Структура и адгезионные свойства отверждённых эпоксидных смол (стр. 5 из 13)

Использование смол других типов, совмещение диановых эпоксидных смол с различными реакционноспособными олигомерами и полимерами, участвующими в образованиитрёхмерной сетки, а также подбор рецептуры позволяют в широком диапазоне варьировать режимы переработки композиций на основе эпоксидных смол и физико-механические показатели продуктов их отверждения.

По прочностным показателям продукты отверждения эпоксидных смол, превосходят все применяемые в промышленности полимерные материалы на основе других синтетических смол. Так, прочность при растяжении (для композиций на основе эпоксидных смол без наполнителя) может достигать 140 Мн/м² (1400 кгс/см²), при сжатии 400 Мн/м² (4 000 кгс/см2), при изгибе 220 Мн/м² (2 200 кгс1см²), модуль упругости 5 000 Мн/м² (50 000 кгс/см²), ударная вязкость 250 кдж/м², или кгс•см/см², относительное удлинение 750% (температура испытания 20 °С). Основной недостаток эпоксидных смол- сравнительно высокая стоимость[4].

Для получения полимеров, обладающих повышенной термостойкостью, используют эпоксидные смолы, содержащие в молекуле более двух эпоксидных групп и ароматического ядра или термостойкие гетероциклы, например II—IV, IX, а также циклоалифатические эпоксидные смолы XIII—XVI. Отвердителями служат диангидриды ароматических тетракарбоновых кислот (пиромеллитовой, бензофенонтетракарбоновой). Отверждённые композиции этого типа имеют теплостойкостьпо Мартенсу около ЗОО °С, их можно длительно эксплуатировать на воздухе при температурах до 250 °С.

Полимеры с высокой термостойкостью (до 400 "С кратковременно) и хорошими диэлектрическими свойствами получают на основе эпоксидных смол, модифицированных силоксанами.

Для получения материалов, обладающих высокой прочностью при растяжении и изгибе, используют эпоксидные смолы Х и XV, отвердители - м-фенилендиамин, 4,4'-диаминодифенилсульфон, причем прочность возрастает с увеличением количества диамина (до 150% от стехиометрического количества). Прочность при растяжении и относительное удлинение продуктов отверждения возрастают также при сочетании диановых эпоксидных смол с XI, который добавляют в количестве около 10%. Высокая прочность при сжатии достигается при использовании полифункциональных эпоксидных смол (типов II—IV, VII—IX); отвердитель - ароматические диамины или диангидриды тетракарбоновых кислот; повышенная ударная прочность - при отверждении бифункциональных эпоксидных смол (I,Х) N-алкилпропилендиамином, b-аминоэтилпиперазином (например, ударная вязкость продуктов отверждения диановой смолы мол. массы 400 указанными аминами в 5-8 раз больше, чем продуктов отверждения той же эпоксидной смолы полиэтиленполиамином). Особенно высокая стойкость к ударным нагрузкам характерна для отверждённых композиций на основе смеси диановых эпоксидных смол диглицидилуретанами (XII) полученными на основе полимеров и сополимеров тетрагидрофурана и окиси пропилена.

Важная практическая задача - придание отверждённым эпоксидным смолам стойкости к рeзким перепадам температур (термическим ударам) и снижение их модуля упругости при использовании) компoзиций в качестве заливочных и герметизирущих компаундов. Если отвердителем служит ангидрид, в композиции вводят простые или сложные олигоэфиры с кольцевыми OH-группами, а также полиангидриды алифатических дикарбоновых кислот (например, ceбaциновой, адипиновой). Если отвердитель - амин , наилучшие результаты дает применение жидких каучуков, например, карбоксилатных, бутадиен-нитрильных, полисульфидных (тиоколов). Наименьший модуль упругости при температурах до -70 оС (1—10 Мн/м², или10-100 кгс/см2) имеют смолы XII. Наиболее высокой стойкостью к действию воды при нормальной и повышенной температурax, водных растворов солей и щелочей, органических растворителей, а также радиоактивного излучения обладают эпоксидные смолы VI и особенно VII, отверждённые ароматическими полиаминами (например, 3,3-дихлор-4,4'-диаминодифенилметаном). Высокая стойкость к действию кислот и окислителей достигается в композициях на основе полифункциональных эпоксидных смол II-IV, отверждённых диангидридами тетракарбоновых кислот или фенолоформальдегидными новолачными смолами. Для достижения высокой атмосферостойкости и устойчивости действию коронного разряда применяют смолы IX, XIII XIV; отвердитель- ангидрид метилтетрагидрофталевой или гексагидрофталевой кислоты. Пониженной горючестью в отверждённом состоянии обладают композиции на основе эпоксидных смол V и VII[2].

3. Теоретические основы адгезии и экспериментальные методы определения адгезионной порочности

3.1. Теории адгезии

Адгезией (или прилипанием) называют сцепление двух приведенных в контакт поверхностей различных по своей природе материалов. При склеивании поверхностей различных полимерных тел возникают связи, природа которых может быть различной. Возникновение связей между склеиваемыми или свариваемыми поверхностями происходит во времени и определяется механизмом адгезии. В процессе склеивания двух полимерных поверхностей с течением времени происходит увеличение истинной поверхности контакта и числа связей, соединяющих контактируемые поверхности. Связи, обеспечивающие адгезию полимерного тела с другим (полимерным, металлическим и т. д.) телом, могут быть обусловлены как межмолекулярным взаимодействием, так и силами главных химических валентностей.

После приведения тела в контакт одновременно начинают развиваться три процесса: увеличение размеров истинной поверхности контакта, диффузия и возникновение адгезионных связей. Увеличение истинной поверхности контакта может происходить в силу ряда различных причин таких, как затекание одного тела, находящегося в жидком состоянии, в поры и микродефекты другого, развитие высокоэластической или вынужденноэластической деформации.

В общем виде адгезионная прочность Ad(оцениваемая удельной работой адгезионного разрушения склейки) выразится в виде:

(1)

где Ui — энергия одной адгезионной связи i-го типа; nti — число связей i-гo типа на единицу поверхности, установившееся ко времени начала разрушения.

Предложено несколько теорий адгезии. Вокруг них было много споров, связанных, вероятно, с переоценкой их достоинств. В большинстве теорий рассматривается образование адгезионной связи. Хотя в каждой теории утверждается, что она объясняет явление адгезии, в действительности же любая из предложенных теорий имеет дело лишь с одним определенным аспектом сложного явления. Таким образом, объединенная теория была бы более корректной и полезной. В настоящее время известны механическая теория, адсорбционная, электрическая, диффузионная, химическая, электрорелаксационная теория адгезии, а также некоторые другие концепции, по-разному трактующие механизм адгезии.

Ниже буду рассмотрены некоторые наиболее обоснованные теории адгезии.

Адсорбционная теория адгезии

Адсорбционная теория (называемая также адсорбционно-молекулярной, или молекулярной) рассматривает адгезию как результат проявления сил молекулярного взаимодействия между контактирующими молекулами адгезива и субстрата. Поэтому важно, чтобы адгезив и субстрат обладали полярными функциональными группами, способными к взаимодействию, как это следует из правила полярности. Высокая адгезия не может быть достигнута между полярным субстратом и неполярным адгезивом или между неполярным субстратом и полярным адгезивом[6].

Адсорбционная теория адгезии делит процесс образования адгезионной связи на две стадии. Первая стадия - «транспортирование» молекул адгезива к поверхности субстрата. Повышение температуры и давления, введение пластификатора, применение растворителей - все эти факторы облегчают протекание первой стадии процесса и способствуют достижению контакта между молекулами адгезива и субстрата. Растекаясь по твердой поверхности, адгезив должен проникнуть в многочисленные поры, щели и капилляры, скорость заполнения которых зависит не только от их геометрических размеров и вязкости адгезива, но также и от смачивающей способности и поверхностного натяжения. Чем полнее смачивание, тем меньше воздушных пузырьков останется в микроуглублениях поверхности на границе раздела с адгезивом и тем выше может быть в конечном итоге прочность адгезионного соединения. Смачивание и растекание адгезива по поверхности субстрата сопровождается поверхностной диффузией и миграцией молекул адгезива по поверхности. Эти процессы в той или иной степени являются подготовительными. Вторая стадия начинается, как только расстояние между молекулами станет меньше 5Å. Между молекулами адгезива и субстрата начинают действовать молекулярные силы. Постепенно наступает адсорбционное равновесие[6].

Наиболее существенное достижение в изучении адгезии - установление четкой взаимосвязи между количеством функциональных групп в адгезиве и величиной адгезионной прочности. При систематическом исследовании большого числа различных объектов было обнаружено, что кривая зависимости адгезионной прочности от содержания в адгезиве функциональных групп имеет четко выраженный максимум.

Химическая теория адгезии

Химическая теория адгезии исходит из того, что на границе раздела адгезив - субстрат возможно образование межфазных химических связей. Энергия химической связи обычно составляет около 80 ккал/моль, в то время как энергия вандерваальсова взаимодействия всего 2,5 ккал/моль, и поэтому естественно, что образование химических связей в поле межфазного контакта будет эффективно способствовать адгезии. Тот факт, что наличие химической связи в огромной степени увеличивает адгезионную прочность, был доказан экспериментально. Было установлено, что в результате образования химической связи адгезионная прочность возрастает примерно в 35 раз по сравнению с вандерваальсовым взаимодействием, что соответствует соотношению между энергиями этих связей. Функциональные группы с высокой реакционной способностью - карбоксильные, аминные, амидные, гидроксильные, эпоксидные и изоцианатные - способствуют адгезии на различных субстратах[7].