Исследование изменения механических и акустических свойств эпоксидных смол при большом времени полимеризации

Исследованы изменения кривых механическое напряжение-деформация и скорости звука продольных волн для эпоксидной смолы ЭД-20 с различными содержаниями отвердителя полиэтиленполиамина (ПЭПА) и пластификатора диэтиленгликоля (ДЭГ) для времени отверждения от одних до 30 суток. Полученные зависимости приложенной силы от абсолютной величины растяжения для образцов с различным содержанием ПЭПА и разным временем отверждения позволяют разделить состояние образца на три типа: высокоэластичное; не полностью отвержденное; стекловидное полностью отвержденное. Определены параметры, характеризующие каждое состояние. Для всех образцов процесс полимеризации продолжается при времени отверждения 24 – 720 ч. Акустические измерения проводили импульсным методом с помощью автоматизированной измерительной системы. Приведены зависимости продольной скорости звука от времени отверждения для образцов с различными содержаниями ПЭПА и пластификатора ДЭГ. На исследуемом интервале времени отверждения скорость звука изменялась значительно меньше, чем статический модуль Юнга. Особенностью зависимостей скорости звука от времени отверждения является наличие «излома» в интервале примерно от 20 до 180 ч. Из полученных данных сделан вывод, что участку быстрого роста скорости звука соответствует переход из высокоэластичного состояния в стеклообразное твердое. Экспериментальное исследование физических свойств составов на основе смолы ЭД20 с концентрацией отвердителя меньше стандартного позволяет при больших временах отверждения достаточно детально изучить динамику процесса полимеризации после перехода из гелеобразного состояния в твердое. Показано, что процесс отверждения продолжается достаточно длительное время в твердом состоянии. Наблюдаемые особенности на зависимостях скорости звука от времени отверждения связанны с формированием 3D-структуры при переходе из высокоэластичного состояния в твердое стеклообразное. При этом значения продольной скорости звука могут быть индикатором степени завершения процесса полимеризации готовых изделий из композиционных материалов на основе эпоксидной смолы, для которых измерения механических свойств могут быть затруднительны.

1. Ли Х., Невилл К. Справочное руководство по эпоксидным смолам. — М.: Энергия, 1973. — 415 с.

2. Ellis B. Chemistry and technology of epoxy resins. — Springer, 1993. — 344 p.

3. Крыжановский В. К., Николаев А. Ф., Бурлов В. В. Технология полимерных материалов: Синтез, модификация, стабилизация, рециклинг, экологические аспекты. — СПб.: Профессия, 2011. — 536 с.

4. May C. Epoxy resins: Chemistry and technology. — Boca Raton: Routledge, 2018. — 1288 p. DOI: 10.1002/pol.1988.140261212

5. Uflyand I. E., Irzhakb T. F., Irzhakb V. I. Formation of fiber composites with an epoxy matrix: state-of-the-art and future development / Materials and manufacturing processes. 2021. Vol. 37. P. 723 – 747. DOI: 10.1080/10426914.2021.2016820

6. Jelić A., Sekulić M., Travica M., et al. Determination of mechanical properties of epoxy composite materials reinforced with silicate nanofillers using digital image correlation (DIC) / Polymers. 2022. Vol. 14. P. 1255. DOI: 10.3390/polym14061255

7. Liu F., Yu W., Wang Y., et al. Curing kinetics and thixotropic properties of epoxy resin composites with different kinds of fillers / Journal of Materials Research and Technology. 2022. Vol. 18. P. 2125 – 2139. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.03.102

8. Мурашов В. В. Определение прочностных характеристик полимерных композиционных материалов ультразвуковым методом / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2016. Т. 82. № 10. С. 47 – 55.

9. Федотов М. Ю., Будадин О. Н., Козельская С. О., Терентьев В. С. Методы одновременного контроля деформации и температуры композитных конструкций волоконно-оптическими датчиками / Конструкции из композиционных материалов. 2020. № 2(158). С. 44 – 51.

10. Lyudogovskii P. L., Naumov A. V., Ul’yanova N. V. Integration of modern methods and means of control in technology of manufacturing the composite products / Russian Aeronautics. 2020. Vol. 63. N 2. P. 334 – 338. DOI: 10.3103/S106879982003037X

11. Mark H. F., Bikales M., Menges O. Encyclopedia of polymer science and engineering. Vol. 1. 2nd edition. — New York: Wiley-Interscience, 1987. — 840 p.

12. Bornosuz N. V., Gorbunova I. Y., et al. The curing rheokinetics of epoxyphosphazene binders / Materials. 2020. Vol. 13(24): 5685. DOI: 10.3390/ma13245685

13. Куличихин С. Г., Горбунова И. Ю., Кербер М. Л., Самардуков Е. В. Реокинетика отверждения эпоксиаминной системы в области стеклования / Высокомолекулярные соединения. Серия Б. 1995. Т. 37. № 3. С. 533 – 536.

14. Сопотов Р. И. Связующие для композиционных материалов на основе эпоксидного олигомера, модифицированного смесями термопластов: дис. ... канд. техн. наук. — М., 2016. — 190 с.

15. Горбунова И. Ю., Кербер М. Л., Балашов И. Н. и др. Реокинетика отверждения и изменения свойств фенол-уретановой композиции. Сопоставление результатов, полученных различными методами / Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2001. Т. 43. № 8. С. 1331 – 1339.

16. Братасюк Н. А., Зуев В. В. Кинетика отверждения эпоксиуретановых композиций аминными отвердителями различной природы / Журнал прикладной химии. 2020. Т. 93. № 10. С. 1432 – 1445. DOI: 10.31857/S0044461820100047

17. Драчев К. А., Римлянд В. И., Савченко В. В. Автоматизированная измерительная система для проведения акустических измерений / Вестник ТОГУ. 2017. № 1(44). С. 13 – 20.

18. Мустафа Л. М., Исмаилов М. Б., Ермаханова А. М., Санин А. Ф. Исследование влияния пластификаторов и термопластов на механические свойства эпоксидной смолы и углепластика (Обзор) / Комплексное использование минерального сырья. 2019. № 4. С. 48 – 56. DOI: 10.31643/2019/6445.37

19. Rimlyand V. I., Starikova V. N., Bakhantsov A. V. Dynamics of mechanical, acoustical, and electrical properties of epoxy-amine compositions during cure / Journal of Applied Polymer Science. 2010. Vol. 117. P. 143 – 147. DOI: 10.1002/app.31870

20. Драчев К. А., Римлянд В. И., Сясина Т. В. Измерение скорости звука и коэффициента затухания в композиционных материалах на основе полимерных связующих с различной степенью армирования / Вестник ТОГУ. 2020. № 4(59). С. 47 – 53.