Розробка технології формування епоксиполімерів, модифікованих ультразвуковим випромінюванням

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розробка технології формування епоксиполімерів, модифікованих ультразвуковим випромінюванням

О.О. Наливайко, О.В. Костриця - ст. гр. ПМм-11

Луцький національний технічний університет

В статті проведено аналіз дослідження епоксидних матеріалів, модифікованих ультразвуковим випромінюванням з заданими механічними властивостями.

Постановка проблеми

Полімерні матеріали на основі епоксидних смол знаходять широке застосування при герметизації виробів електронної техніки, ізоляції струмоведучих частин деталей електротехнічного призначення, для просочення і заливки вузлів в авіа-, судно- і автомобілебудування. Полімери є обов'язковими компонентами практично всіх елементів ізоляції електромашин, апаратів та кабельних виробів. Їх широко застосовують також для захисту деталей від механічного впливу і агресивного середовища. Використання полімерів обумовлює можливість створення обладнання з високими техніко-економічними характеристиками і підвищеною експлуатаційною надійністю[1].

Електротехнічна, автомобільна промисловості та радіоелектроніка - одні із найбільших споживачів полімерів, зокрема епоксидних смол та компаундів на їх основі [2].

У зв'язку з розвитком технології виготовлення інтегральних мікросхем, вузлів деталей машин (модулів запалення), створенням нових конструкційних елементів змінюються і вимоги до захисних, ізолюючих та матеріалів для герметизації. Розробка принципово нових систем потребує для своєї реалізації нових матеріалів, у тому числі просочувальних та напилених покриттів, що можливо здійснити модифікацією існуючих епоксидних олігомерів. Метою модифікації є: покращення технологічних властивостей, зниження внутрішніх напружень, горючості, підвищення стійкості до удару, еластичності і зниження усадки [1-2].

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Модифікація - це вплив на матеріал додаткових речовин, або фізичний вплив, за рахунок чого змінюються теплофізичні, оптичні, фізико-математичні властивості [2].

Призначення фізичної модифікації - зміцнити матеріал, надати йому особливого комплексу властивостей і здешевити, подовжити термін експлуатації.

Фізичні методи модифікації можуть бути застосовані практично для всіх полімерів і полімерних композиційних матеріалів на їх основі, так як вони викликають в них хімічні та структурні зміни [1].

Фізичні методи модифікації можна розділити на види:

- термічний вплив (низькотемпературна або термохімічних обробка);

- опромінення (радіаційне, радіаційно-термічне, ТВЧ, лазерне, ІК і УФ випромінювання);

- вакуумно-компресорна обробка (тиск, вакуум, вибухове навантаження);

- вплив електромагнітних полів (електротермічна або електрична обробка, вплив магнітних полів);

- періодичне деформування (вібраційна або ультразвукова обробка) [ 2].

Застосування енергії ультразвукових коливань порошкоподібних або гранульованих полімерів і полімерних композицій, що знаходяться в твердому стані або зазнають перехід в високоеластичний або в'язкотекучий стан, призводить до ущільнення матеріалу, що супроводжується видаленням газової фази. Даний процес обумовлений тим, що при впливі вібраційних імпульсів окремих частинок матеріалу активізуються індивідуальні швидкості і прискорення, в результаті чого руйнуються первинні утворення і відбувається рівномірне укладання частинок порошку [3].

Формування виробів з полімерних матеріалів із застосуванням ультразвукових коливань підвищує ефективність модифікації структури матриці і істотно впливає на процеси структуроутворення [4].

Модифікацію ультразвуковим випромінюванням використовують для забезпечення зниження рівня в'язкості та пружності розплаву чи розчину полімерного матеріалу.

Встановлено, що ультразвукова обробка розплавів композицій призводить до збільшення кількісного інтервалу компонентів полімерної суміші, що пов'язано з формуванням специфічної фазової структури, процесами диспергування під час багаторазової обробки розплавів, зміною полярності поліолефінів і утворенням кополімерів [5].

За певної інтенсивності ультразвукових коливань можна досягти ультразвукової деструкції за рахунок процесів кавітації і тертя макромолекул, що приводить до підвищення локальних температур, внаслідок чого легше проходять процеси ініціювання з утворенням вільних радикалів макромолекул [6].

Застосування ультразвуку дозволяє не тільки отримати дрібнодисперсне розпорошення полімерного матеріалу, а й одночасно значно знизити витрату розчинників, так як вплив ультразвукових коливань знижує в'язкість високомолекулярних речовин [4].

Ультразвукова обробка полімерів дозволяє здійснювати процеси їх модифікації на різних стадіях: синтезу і переробки полімерних матеріалів. Під дією ультразвукової обробки на розчин двох (або декількох) полімерів з відповідними властивостями можливе утворення вільних макрорадикалів розчинених полімерів з подальшою їх рекомбінацією і утворенням кополімерів. Дані процеси пов'язані з тим, що розплави полімерів одночасно мають властивості твердої та рідкої речовин. Тому виникнення процесів кавітації в в'язкотекучому стані полімеру можливо досягнути при певній інтенсивності [3-5].

Існує ймовірність виникнення електричних розрядів в полімерах при впливі ультразвукового випромінювання, які передають макромолекулам додаткові механічні сили стиснення і розтягування. З одного боку, це може викликати явище, яке в свою чергу призведе до утворення збуджених молекул і вільних радикалів, з іншого - процеси стиснення і розтягування макромолекул полімеру можуть привести до появи додаткового тепловиділення за рахунок сил тертя і трансформації енергії механічних і електричних сил в теплову [5].

Таким чином, вплив ультразвуку на розплави полімерів - це багатофакторне явище, що викликає складні процеси, які можуть призводити до утворення вільних радикалів і, як наслідок, деструкцію полімерів. Ступінь деструкції полімерів буде залежати від природи полімеру, його потенційного бар'єру. Крім цього деструкція полімеру буде залежати від інтенсивності впливу ультразвуку. У цьому випадку доцільно не збільшувати частоту ультразвуку, а зменшувати розміри осередку впливу ультразвуку на розплав полімеру.

При ультразвуковому впливі відбувається поліпшення диспергування частинок завдяки наявності полярних ОН-груп в модифікаторі, внаслідок чого і в'язкість системи зростає.

Встановлено, що вплив ультразвуку при використанні ряду модифікаторів може призводити як до диспергування, так і до агрегації частинок монтморилоніту.

Унікальність ультразвукового впливу забезпечується виникненням в рідких середовищах кавітаційних парогазових бульбашок, що накопичують енергію при їх розширенні та вибухають при стисканні зі створенням ударних хвиль і кумулятивних струменів [4].

Модифікація полімеру полягає в цілеспрямованому регулюванні структури і пов'язаних з нею властивостей на різних рівнях технологічного процесу. Метою модифікації є вдосконалення технологічних і експлуатаційних характеристик епоксидних матеріалів: підвищення життєздатності, зниження в'язкості, поліпшення деформаційних властивостей, тепло-, біо- та хімічної стійкості, підвищення діелектричних властивостей, зниження горючості, вдосконалення економічних показників (скорочення витрат епоксидних смол, зменшення їх вартості, утилізація відходів виробництв) [6].

Значний вплив на структуру і властивості епоксидних матеріалів надає їх модифікація періодичним деформуванням. До цього методу модифікації відносяться ультразвукова і вібраційна обробка. Ультразвуковий вплив розглядається як один із шляхів вдосконалення технології полімерних матеріалів, особливо на стадії поєднання складових і формування структури. Обробка ультразвуком дозволяє підвищити деформаційно-міцнісні і адгезійні характеристики матеріалів, знизити рівень залишкових напружень, збільшити довговічність, скоротити час затвердіння. На практиці для надання ряду спеціальних властивостей часто використовується комбінація декількох методів фізичної модифікації одночасно з іншими методами модифікації [5-6].

Мета дослідження. Автомобільна, електронна, електротехнічна та інші галузі промисловості висувають жорсткі вимоги до полімерів за такими показниками, як стійкість до агресивних середовищ, високі фізико-механічні характеристики, необхідна еластичність і здатність зберігати експлуатаційні властивості при циклічному впливі температур.

Тому розробка методів спрямованого регулювання властивостей епоксидних матеріалів шляхом модифікації набуває особливої значущості та актуальності.

Основною метою рооти є дослідження епоксидних матеріалів, модифікованих ультразвуковим випромінюванням з необхідними механічними властивостями.

Результати дослідження. В результаті експериментальних досліджень (рисунок 1) встановлено, що максимальну адгезійну міцність 26,8 МПа зафіксовано в епоксиполімерних зразках, при тривалості ультразвукової обробки в 600 секунд, мінімальні показники міцності у матеріалу складають 17,3 МПа за відсутності обробки ультразвуком. Загалом досягнено максимального збільшення міцності на 55 %, що є досить хорошим показником покращення характеристики завдяки ультразвуковому впливу. Підвищення значення міцності пояснюється інтенсифікацією процесів взаємодії компонентів системи. Також обробка сприяє зменшенню повітряних включень, що значно знизує дефектність матеріалу.

Найбільший стрибок результатів (21,5 МПа...25,8 МПа), що складає різницю в 4,3 МПа, помічено саме на п'ятій хвилині впливу. Дослідно встановлено, що при продовженні обробки ультразвуком показник зменшується до 20,3 МПа, тобто відносно максимального знижується на 24%.

Рисунок 1 - Залежність адгезійної міцності епоксиполімерів від тривалості ультразвукової обробки

Таким чином за даними результатами досліджень залежної від тривалості обробки адгезійної міцності епоксиполімерів, можна зробити висновок, що максимальні показники (26,8 МПа) має полімер, що обробляється ультразвуком 600 с. Адгезійна міцність епоксиполімерів за рахунок обробки композиції ультразвуком зростає в 1,6 рази. Продовження обробки негативно впливає на міцність, так як показник починає зменшуватись, що пояснюється локальним структуруванням епоксиполімеру під час ультразвукової обробки, яке призводить до збільшення залишкових напружень.

Експериментально встановлено (рисунок 2), що максимальну межу міцності при стисканні (119,8 МПа) зафіксовано у зразка, що обробляється 300 с, а мінімальний показник становить 60,4 МПа у полімера без впливу ультразвуку.

При обробці протягом 900 секунд межа міцності зменшується до 98,7 МПа. Отже, із продовженням впливу ультразвуку межа міцності на стискання з максимальної знижується на 18 %

Рисунок 2 - Залежність межі міцності при стисканні епоксиполімерів від тривалості ультразвукової обробки

Виходячи з отриманих даних результатів дослідження, максимальні показники (119,8 МПа) має полімер, що обробляється ультразвуком 300 с. Продовження обробки негативно впливає на міцність, так як показник починає зменшуватись, що пояснюється негативним впливом ультразвукової обробки на процеси структурування при довготривалій дії.

Дослідно виявлено (рисунок 3), що максимальне значення величини залишкових напружень (8,3 МПа) зафіксовано на початковому етапі, ще до початку обробки ультразвуком. Мінімальне значення (4,5 МПа) має полімер при обробці в 240 секунд. Порівнюючи обидва значення помічаємо зниження напруження на 54 %. Зі зменшенням залишкових напружень пов'язане

підвищення адгезійної міцності у 1,5 рази. При продовженні впливу на полімер, значення даної характеристики спочатку поступово, а потім досить різко зростає, і вже на 900 секунді величина напружень становить 6,3 МПа. Різниця між цим та мінімальним значеннями становить 40% і означає погіршення характеристики майже вполовину, тому при досягненні оптимального значення продовження обробки є помилкою.

Рисунок 3 - Залежність величини залишкових напружень епоксиполімерів від тривалості ультразвукової обробки

Отож, підсумовуючи отримані результати встановлено оптимальний час впливу УЗ, що складає 240 секунд. Із невеликою різницею в 0,3 МПа також помічаємо, що вплив до 600 секунд не впливає надто негативно на матеріал, тому цей час теж можна вважати оптимальним. Визначено, що продовження обробки понад 600 секунд сприяє погіршенню характеристики величини напружень.

Емпірично встановлено (рисунок 4), що максимальне значення ударної в'язкості (8,5 Дж/м2) отримано в полімеру, що піддавався обробці 300 секунд, мінімальний показник, що складає 4,3 Дж/м2, зафіксовано ще до початку обробки. Епоксиполімер, що оброблявся 900 секунд отримав нижче значення ударної в'язкості (6,8 Дж/м2) на 20 % порівнюючи із максимальним.

Рисунок 4 - Залежність ударної в'язкості епоксиполімерів від тривалості ультразвукової обробки

епоксидний полімер ультразвукове випромінювання

Отже, максимального значення характеристики (8,5 Дж/м2) досліджуваний матеріал набуває за тривалості обробки в 300 секунд. Із продовженням часу обробки ударна в'язкість матеріалу знижується, що є аналогічним результатом попередніх досліджень, окрім дослідження щодо 202 значення напружень, де за тривалої обробки формується система з високими внутрішніми напруженнями, яка негативно впливає на значення в'язкості.

Висновки

За результатами проведених досліджень встановлено, що оптимальні показники досліджених фізико-механічних характеристик (оа = 25,8 МПа, Ост = 119,8 МПа, оаал = 4,5, КС = 8,5 Дж/м2) отримано при обробці матеріалу ультразвуком тривалістю 300 секунд.

Встановлено, що обробка ультразвуком сприяє дегазації епоксидного полімеру. Матеріал, оброблений за визначеним оптимальним часом, має меншу схильність до крихкості.

Дослідно визначено, що застосування додаткової обробки ультразвуком сприяє зростанню значення адгезійної міцності у 1,6 рази, зростанню значення межі міцності при стисканні в 2 рази, зниженню залишкових напружень системи в 0,6 раз, збільшенню ударної в'язкості в 2,1 рази.

Перелік джерел посилання:

1. Повышение эксплуатационных характеристик полимерных композиционных материалов ультразвуковой обработкой/ М.М. Ганиев. - Казань : [б. и.], 2007. - 81 с.

2. Влияние энергии ультразвуковых колебаний на структуру и свойства полимерного композиционного материала на основе политетрафторэтилена: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук : 05.02.01/ Д. А. Негров. - Омск : [б. и.], 2009. - 20 с.

3. Машков Ю. К. Влияние энергии ультразвуковых колебаний на структуру и свойства полимерных композиционных материалов / Машков Ю. К., Еремин Е.Н., Негров Д.А. // Материаловедение. - 2013. - №3. С 42 - 45.

4. Воронков, А.Г. Эпоксидные растворы с повышенными эксплуатационными свойствами для ремонта и защиты строительных изделий и конструкций: Дис. канд. техн. наук / А.Г. Воронков. - Воронеж, 2004. - 201 с.

5. Технология полимерных материалов: учеб. пособие / А.Ф. Николаев, В.К. Крыжановский, В.В. Бурлов и др.; под ред. В.К. Крыжановского. - СПб: Профессия, 2008 - 544 с.

6. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учебное пособие / М. Л. Кербер, В. М. Виноградов, Г. С. Головкин и др.; под ред. А. А. Берлина. - СПб.: Профессия, 2008. - 560 с.

Размещено на Allbest.ru