В статье описывается проведение работы по выбору оптимального соотношения составляющих для получения атмосферостойкого полимерного материала с магнитными свойствами. Построены кривые, отражающие изменение вязкостных свойств магнитного покрытия во времени.
Ключевые слова: полиуретан, гексаферит бария, атмосферостойкость, триметилолпропан, фенилбутиленгликоксысилан, намагничивание.
Использование лакокрасочного покрытия со специальными магнитными свойствами известно давно. Главное и первоначальное его назначение - сохранение и защита информации с помощью магнитных лент. Однако, магнитные материалы, которые сейчас используются, обладают низкими магнитными свойствами, что приводит к потере информации и разрушению аппаратуры от электрических разрядов, магнитных полей, телефонных разговоров. Это объясняется низкой коэрцитивной силой этих материалов. Поэтому необходимым является получение магнитной полимерной композиции с атмосферостойкими свойствами. Одним из перспективных композиционных материалов является полиуретан. Как магнитный порошок предлагается использование гексафериту бария. Для сравнения, его коэрцитивная сила приравнивается к 9000 эрстед тогда как коэрцитивная сила кобальта и хрома равна до 1000 эрстед.
Но магнитные полимерные системы такого состава еще не нашли применения, поскольку остается нерешенной проблема сочетания полиуретана и гексафериту бария в стойку композицию. Для решения этой проблемы было проведено научное исследование
Соотношение между количеством изоцианатных и гидроксильных групп является важным фактором, влияющим на свойства покрытий. При увеличении этого соотношения твердость полиуретановых покрытий увеличивается, а их эластичность уменьшается. При формировании полиуретановых покрытий помимо основной реакции - изоцианатного полиприсоединения и движения уретановых связей
R – NCO + HO – R’ → R – NH – C – OR’
||
O
могут происходить побочные процессы, что связано с неполным связыванием изоцианатных групп. Для решения этой проблемы в полимерную матрицу дополнительно вводятся низкомолекулярные сшивающие агенты, имеющие небольшую подвижную структуру, что позволяет им проникать внутрь полимерной композиции и обеспечивает более полное связывание изоцианатных групп.
Для определения наиболее подходящего сшивающего агента и оптимальной его концентрации проводятся реологические исследования растворов ненаполненные систем.
Реологические и вязкостные свойства исследовались в зависимости от количества сшивающего агента, который вводился в систему, и времени выдержки системы.
Как сшивающие агенты используются фенилбутиленгликоксисилан (ФБС) и триметилолпропан (ТМП).
В композициях, модифицированных ТМП, вязкость во времени пропорционально возрастает с увеличением содержания сшивающего агента. Оптимальное значение вязкости системы наблюдается при введении ТМП 30%. Дальнейшее увеличение содержания ТМП приводит к уменьшению скорости образования устойчивой системы.
В
композициях, модифицированных ФБС, значение вязкости во времени
возрастает с увеличением содержания сшивающего агента до 15%. При
дальнейшем введении ФБС наблюдается уменьшение вязкости системы, что
вызвано разбавлением системы низкомолекулярным многоатомным спиртом.
Рис.1. Рост вязкости во времени Рис.2. Рост вязкости во времени
для композиций, модифицированных ТМП для композиций, модифицированных ФБС
Сравнивая эти два графика, видно, что лучшим сшивающего агента является ТМП, поскольку полученная композиция имеет больший показатель вязкости. При введении 15 мас.% ФБС вязкость составляет 19 Пз, а при введении 30 мас.% ТМП - 22 Пз.
Однако эти данные не обеспечивают прогнозирование других физико-механических свойств композиции. Поэтому для подтверждения того, что оптимальное содержание ТМП именно 30% проводим дополнительные исследования ненаполненные полиуретановых композиций с различным содержанием ТМП в качестве сшивающего агента.
Физико-механические свойства полиуретановых пленок (исходной и модифицированных триметилолпропаном)
|
Содержание тримети-лолпропана, мас.% |
Жизнеспособность композиции, час |
Относительная твердость |
Прочность при разрыве, МПа |
|
0 |
50 |
0,44 |
65,8 |
|
5 |
35 |
0,56 |
62,9 |
|
10 |
30 |
0,78 |
68,0 |
|
20 |
25 |
0,82 |
72,4 |
|
30 |
25 |
0,85 |
75,7 |
Из приведенных в таблице данных видно, что полимерная композиция без сшивающего агента дольше твердеет и имеет самые низкие значения показателей твердости и прочности при разрыве. Полиуретановая композиция с содержанием ТМП 20 мас.% И 30 мас.% Затвердевают быстрее, образуя устойчивую систему. Значения показателей относительной твердости близки по значению. Однако, по показателю прочности при разрыве, видно, что содержание ТМП 30 мас.% Обеспечивает образование более устойчивой, стабильной системы с достаточно высокими физико-механическими свойствами.
После проведения исследований ненаполненных полиуретановых композиций необходимо определить оптимальное содержание магнитного наполнителя - гексафериту бария.
Спектральным методом было проведено исследование полимерных композиций с различным содержанием магнитного наполнителя. На основе полученных данных построен график зависимости изменения конверсии изоцианатных групп и процентного содержания гель-фракции во времени.
В полимерной композиции, в состав которой входит 5% ГФБ, наблюдается связывание изоцианатных групп лишь на 40% и образуется 30% гель-фракции. Скорость преобразования низкая. Это говорит о том, что образуется неустойчивая система, для затвердения которой необходимо много времени. В композициях с содержанием 10-15% ГФБ степень превращения за изоцианатными группами увеличивается быстрее, чем при 5% ГФБ, однако достигает лишь значения 16%. Степень превращения за гель-фракцией составляет 83%. То есть полученная система является достаточно устойчивой, имеет значительно более низкий показатель времени затвердевания, однако остаточное количество изоцианатных групп все еще способствует прохождению побочных процессов.
Рис.3. Динамика уменьшения изоцианатных групп и накопления гель-фракции во времени в полимерных магнитных композициях: 1, 1 '- 20 - 30% ГФБ, 2, 2' - 10 - 15% ГФБ, 3, 3 '- 5% ГФБ
Композиции, содержащие 20-30% ГФБ, характеризуются полным связыванием изоцианатных групп лишь за 60 минут, что сводит к минимуму возможность протекания побочных процессов. Степень превращения за гель-фракции приближается к 100%. То есть полученная композиция является устойчивой, стабильной, быстро затвердевает и сохраняет свои качества в течение длительного времени. Реакционная система с содержанием ГФБ 20 - 30% имеет большее количество активных центров, что создает благоприятные условия для получения покрытия с высокой атмосферостойкостью.
1.На основе проведенных исследований установлено, что оптимальным является использование как сшивающего агента триметилолпропану. Полученная система обладает высокими физико-механическими свойствами.
2.Обнаружено, что введение гексафериту бария обеспечивает полное связывание изоцианатных групп, что сводит к минимуму возможность протекания побочных процессов и позволяет получить полимерную композицию с высоким содержанием гель-фракции.
3.Установлен оптимальный состав исходных компонентов полиуретановой композиции: 30% ТМП и 20-30% ГФБ. Разработанное атмосферостойкое покрытие с магнитными свойствами обладает коэрцитивную силу 7500 эрстед.
4.Получено полиуретановую композицию с необходимыми магнитными и эксплуатационными характеристиками.
