Исследование эксплуатационных свойств полимерных композитов на основе модифицированных ГЦ-волокон

Исследованы прочностные характеристики модифицированных гидратцеллюлозных волокон аппретирующим раствором Duron OS 3151. Проведена оценка адгезионных свойств модифицированных волокон. Изучены кинетические особенности отверждения эпоксидного связующего в присутствии обработанного гидратцеллюлозного волокна. Исследованы эксплуатационные свойства полимерных композитов на основе модифицированного гидратцеллюлозного волокна.

Ключевые слова: гидратцеллюлозное волокно, модификаторы, эпоксидный композиционный материал.

В настоящее время большое внимание уделяется созданию композитов, изучению их свойств и расширению областей применения как традиционных полимерных материалов, так и принципиально новых композиционных материалов [1, с. 5]. Большое значение имеют армированные полимерные материалы, применение которых дает существенные преимущества по технологичности, снижению материалоёмкости и стоимости изделий, улучшению их эксплуатационных характеристик, повышению надежности. В качестве армирующих наполнителей используются химические волокна.

С целью увеличения прочностных характеристик композитных материалов исходные волокнистые материалы модифицируют аппретами различной химической природы.

В работе объектами исследования являлись: гидратцеллюлозное волокно (ГЦ волокно); эпоксидная смола (ЭД-20), отвержденная полиэтиленполиамином (ПЭПА); модификатор Duron OS 3151(смесь гликолевых эфиров жирных кислот).

ГЦ волокна модифицировали водными раствора Duron OS 3151 концентрацией 2, 5 и 10 %, при времени модификации 60 с.

Эффективность проведённой модификации оценивали по изменению деформационно-прочностных свойств исследуемых волокон (рис. 1).

Рис. 1. Влияние модификатора на свойства волокон: 1-исходное ГЦ волокно; 2 — ГЦ волокно + Duron OS 3151

Из приведённых данных видно, что обработка исходных волокон Duron OS 3151 положительно влияет на изменение относительной разрывной нагрузки. Волокна, обработанные 2 %-ным водным раствором модификатора характеризуется увеличением относительной разрывной нагрузки на 21 %, волокна обработанные 5 %-ным раствором модификатора на 28 %.

Так как показания прочностных характеристик модифицированных ГЦ волокон при концентрации раствора 10 % незначительно отличаются от характеристик модифицированных ГЦ волокон при концентрации раствора 5 %, поэтому с целью экономии сырья целесообразно использовать обработку модификаторами с концентрацией раствора 5 %.

Для изучения адгезионных свойств модифицирующих волокон определяли смачиваемость волокнистых систем (рис. 2).

Рис. 2. Кинетические кривые смачивания раствором эпоксидного олигомера модифицированного ГЦ волокна при различных концентрациях Duron OS 3151 и продолжительности обработки 60 с.: 1- необработанное ГЦ волокно (87 мм); 2 — ГЦ волокно + Duron OS 3151 (2 %) (100мм); 3 — ГЦ волокно + Duron OS 3151 (5 %) (100 мм)

Анализ кинетических кривых смачивания исходных волокон, модифицированных Duron OS 3151, показывает, что обработка приводит к повышению смачиваемости ГЦ волокон. При этом высота капиллярного поднятия жидкости исходного ГЦ волокна составляет 87 мм, а модифицированных ГЦ волокон с концентрациями раствора 2 и 5 % — 100 мм.          Увеличение физико-механических и адгезионных свойств волокон, модифицированных 5 %-ным раствором Duron OS 3151, вероятно, связано с изменением химического состава поверхности волокна.      Для изучения влияния обработки ГЦ-волокон исследуемыми модификаторами проводили расшифровку ИК-спектров армирующих систем (рис.3).

Рис. 3. ИК-спектры: 1 — ГЦ волокно; 2 — ГЦ волокно + Duron OS 3151 (5 %)

Спектральная картина исследуемых образцов волокон характеризуется наличием пиков, которые соответствуют валентным колебаниям групп: -ОН (3400 см^-1), -СН₂ (2900 см^-1), С-О-С и С-ОН (1160–895 см^-1) и деформационным колебаниям групп: -ОН (1370 см^-1; 660–555 см^-1).

Для оценки влияния аппретированных ГЦ волокон на процесс отверждения эпоксидной смолы были изучены кинетические особенности отверждения эпоксидного связующего в присутствии модифицированного ГЦ волокна (рис. 4, табл. 1).

Рис. 4. Кинетические кривые отверждения: 1-ненаполненная смола ЭД-20; 2-ЭД-20+ГЦ волокно; 3-ЭД-20+ГЦ волокно+Duron OS 3151 (5 %)

Таблица 1

Параметры отверждения эпоксидных композитов на основе модифицированного ГЦ волокна

Изучение кинетических особенностей отверждения эпоксидного связующего в присутствии ГЦ волокон показывает активное влияние немодифицированного (кривая 2) и модифицированного ГЦ волокна (кривая 3) на процесс отверждения эпоксидного связующего (кривая 1). При этом время гелеообразования сокращается в 2–2,2 раза; время отверждения — в 1,4 раза; максимальная температура отверждения снижается на 68–76⁰С с одновременным повышением степени отверждения до 96–98 %.

На основе модифицированных Duron OS 3151 ГЦ волокон были получены эпоксидные композиционные материалы, эксплуатационные свойства которых представлены в таблице 2.

Таблица 2

Эксплуатационные свойства композитов на основе модифицированного ГЦ волокна

Из приведённых данных видно, что армирование эпоксидной матрицы модифицированным ГЦ волокном значительно повышает свойства композита. Так, сравнение образцов, модифицированных 5 % раствором + Duron OS 3151 (5 %), с образцами эпоксипластов на основе немодифицированного ГЦ волокна показывает увеличение разрушающего напряжения при растяжении на 20 % и разрушающего напряжения при изгибе на 11 %.

Таким образом, исследуемые модифицированные ГЦ волокна повышают эксплуатационные свойства эпоксидного композита. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о перспективности использования Duron OS 3151 для обработки ГЦ волокон, применяемые в качестве наполнителей в полимерных композиционных материалах.

Литература:

1.                  Перепёлкин, К. Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты. — СПб.: Научные основы и технологии. — Санкт –Петербург, 2009. — С. 379.