• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
23 мая
ИФХЭ РАН
171

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
Предстоящие мероприятия
12 часов назад
Игорь Байдов

Ученые из Китая и Бельгии воссоздали в лаборатории условия, существовавшие на Меркурии четыре миллиарда лет назад, и выяснили, что они были идеальными для образования слоя алмазов, который с течением времени становился лишь толще.

Вчера, 13:10
Полина Меньшова

Хотя доступ к словам, синтаксическим структурам и нелингвистическим символам способен облегчить некоторые когнитивные процессы, язык вряд ли можно считать основой любой формы мышления. К такому выводу пришли ученые из США, проанализировав данные исследований за последние 20 лет.

Вчера, 10:10
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
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.

12 часов назад
Игорь Байдов

Ученые из Китая и Бельгии воссоздали в лаборатории условия, существовавшие на Меркурии четыре миллиарда лет назад, и выяснили, что они были идеальными для образования слоя алмазов, который с течением времени становился лишь толще.

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.

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