• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
23 мая
ИФХЭ РАН
170

В ИФХЭ РАН изучили структурообразование в неотвержденной смеси из эпоксида, растворителя и термопласта

4.3

Ученые лаборатории структурно-морфологических исследований ИФХЭ РАН изучили фазовые равновесия, взаимодиффузию и структуру неотвержденной смеси из трех компонентов: эпоксидного олигомера, активного разбавителя алкилглицидилового эфира и полисульфона (термопластичного полимера, добавляемого для увеличения трещинностойкости системы). Экспериментально методом оптической интерферометрии построены тройные фазовые диаграммы в диапазоне температур от 40 до 180 градусов и рассчитаны термодинамические параметры смешения. На фазовых диаграммах определены критические точки и области, в которых смесь обладает гомогенными и гетерогенными свойствами. Полученная информация необходима для определения концентрационных диапазонов, определяющих конечный тип фазовой структуры отвержденной композиции. Это позволит технологам регулировать структуру материала (матрица-дисперсия, взаимопроникающие фазы или инвертированная матрица дисперсия) на основании информации о смешении компонентов, не прибегая к скрининговым рутинным экспериментам.

Фазовую структуру полимерного материала назвали причиной его уникальных физико-химических свойств / © Douglas Bagg, unsplash.com

В процессе химического отверждения эпоксидных олигомеров, модифицированных термопластами, образуется гетерогенная фазовая структура. Эта структура определяет физико-механические свойства полученного материала.

Для определения концентраций и технологических режимов, ведущих к образованию требуемой фазовой структуры, ученым необходимо предварительно получить информацию о фазовых равновесиях в исходных неотвержденных многокомпонентных полимерных системах.

На этапе смешивания компонентов необходимо понять, как именно они взаимодействуют и какую структуру создают. Например, в одних случаях при смешивании возникает гомогенная смесь, в которой компоненты полностью растворяются друг в друге, как при смешивании желтой краски с красной получается оранжевый цвет. Может сформироваться гетерогенная структура; в ней, как в узоре в горошек, в компоненте-матрице присутствуют включения второго компонента.

«Но самой интересной, обладающей уникальными свойствами, является структура с взаимным проникновением фаз, – рассказала один из авторов работы, ведущий научный сотрудник лаборатории, кандидат химических наук Ульяна Никулова. – Эта структура похожа на картину, написанную акварелью «по-мокрому», когда две краски, перетекая друг в друга, образуют не новый цвет, а нерукотворный узор. Для получения требуемых эксплуатационных характеристик мы должны сформировать нужный тип фазовой структуры». В работе исследовались сочетания из квазибинарных смесей, в которых два компонента рассматриваются как один и смешиваются с третьим.

В предварительных экспериментах ученые выяснили, как компоненты взаимодействуют друг с другом попарно — эпоксидная смола с активным разбавителем, полисульфон с активным разбавителем и эпоксидная смола с полисульфоном. Чтобы убедиться в том, что бинарная смесь при взаимодействии с третьим компонентом представляет собой гомогенную систему, для каждой пары были экспериментально получены температурные зависимости показателей преломления света. Линейная форма зависимости свидетельствует о гомогенности.

Эксперименты показали, что эпоксид и активный разбавитель алкидглицидиловый эфир при смешивании образуют гомогенный раствор; то же самое относится к эпоксиду и полисульфону. Однако на фазовой диаграмме смеси полисульфона и алкидглицидилового эфира наблюдается гетерогенная зона; смесь будет гомогенной только в области, где концентрация полисульфона значительно превосходит концентрацию активного разбавителя.

Фазовые диаграммы строились классическим методом оптической интерферометрии, который был применен к изучению полимерных и олигомерных растворов доктором химических наук А.Е. Чалых (в настоящее время — академик РАЕН) в этой лаборатории в 1960-х годах. В основу метода заложено смешение полимеров в тонком слое и изменение оптических свойств пленки в области смешения. Луч лазера создает на тонкой полимерной пленке интерференционные кривые, на основе которых определяются точки фазовой диаграммы. Для оптически прозрачных полимеров это один из наиболее достоверных и надежных (но требующих высокой квалификации оператора) методов построения фазовых диаграмм.

Измерения производились в диапазоне температур от 40 до 180 градусов с шагом 20 градусов для систем, пришедших в равновесное состояние. «Скорость диффундирования, т. е. проникновения компонентов друг в друга, – очень важный параметр, определяющий технологическое время перемешивания. В каких-то случаях для достижения равновесия требуются секунды, в каких-то — минуты, часы или сутки, – объяснила Ульяна Никулова. – Шаг по температуре подбирается в предварительных экспериментах индивидуально для каждой конкретной системы. Если шаг слишком большой, то изменения в системе могут быть зафиксированы с большой погрешностью. Это отразится на технологическом процессе».

В результате экспериментов была построена фазовая диаграмма для тройной неотвержденной смеси, в которую входили эпоксидная смола, активный разбавитель и полисульфон. На этой фазовой диаграмме можно определить, где находится область взаимопроникновения фаз, или, для начала, где находится гомогенная область. При введении отвердителя в гомогенную смесь, эпоксидная смола начнет «сшиваться». Структура системы перестанет быть гомогенной.

«В дальнейших экспериментах мы будем смотреть, какие изменения произойдут в системе при введении отвердителя, как при химическом отверждении будет развиваться процесс структурообразования, и в какую концентрационную область будет смещаться гетерогенная зона на фазовой диаграмме. Так мы сможем определить концентрации компонентов смеси, при отверждении которой будет сформирована структура взаимного проникновения фаз», – подвела итог Ульяна Никулова.

Эпоксидные полимеры отличаются рядом положительных качеств: незначительной усадкой при отверждении, коррозионной стойкостью, небольшим термическим расширением, меньшим весом при достаточно больших твердости и прочности. Эпоксидная смола обладает высокой адгезией к различным поверхностям. При отверждении эпоксидов не выделяются летучие вещества. Отвержденный полимер хорошо поддается обработке. Высокая реакционная способность эпоксидной группы позволяет применять различные отвердители.

Благодаря этому экологичные и технологичные в производстве эпоксидные полимеры используются при ремонте, в качестве компонентов герметизирующих составов, красок, лаков, и самостоятельных материалов для создания деталей, которым необходимы коррозионная стойкость и прочность при малом, по сравнению с неполимерными материалами, весе. На протяжении многих лет эпоксиды активно использовались в качестве матриц для полимерных композиционных материалов с высокими механическими характеристиками. Однако эксплуатационных характеристик чистых эпоксидных материалов недостаточно для работы при больших нагрузках. Поэтому эпоксиды модифицируют особыми полимерами – жесткоцепочечными термопластами, такими как полисульфон (PSU), полиэфирсульфон, полиэфиримид, полиэфирэфиркетон и другими. Добавление таких термопластов одновременно повышает теплостойкость и увеличивает трещиностойкость материала.

Недостаток термопластов состоит в том, что при их добавлении увеличивается вязкость смеси и, следовательно, затрудняется перемешивание компонентов. Поэтому в эпокси-термопластичную смесь добавляется активный разбавитель, уменьшающий вязкость и улучшающий технологические качества смеси. Трехкомпонентная система из эпоксидного олигомера, термопласта и активного разбавителя после химического отверждения создает функциональный полимерный материал с уникальными физико-механическими характеристиками. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук — один из ведущих химических институтов Российской академии наук. Насчитывает более 800 сотрудников, среди которых 7 академиков, 9 членов-корреспондентов РАН, более чем 100 профессоров и 260 кандидатов наук. Проводимые в ИФХЭ РАН фундаментальные и прикладные исследования характеризуются многопрофильностью и включают следующие научные направления: поверхностные явления в коллоидно-дисперсных системах, адсорбция, физико-химическая механика; супрамолекулярные и наноразмерные системы для использования в современных высоких технологиях; химическое сопротивление материалов, защита металлов и других материалов от коррозии и окисления; химия и технология радиоактивных элементов, радиоэкология и радиационная химия; электрохимия. Успехи сегодняшних исследований опираются на уникальную экспериментальную базу Центра Коллективного Пользования, позволяющую решать практически любую задачу физико-химического исследования вещества или свойств его поверхности разнообразными современными методами. В их числе: электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ, рентгеноструктурный анализ, рентгеновское малоугловое рассеяние, атомно-адсорбционный анализ, эллипсометрия, аннигиляция позитронов, хромато-масс-спектрометрия, инфракрасная, рамановская, фотоэлектронная, электронная спектроскопия, ядерный магнитный резонанс.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Позавчера, 10:45
Юлия Трепалина

Губки из меламина стали популярными благодаря своим хорошим чистящим свойствам. Работая, подобно мелкой наждачной бумаге, они даже без моющих средств справляются со стойкими загрязнениями на поверхностях вроде следов маркера и въевшихся пятен. Однако в процессе использования меламиновые губки изнашиваются и теряют волокна микропластика. Из-за этого китайские ученые увидели в них ранее неучтенный источник потенциально вредных выбросов.

6 часов назад
Александр Березин

Восемьдесят лет назад началось наступление советских войск в Белоруссии — операция «Багратион». Дальше случилось нечто крайне необычное: Ставка рассчитывала ударить на 150-200 километров в глубину. Но в итоге наступать пришлось на 600 километров. Почему немецкий фронт так быстро развалился, хотя войска Гитлера в 1944 году были материально обеспечены лучше, чем когда-либо еще во Второй мировой войне? И отчего Красная армия не смогла до конца воспользоваться плодами своих побед?

21 июня
Александр Березин

Разные группы ученых предсказывали существование реликтовых гравитационных волн еще десятки лет назад. Однако, когда такое открытие в 2020-х годах действительно сделали, оказалось, что обнаруженные гравиволны несовместимы практически со всеми конкретными предсказаниями, кроме одного.

21 июня
Nadya

Земля начала формироваться примерно 4,5 миллиарда лет назад. Чтобы понять, как это происходило в ранние периоды развития нашей планеты, ученые ищут образцы древних горных пород. Одну из таких, возрастом почти 3,5 миллиарда лет, обнаружили рядом с городом Колли в Австралии.

20 июня
МПСУ

Эмоциональное выгорание ИТ-специалиста напрямую связано с его личностными характеристиками. С профессиональными перегрузками и стажем связи нет. К такому выводу пришли ученые МПСУ, которые исследовали ИТ-специалистов двух компаний. Жизнестойкость, то есть способность человека выдерживать стрессовые ситуации без снижения успешности деятельности, в совокупности с внутренней положительной мотивацией формируют иммунитет к эмоциональному выгоранию специалиста в ИТ-сфере. Блокаторами стали интерес к работе и профессиональная удовлетворенность.

Позавчера, 10:45
Юлия Трепалина

Губки из меламина стали популярными благодаря своим хорошим чистящим свойствам. Работая, подобно мелкой наждачной бумаге, они даже без моющих средств справляются со стойкими загрязнениями на поверхностях вроде следов маркера и въевшихся пятен. Однако в процессе использования меламиновые губки изнашиваются и теряют волокна микропластика. Из-за этого китайские ученые увидели в них ранее неучтенный источник потенциально вредных выбросов.

21 июня
Nadya

Земля начала формироваться примерно 4,5 миллиарда лет назад. Чтобы понять, как это происходило в ранние периоды развития нашей планеты, ученые ищут образцы древних горных пород. Одну из таких, возрастом почти 3,5 миллиарда лет, обнаружили рядом с городом Колли в Австралии.

27 мая
Андрей

Европейские гляциологи, используя первые снимки Восточной Антарктиды 1937 года, а также фотографии середины XX века и современные спутниковые данные, отследили, как менялись ледники в этом регионе на протяжении 85 лет.

10 июня
Александр Березин

Исследователи из США выяснили, что примерно два миллиона лет назад Солнечная система захватила хвост облака холодного межзвездного газа. В результате гелиосфера сильно сжалась, дав галактическим лучам свободно облучать все планеты системы. Это должно было вызвать и серьезные проблемы с климатом.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно