О ВЛИЯНИИ МЕЗОПОРИСТОГО КРЕМНЕЗЕМА НА СВОЙСТВА ЖЕСТКИХ ПОЛИУРЕТАНОВ, КОНТАКТИРУЮЩИХ С ВОДОЙ Волкова Е.Р.,Кондрашова Н.Б.,Лебедева И.И.

Институт технической химии УрО РАН


Номер: 7-1
Год: 2015
Страницы: 21-24
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

полиуретановый композит, мезопористый кремнезём, набухание, влагостойкость, polyurethane composite, mesoporous silica, swelling, moisture resistance

Научная статья

Аннотация к статье

Исследованы диффузионно-сорбционные свойства высокопрочных полиуретанов, модифицированных мезопористым кремнеземом с различной структурной организацией пор. Показано, что введение МСМ-48 в полиуретановый композит позволяет улучшить эксплуатационные свойства жестких полиуретанов, эксплуатируемых во влажных условиях.

Текст научной статьи

При разработке конструкционных полиуретанов (ПУ) необходимо учитывать, что в реальных условиях эксплуатации полимерные материалы находятся если не непосредственно в воде, то, как минимум, во влажной среде. В связи с этим, исследование влагостойкости и изучение диффузионно-сорбционных свойств полимерных композитов имеет важное прикладное значение на этапе формирования компонентного состава ПУ. Несмотря на гидрофобность и низкую сорбционную способность ПУ, вода или влага воздуха могут стать для них агрессивной средой, порождающей напряженно-деформированное состояние полимерной матрицы [1, 1160; 2, 896] и, как следствие, приводящей к изменению эксплуатационных свойств материала [3, 7]. Цель данной работы - исследование диффузионно-сорбционных свойств высокопрочных ПУ композитов низкотемпературного отверждения, предназначенных для эксплуатации в условиях Крайнего Севера и Арктики. В качестве объектов исследования рассмотрены высокопрочные быстроотверждающиеся полиуретановые композиции на основе полиизоцианата (ПИЦ) с содержанием NCO-групп 30.8 мас. % и смеси гидроксилсодержащих олигомеров Лапрол 402 : Лапрол 373 : Лапрамол 294 в мольном соотношении 0.2:0.6:0.2 без наполнителя (ПУ-1), модифицированные мезопористым кремнеземом (МК) МСМ-41 (ПУ-2) и МСМ-48 (ПУ-3) [4, 21; 5, 5]. В зависимости от условий синтеза МК имеет одномерную гексагональную (МСМ-41) или трёхмерную биконтинуальную (МСМ-48) структуру пор (вставка на рис. 2). В матрицу полимера наполнитель вводили в виде порошка в количестве 0.5 мас. %. Температура перемешивания реакционной массы и отверждения готовых образцов составляла 25±1 °С. Кинетику набухания образцов эластомеров определяли гравиметрическим методом [6, 301]. По экспериментальным данным строилась кинетическая кривая сорбции g(t) = m(t)/mE , где m(t) - масса поглощенной за время t жидкости; mE - предельная масса, которую исследуемый образец поглощает при достижении термодинамического равновесия со средой. Равновесную степень набухания вычисляли по уравнению, G = (m - m0)/m0 где m0 и m - масса полимера до и после набухания соответственно. Физико-механические характеристики ПУ (относительную критическую деформацию ε и модуль Юнга Е - напряжение при растяжении 1%-5%) определяли на универсальной машине INSTRON 3365 (Великобритания) при температуре 25±1 °С и скорости растяжения 0.056 с-1. На рис. 1 приведены кинетические кривые свободного набухания полиуретановых образцов в воде при температуре 25±1 °С. Рис. 1 - Экспериментальные кинетические кривые свободного набухания полиуретановых образцов в воде при температуре 25±1 °С Экспериментальное исследование диффузионной кинетики набухания полимерных покрытий проводилось с использованием математической модели, основанной на нелинейной теории механодиффузии [1, 1160]. Согласно этой теории, в случае слабонабухающих полимеров, поглощение растворителя (воды) протекает в режиме нормальной сорбции и коэффициент диффузии можно определить по начальному участку кинетической кривой набухания, построив ее в координатах (t, -ln(1-g)), с коэффициентом наклона k = Dπ2/4h2 (где D - значение коэффициента диффузии растворителя в конечном, равновесно набухшем состоянии образца, h - исходная толщина слоя) (рис. 2). Расчетные значения G, k и D представлены в табл. 1. Рис. 2 - Кинетические кривые набухания, представленные в логарифмических координатах. На вставках - структура пор МСМ-41 и МСМ-48 Таблица 1 Диффузионно-сорбционные параметры набухания полиуретановых композитов в воде Шифр образца G, % k × 106, с-1 D × 1012, м2/с ПУ-1 6.7 2.47 25.1 ПУ-2 8.2 3.00 30.5 ПУ-3 5.3 1.89 19.2 Из рис. 1, 2 и табл. 1 видно, что наполнители оказывают влияние как на степень набухания ПУ в воде, так и на значения коэффициентов диффузии. Причем, если использование МСМ-41 приводит к ухудшению этих параметров, то модификация ПУ МСМ-48 наоборот, позволяет снизить G и D в ~ 1.3 раза по сравнению с исходным, немодифицированным полимером. В табл. 2 приведены результаты физико-механических испытаний ПУ образцов до и после набухания в воде. Видно, что введение МСМ-48 позволяет повысить модуль Юнга и незначительно прочность ПУ, но при этом уменьшается деформация, т.е. материал становится более хрупким. Таблица 2 Влияние влаги на физико-механические свойства полиуретановых композитов Шифр образца Физико-механические характеристики, Т = 25 °С До набухания После набухания σр, МПа Е, МПа ε, % σр, МПа Е, МПа ε, % ПУ-1 56.6 500 15 24.8 240 17 ПУ-2 48.3 667 10 15.1 220 20 ПУ-3 57.3 628 11 37.4 766 17 Введение МСМ-41 приводит к ухудшению всех физико-механических показателей как до, так и после набухания ПУ в воде. Причинами таких изменений являются, во-первых, структурирование полимера в присутствии наполнителя [7, 4719; 8, 41], во-вторых, дефектность материала. Как показано в работе [4, 21], МСМ-48 является катализатором, а МСМ-41 ингибитором процесса гелеобразования в рассматриваемых ПУ системах, где качество и высокие прочностные характеристики материала определяются скоростью отверждения. Т.е в присутствии МСМ-41 не только замедляется реакция уретанообразования и процесс отверждения реакционной массы, но и увеличивается дефектность материала за счет побочной реакции взаимодействия NCO-групп отвердителя с ОН-группами воды или влаги воздуха, идущей с выделением СО2. И, наконец, на диффузионно-сорбционные свойства композита влияет структурная организация пор наполнителя (вставка на рис. 2). Гексагональные поры МСМ-41 выстраиваются в каналы, по которым вода частично проникает в сам наполнитель, в результате чего увеличивается коэффициент диффузии материала в целом. После выдержки в воде, свойства ПУ, модифицированных МСМ-48, оказываются более стабильными, чем аналогичные показатели исходного полимера.

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.