестве модифицирующей добавки она дополнительно содержит производные полисахаридов (1,0-10,0 мас.ч.). Изобретение позволяет повысить механическую прочность, модуль упругости и температуру стеклования изделий. 1 табл.
Изобретение относится к эпоксидной композиции для получения высокопрочных, теплостойких композиционных материалов.
Описывается полимерная композиция, содержащая эпоксидный диановый олигомер ЭД-20, отвердитель ангидридного типа, а также модифицирующие добавки.
В качестве модифицирующих добавок в эпоксиангидридном полимере использовали следующие производные полисахаридов: микрокристаллическую целлюлозу, микрокристаллическую целлюлозу с привитыми функциональными группами (карбоксиметильными, этильными, гидроксиэтильными, аминными, тиольными и тозилатными), а также полиацетальглиоксаля и эритрозы и полиацетальглиоксаля и эритрозы с привитыми аминогруппами различной природы.
Вышеуказанные производные полисахаридов с привитыми активными группами были получены в виде порошков, размер частиц которых составлял 20-100 мкм по методикам, описанным в работах [Торлопов М.А. Синтез производных целлюлозы, содержащих фосфатные, амино- и меркаптогруппы // Известия Коми научного центра. - 2011. - Вып.3, №7. - С.23-26; Удоратина Е.В. Продукты химической модификации вторичного целлюлозного сырья // Химическая технология. - 2011. - №3. - С.157-163; Varma A.J., Chavan V.B. Cellulosic diamines as reaction-incorporated fillers in epoxy composites // J. Cellulose. - 1994. - №1. - P.215-219; Удоратина Е.В. Модифицирование целлюлозосодержащих материалов этиленоксидом // Ежегодник Института химии Коми НЦ УрО РАН. - 2009. - С.50-52; Сюткин В.Н., Николаев А.Г., Сажин С.А., Попов В.М., Заморянский А.А. Азотсодержащие производные диальдегидцеллюлозы // Химия растительного сырья. - 1999. - №2. - С.91-102].
Предложенный эпоксиполимерный композиционный материал обладает повышенной механической прочностью и высокой температурой стеклования.
Изобретение относится к эпоксидной композиции ангидридного отверждения, широко используемой для получения высокопрочных, теплостойких полимерных композиционных материалов. Полученные полимерные композиционные материалы могут применяться в различных отраслях промышленности: автомобиле- и судостроении, строительстве, лакокрасочной промышленности, а также для изготовления различных изделий из композиционных материалов.
Исследования последних лет в области создания новых композиционных материалов направлены на усовершенствование систем отверждения, улучшение прочностных и адгезионных свойств композиционных материалов за счет химической модификации эпоксидных связующих. При этом рассматриваются широкие возможности регулирования свойств за счет рецептурно-технологических факторов, введения в композиции наполнителей, в том числе нанопорошков, пластификаторов, активных катализаторов и модификаторов. Особый интерес вызывают модификаторы на основе природных биополимеров и их производных, в том числе модифицированных целлюлоз и лигнинов. При использовании их в новых композиционных материалах важным является поиск правильного соотношения компонентов, которые сохраняли бы нужные свойства, имели оптимальную цену конечного продукта и способствовали разложению композита в окружающей среде. Немаловажной задачей также является разработка методов воздействия на синтетический полимер природным материалом для увеличения их реакционной способности, что в итоге способствует сохранению и повышению эксплуатационных характеристик новых высококачественных материалов. В связи с этим актуальность работы заключается в введении модифицированных природных полимеров в эпоксиполимерную матрицу с формированием химических связей между их молекулами для увеличения физико-механических и теплофизических свойств.
Известна эпоксидная композиция, содержащая эпоксидную смолу и лигнин пальмовых деревьев [Abdul Khalil H.P.S.; Marliana M.M.; Issam A.M.; Bakare I.O. Exploring isolated lignin material from oil palm biomass waste in green composites. Mater. And Des.2011. №5. с.2604-2610]. Композитный материал содержит эпоксидную смолу и 15%, 20%, 25% и 30% лигнина. Определены зависимости механических, термических и морфологических свойств композита. Лучшие результаты получены при количестве лигнина в композитном материале 25%. Недостатками композиции являются невысокая прочность на изгиб и очень низкая прочность на разрыв.
Известна эпоксидная композиция на основе эпоксидного олигомера ЭД-20, полиэтиленполиамина и отходов обмолота проса в качестве наполнителя [Панкеев В.В.; Никифоров Е.С.; Свешникова Е.С.; Панова Л.Г. Новые наполнители эпоксидных компаундов на основе модифицированных целлюлозосодержащих отходов. Пласт. массы. 2012. №5. С.50-52]. Разработанный композиционный материал является трудносгораемым и имеет высокие значения теплостойкости по Вика, но недостаточно высокую прочность на изгиб.
Известен эпоксидно-древесный композит на основе ЭД-20, полиэтиленполиамина и маточной смолы [RU 2288929 С1, 10.12.2006 г.]. В качестве наполнителей используются резиновая крошка и сосновые опилки. Композиция имеет хорошую водостойкость и адгезию к древесине, обладает экологической безопасностью и позволяет применять отходы производства. Недостатком данного композита является невысокая механическая прочность.
Известна также эпоксидно-древесная композиция [RU 2368633 С2, 27.09.2009 г.], содержащая в качестве наполнителя сосновые опилки и пенополистирольную крошку. Композиция обладает хорошими теплофизическими свойствами, но имеет низкую прочность на изгиб.
Известно связующее для композиционных материалов, содержащее диановую эпоксидную смолу, отвердитель аминного типа и лигнин, являющийся отходом производства при переработке древесины [RU 2092506 С2, 10.10.1997 г.]. Лигнин добавлялся в стеклопластик с целью снижения плотности материала судостроительного назначения. Однако полученный материал имеет невысокие физико-механические характеристики.
Известна эпоксидная композиция, наполненная модифицированным гидролизным лигнином и отвержденная полиэтиленполиамином, взятым в количестве 15 мас.ч. на 100 мас.ч. ЭД-20 [Алалыкин А.А., Веснин Р.Л., Козулин Д.А. Получение модифицированного гидролизного лигнина и его использование для наполнения и снижения горючести эпоксидных полимеров. Журнал прикладной химии. 2011. Т.84. Вып.9. С.1567-1574]. Гидролизный лигнин, модифицированный ортофосфорной кислотой и карбамидом, вводили в композицию для понижения плотности образцов, улучшения ряда физико-механических показателей, а также для снижения горючести эпоксидных композиций. Основным недостатком данного материала является невысокая прочность на изгиб (62 МПа при количестве наполнителя 20 мас.ч. на 100 мас.ч. ЭД-20).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является эпоксидный слоистый материал, армированный целлюлозными волокнами [Low I.M., McGrath M., Lawrence D., Schmidt P., Lane J., Latella B.A., Sim K.S. Mechanical and fracture properties of cellulose-fibre-reinforced epoxy laminates. Composites. A №3, 2007, т.38, стр.963-974]. Установлено, что армирование значительно увеличило деформацию при разрыве, ползучесть, вязкость при разрушении и ударную прочность. При разрушении наблюдался медленный и стабильный рост трещин. Недостатком данного материала является недостаточно высокая прочность на изгиб.
Задачей настоящего изобретения является повышение физико-механических характеристик, теплостойкости стандартной эпоксидной композиции на основе ЭД-20 и отвердителя ангидридного типа, которая вследствие своей высокой технологичности широко используется в промышленности.
Технический результат состоит в повышении механической прочности, модуля упругости и температуры стеклования изделий на основе предлагаемой композиции.
Технический результат достигается тем, что эпоксидная композиция горячего отверждения включает в себя эпоксидный диановый олигомер марки ЭД-20, отвердитель ангидридного типа, согласно изобретению в качестве модифицирующей добавки она дополнительно содержит производные полисахаридов, при следующем содержании компонентов, мас.ч.
| Эпоксидный олигомер | 100 |
| Отвердитель | 80 |
| Модифицированный полисахарид | 1,0-10,0 |
Выполнение композиции согласно изобретению позволило повысить ее физико-механические характеристики и температуру стеклования.
Способ осуществлялся следующим образом.
Методами ДСК и ИК-спектроскопии установлено, что производные полисахаридов с привитыми активными группами (этильными, гидроксиэтильными), микрокристаллическая целлюлоза и полиацетальглиоксаля и эритрозы не взаимодействуют с компонентами матрицы, т.е. на кривых ДСК нет экзотермических пиков, отвечающих за процесс полимеризации. На ИК-спектрах полосы поглощения, отвечающие за эпоксидные (950-860 см-1) и ангидридные (1790-1740 см-1) кольца смолы и отвердителя, соответственно также не изменились.
Карбоксиметилцеллюлоза с активными карбоксильными группами химически взаимодействует с ангидридом, что объясняется раскрытием ангидридного цикла на поверхности модификатора с образованием кислотных групп, установленных по ИК-спектру в области 3200-3400 и 1700 см-1.
Тиольные и тозилатные группы, привитые к макромолекуле полисахарида, приводят к их химическому взаимодействию с ангидридом, на кривых ДСК появляется экзотермический пик в области температур 175-220°C.
При исследовании взаимодействия полиацетальглиоксаля и эритрозы (с привитыми аминогруппами различной природы) с компонентами синтетической полимерной матрицы выяснено, что химическая реакция происходит с эпоксидной составляющей системы. На кривой ДСК процесс химического взаимодействия отражен появлением серии экзотермических пиков в интервале температур 130-170°C, что свидетельствует о процессе раскрытия эпоксидного цикла, а на ИК спектре полностью пропадают полосы, отвечающие за эпоксидные группы (950-860 см-1).
Аминоцеллюлоза взаимодействует с каждым из компонентов полимерной матрицы. С эпоксидным олигомером реакция взаимодействия проходит в три ступени и начинается с 70°C, а с ангидридом взаимодействует в две ступени и реакция начинается при 80°C. Такой вид кривых можно объяснить тем, что аминоцеллюлоза хорошо реагирует с компонентами полимерной матрицы, но имеет неоднородный состав по размерам частиц.
Для повышения качества смеси применялась ультразвуковая обработка наполненной композиции. Смешивание модифицированной целлюлозы с компонентами полимерной матрицы проводилось на приборе ИЛ 10-0,1 при мощности излучения 60-85 Вт/см2 и частоте звука 23 кГц.
Примеры осуществления
Пример 1.
В 80 мас.ч. ангидрида добавляют 1 мас.ч. модифицированного полисахарида (микрокристаллическую целлюлозу) и эту смесь диспергируют путем ультразвукового воздействия с помощью ультразвукового генератора IL при мощности излучения 60-85 Вт/см2 и частоте звука 23 кГц 5-10 мин. Затем добавляют диспергированную ультразвуком смесь производных полисахаридов в ангидриде в 100 мас.ч. эпоксидного олигомера марки ЭД-20, перемешивают механической мешалкой в течение 30 мин, после чего эту смесь заливают в металлические формы и отверждают по ступенчатому режиму: 100°C - 1 ч, 160°C - 3ч, 100°C - 1 ч.
Примеры 2-27 осуществляют аналогично примеру 1, вид модифицированного полисахарида, его количество и свойства полученных материалов указаны в табл. 1.
Свойства полученных материалов характеризовали с помощью стандартных методик. Разрушающее напряжение при изгибе определяли по ГОСТу 4648-71 с помощью испытательной машины ИР 5057-50. Для этого испытания были изготовлены плоские образцы 200×10×3 мм.
Температура стеклования была определена по данным дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК).
Из табл. 1 видно, что у полимеров, модифицированных производными полисахаридов (микрокристаллическая целлюлоза с привитыми функциональными группами: карбоксиметильными, аминными, тиольными и тозилатными, а также полиацетальглиоксаля и эритроза и полиацетальглиоксаля и эритроза с привитыми аминогруппами различной природы), прочность на изгиб повышается на 15-35% по сравнению с прототипом.
Модифицирующие добавки полиацетальглиоксаля и эритрозы с привитыми аминогруппами различной природы, аминоцеллюлоза и меркаптоцеллюлоза придают полимерному материалу повышенную теплостойкость до 135°C.
Использование производных полисахаридов в качестве активных наполнителей является перспективным направлением для получения эпоксиполимерного композиционного материала с заданными эксплуатационными характеристиками и возможностью удешевления получаемого материала.
| Таблица 1 | ||||
| Пример | Производные полисахаридов | Содержание модификатора, мас.% | σизг., МПа | Tc, °C |
| Прототип | Целлюлозные волокна | 31,5 | 95 | - |
| 1 | Микрокристаллическая целлюлоза | 1 | 95±3 | 100 |
| 2 | Микрокристаллическая целлюлоза | 5 | 90±3 | 90 |
| 3 | Микрокристаллическая целлюлоза | 10 | 100±2 | 90 |
| 4 | Карбоксиметилцеллюлоза | 1 | 100±1 | 120 |
| 5 | Карбоксиметилцеллюлоза | 5 | 120±2 | 125 |
| 6 | Карбоксиметилцеллюлоза | 10 | 105±2 | 122 |
| 7 | Этилцеллюлоза | 1 | 85±1 | 100 |
| 8 | Этилцеллюлоза | 5 | 83±3 | 105 |
| 9 | Этилцеллюлоза | 10 | 76±3 | 95 |
| 10 | Гидроксиэтилцеллюлоза | 1 | 80±1 | 100 |
| 11 | Гидроксиэтилцеллюлоза | 5 | 80±1 | 103 |
| 12 | Гидроксиэтилцеллюлоза | 10 | 72±3 | 98 |
| 13 | Полиацеталь глиоксаля и эритрозы | 1 | 112±2 | 123 |
| 14 | Полиацеталь глиоксаля и эритрозы | 5 | 110±1 | 120 |
| 15 | Полиацеталь глиоксаля и эритрозы | 10 | 95±3 | 110 |
| 16 | Аминоцеллюлоза | 1 | 120±2 | 135 |
| 17 | Аминоцеллюлоза | 5 | 110±2 | 130 |
| 18 | Аминоцеллюлоза | 10 | 100±2 | 120 |
| 19 | Полиацеталь глиоксаля и эритрозы с привитыми аминогруппами различной природы | 1 | 130±1 | 135 |
| 20 | Полиацеталь глиоксаля и эритрозы с привитыми аминогруппами различной природы | 5 | 115±3 | 133 |
| 21 | Полиацеталь глиоксаля и эритрозы с привитыми аминогруппами различной природы | 10 | 80±1 | 125 |
| 22 | Тиолцеллюлоза | 1 | 110±1 | 130 |
| 23 | Тиолцеллюлоза | 5 | 98±2 | 130 |
| 24 | Тиолцеллюлоза | 10 | 88±3 | 128 |
| 25 | Тозилатцеллюлоза | 1 | 110±1 | 125 |
| 26 | Тозилатцеллюлоза | 5 | 95±3 | 123 |
| 27 | Тозилатцеллюлоза | 10 | 90±5 | 97 |
Эпоксидная композиция горячего отверждения включает в себя эпоксидный диановый олигомер марки ЭД-20, отвердитель ангидридного типа, отличающаяся тем, что в качестве модифицирующей добавки она дополнительно содержит производные полисахаридов, при следующем содержании компонентов, мас.ч:
| Эпоксидный олигомер | 100 |
| Отвердитель | 80 |
| Модифицированный полисахарид | 1,0-10,0 |
