Новые эпоксидные композиции с диэлектрическими и антистатическими свойствами для огнезащиты древесины и покрытий по металлам

 

Эпоксидные смолы, обладая комплексом положительных технологических свойств (хорошая совместимость с большинством наполнителей, широкий температурный интервал отверждения – от 0 до 200 0С, большой выбор отвердителей, низкая усадка при отверждении, хорошая адгезия к большинству материалов) и эксплуатационных свойств (устойчивость к коррозии, химическая стойкость, низкая плотность и достаточно высокий уровень деформационно-прочностных свойств), незаменимы в качестве клеев, покрытий, компаундов, используемых в различных отраслях промышленности, в том числе, определяющих технический уровень развития страны [1-3].

Модификациям эпоксидных матриц, обеспечивающих создание эпоксидных компаундов. Используемых в том числе и в качестве покрытий по древесине и металлу с повышенным комплексом свойств, пониженной горючестью, повышенными надежностью и долговечностью посвящена данная работа.

В качестве модификаторов эпоксидной смолы, отверждаемой полиэтиленполиамином (ПЭПА) применялись: фосфорсодержащий диметилакрилат (ФОМ-2) (ТУ 6-02-3-388-88), трихлорэтилфосфат (ТХЭФ), полифосфат аммония (АРР-2), хлористый аммоний (ХА), терморасширенный графит (ТРГ) (ТУ 5728-006-13267785), технический графит (сажа) (ГОСТ 18307-78), а также модифицированные отходы обмолота проса (МОП) [2].

Были получены образцы древесины с огнестойкими покрытиями, содержащими в масс.ч.: ЭД-20+30NH4Cl+5ТРГ+30ФОМ+25ПЭПА и ЭД-20+30NH4Cl+5ТРГ+30ТХЭФ+

15ПЭПА.

Определением показателей горючести установлено, что в пламени газовой горелки горение образцов древесины с покрытием не поддерживается. Покрытие древесины начинает вспениваться и образуется кокс. Под снятым слоем кокса сохраняется структура древесины, находящаяся под покрытием.

При определении скорости распространения пламени по поверхности неогнезащищенной и огнезащищенной древесины установлено, что древесина без покрытия загорается при поднесении пламени газовой горелки через 15 секунд и после удаления газовой горелки горение продолжается. Пламя распространяется в продольном и поперечном направлении со скоростью 30 мм/мин. На огнезащищенной древесине загорание происходит через 65 секунд, поверхность покрытия подвспенивается (15×15 мм) и пламя после удаления источника зажигания самозатухает через 6 секунд.

Аналогичные испытания были проведены для образцов металла с предложенными покрытиями. В пламени спиртовки покрытие металла начинает вспениваться и образует кокс. Потери массы составляют 0,62-0,69%.

Вследствие того, что разработанные составы предлагается наносить в качестве теплоизолирующих, огнезащитных покрытий по металлу, например, защищать емкости хранения или цистерны для перевозки пожароопасных жидкостей, то им необходимо придать антистатические свойства, чтобы предотвратить накапливание статического электричества.

Придание эпоксидной композиции электропроводящих свойств осуществлялось введением наполнителей. Электропроводящие свойства в полимере проявляются при образовании в нем частичками наполнителя цепочечных структур. Облегчение образования таких структур достигается за счет уменьшения взаимодействия между макромолекулами полимера, между частицами наполнителя, между полимером и наполнителем. Для этих целей использовали гибридные наполнители, один из которых не является электропроводящим (АРР-2, ХА), а в качестве электропроводящего использовали графитовые наполнители. Это позволило, даже при небольших количествах электропроводящего наполнителя (5 масс.ч.), добиться значительного снижения удельного сопротивления и отнести разработанные полимерные составы к классу антистатических материалов, табл.1.

Таблица 1

Электрические свойства модифицированных эпоксидных композиций

Состав композиций, масс. ч., отвержденных 15 масс.ч. ПЭПА	Удельное сопротивление
	объемное, ρυ, Ом·м	поверхностное, ρS, Ом
ЭД-20	2,16·1015	8,16·1014
ЭД-20+30NH4Cl+5ТРГ+30ФОМ	3,4·104	8,0·106
ЭД-20+30АРР-2+5ТРГ+30ФОМ	8,9·105	1,8·108
ЭД-20+30АРР-2+5сажа+30ФОМ	2,4·108	4,5·109
ЭД-20+30NH4Cl+5ТРГ+30ТХЭФ	3,9·103	3,3·105

 

Вследствие разности структур частиц наполнителей электропроводимость материалов существенно различается, так у составов, содержащих ТРГ она на 3-4 порядка меньше, чем у содержащих, в таком же количестве, сажу.

Другим направлением исследования было использование МОП в качестве наполнителя эпоксидной композиции.

В связи с тем, что МОП является углеродсодержащим наполнителем, оценивалось его влияние на электрические свойства эпоксидного композита. Определение удельного сопротивления составов, наполненных МОП, измельченной в течение 30 минут на планетарной мельнице, показало, что эпоксидные композиции на их основе относятся к классу диэлектриков, табл.2.

Таблица 2

Влияние содержания МОП и температуры термообработки на удельное объемное электрическое сопротивление эпоксидных композитов состава

 70ЭД-20+30ТХЭФ+15ПЭПА

Содержание МОП, масс.ч	Температура термообработки, С	Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом•м
10	450	0,8•109
40	450	0,5•109
10	700	1,3•108
40	700	0,4•108

 

Направленное регулирование электропроводности может быть достигнуто при использовании частиц с большей степенью дисперсности. Исходя из того, что частицы сажи. широко используемые в качестве функционального наполнителя, придающего композиту электрическую проводимость, имеют размеры в пределах 1-10 нм, нами для уменьшения размеров МОП измельчалась в планетарной мельнице (соотношение частиц и измельчающих шаров 1:30) в течение 150 минут, что позволило обеспечить размер частиц оболочки от 100 до 200 нм. При наполнении такими частицами и совмещении компонентов с использованием ультразвукового диспергирования композиты приобретают антистатические свойства, табл.3.

Таблица 3

Влияние содержания МОП и температуры термообработки на удельное объемное электрическое сопротивление эпоксидных составов, масс.ч.

70ЭД-20+30ТХЭФ+15ПЭПА

Температура термообработки	Содержание МОП, масс.ч	Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом•м
700	10	4,7•106
	20	1,1•106
	40	8•105

Для составов с антистатическими свойствами исследованы физико-механические показатели. Выявлено, что уменьшение размеров частиц до 100-200 нм и совмещение наполнителя с эпоксидным составом при ультразвуковом воздействии обеспечивают повышение физико-механических и теплофизических свойств композитов, табл.4.

Таблица 4

Физико-механические и теплофизические свойства эпоксидных композитов

Состав, масс.ч	Ударная вязкость, кДж/м2	Твердость по Шору, Шкала Д	Теплостойкость по Вика, оС	Категория стойкости к горению
70ЭД-20+30ТХЭФ+10МОП+15ПЭПА	25	64	Более 200	ПВ-0
70ЭД-20+30ТХЭФ+20МОП+15ПЭПА	21	68	Более 200	ПВ-0
70ЭД-20+30ТХЭФ+40МОП+15ПЭПА	16	70	Более 200	ПВ-0

 

Исследованием таких образцов на устойчивость к горению в соответствии с ГОСТ 28157-89 установлено, что суммарное время горения образцов на воздухе после первого поднесения пламени составило 3-5 сек, а после второго поднесения суммарное время горения и тления составило 18 сек, следовательно, такие образцы можно отнести к категории стойкости к горению ПВ-0 (трудносгораемые), так как к этой категории относятся материалы, для которых суммарное время горения и тления образца после второго приложения пламени меньше 30 сек, а время горения образца после каждого приложения пламени меньше 10 сек.

Таким образом, получены составы, обеспечивающие придание эпоксидным полимерам диэлектрических, антистатических свойств и пониженной горючести, которые предлагается использовать для огнезащиты древесины и для покрытия по металлу.

 

Литература:

1. Мостовой А.С. Разработка новых пожаробезопасных эпоксидных композитов с повышенным комплексом механических свойств / Мостовой А.С., Плакунова Е.В., Панова Л.Г. // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. – 2012. – С43. – C. 37-40.
2. Никифоров А.В. Исследование влияния модифицирования на свойства отходов обмолота проса и эпоксидных композитов / Никифоров А.В., Свешникова Е.С., Панова Л.Г. // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2013. - № 8. – C. 71-76.
3. Мостовой А.С. Исследование процессов при пиролизе и горении модифицированных эпоксидных полимеров / А.С. Мостовой, Л.Г. Панова, А.А. Санукова, Е.В. Плакунова // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2013. – № 8. – C. 17-21.