Влияние микроцеллюлозы на физико

УДК 678.686 +661.728.7)
Д. Л. Старокадомский1, к.х.н, С.В. Шульга2, к.х.н, В.М. Огенко2 д.х.н., член-корр. НАНУ
1
2
Институт Химии Поверхности им. А.А. Чуйко НАН Украины
Институт Общей и Неорганической Химии им. В.И. Вернадского НАН Украины
ВЛИЯНИЕ МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ НА
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭПОКСИКОМПОЗИТОВ.
Повідомляються результати досліджень по впливу мікрокристалічної целюлози на
властивості епоксикомпозитів. Обговорюються питання залежності деформації наповнених
зразків та їх міцності при механічному впливі від концентрації та складу наповнювача.
Рассмотрены результаты исследований влияния микрокристаллической целлюлозы на
свойства эпоксикомпозитов. Обсуждены вопросы зависимости деформации наполненых
образцов и их прочности от концентрации и вида наполнителя.
The effect of аdditive microcrystalline cellulose on physical and mechanical properties of
epoxy-composites was investigated. The dependence of the deformation of samples and their tensile
strength from the concentrations and type of fillers was discussed.
Ключові слова: мікрокристалічна целюлоза, поліепоксид, епоксикомпозит, наповнювач.
Микро и нано-размерные наполнители в эпоксикомпозитах позволяют в широком
диапазоне менять свойства конечного материала. Такие добавки влияют на прочность,
износостойкость, химическую и термическую устойчивость изделий и покрытий 1-5. Нами
исследован новый перспективный наполнитель для полиэпоксидных композитов. Показано,
что добавки микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) и химически модифицированной
МКЦ способствуют уменьшению хрупкости эпоксиполимерного композита при испытаниях
на сжатие, повышению прочности на разрыв, а также снижению усадки.
Поскольку продукт полимеризации ЭД-20 содержит значительное количество
гидроксильных групп1 (как и поверхность целлюлозы) и мостиковых атомов кислорода взаимодействие в системе «эпоксидный полимер / МКЦ» имеет как нековалентную
составляющую - кроме присутствующих в такой системе, водородных связей, в случае
применения модифицированной целлюлозы связь полимер/наполнитель упрочняется за счет
стекинга и других слабых взаимодействий (рис.1), также существует возможность прямой
сшивки полимера через мостиковые группы5.
OH
Целлюлоза
OH
O
O
HO
Целлюлоза модифицированная
O
HO
O
Водородные связи
H
H
O
O
O
O
O
n
Водородные связи
H
H
O
O
O
стекинг
H
O
H
n
O
O
O
Полиэпоксид
Полиэпоксид
n
Рис 1. Схема возможных взаимодействий в системе полиэпоксид - целлюлоза
n
Исследования показали, что ненаполненные образцы сравнения отличаются хрупким
разрушением с образованием осколков стеклообразного типа. В образцах с
микроцеллюлозой характер разрушения другой - типичный для композитного материала с
малыми сколами. Ещё более цельным оказывается композит, наполненный
гидрофобизированной целлюлозой.
Значительные изменения физико-механических свойств проявляются при повышении
наполнения до 30 мас% (табл.1). В этом случае существенно растет адгезионная прочность
на отрыв, при этом композитный материал приобретает высокую сопротивляемость к
раздиру и прочно удерживается на поверхности подложки (с трудом отделяется от
металлической пресс-формы).
№ Наполнитель,
(мас% содержания)
1 Образец сравнения
(0%наполнителя).
2 «МКЦ-150», 5%
3 «МКЦ-20-Г» 30%
Разрушающая нагрузка О, кгс/см2
∆ O (%)
460 – 510 -575 – 720 - 760 – 880
Осреднее
(кгс)
700
475 – 620 – 665 – 720 - 750
590 - 625 – 785 -800 -825 - 865
688
780
-1
+13
0
Таблица 1. Значения разрушающей нагрузки (при площади склейки стальных грибков 4.9
см2) на отрыв.
Данные испытаний (табл 1.) приведены для образцов МКЦ со средним размером зерна
150 мкм (МКЦ-150) и гидрофобизированной целлюлозой со средним размером зерна 20 мкм
(«МКЦ-20-Г»), курсивом указывается отбрасываемое при усреднениях значение нагрузки.
Таким образом, наполненные целлюлозой композиты не разрушаются хрупким
образом (отсутствует разлет осколков), обладают порогом текучести;
происходит
пластификация и, под нагрузкой, пластическая деформация материала. Методом оптической
микроскопии исследована поверхность сколов эпоксикомпозитов после их разрушения,
показана зависимость деформации исследуемых материалов при механических нагрузках от
процентного содержания и вида наполнителя.
Литература:
1. Старокадомский Д.Л. О влиянии содержания не модифицированного нано-дисперсного
кремнезёма различной удельной поверхности на физико-механические свойства эпоксиполимерных композитов. // Журнал Прикладной Химии. 2008. - №12. – С.2045-2051.
2. В.А. Лиопо, В.А. Струк, С.В.Авдейчик. К механизму действия допинговых наноразмерных
модификаторов в полимерной матрице. // Пластические массы. – 2007. – №8. –С.36-39.
3. В.А. Герасин, А.К. Антипов, В.В. Карбушев и др. Новые подходы к созданию гибридных
полимерных нанокомпозитов: от конструкционных материалов к высокотехнологичным
применениям. //Успехи Химии. – Т.82. - №4.( 2013) С.289-392
4. N. Greef, L. Gorbatikh, A. Godara, L. Mezzo, S.V.Lomov, I. Verpoest. The effect of carbon
nanotubes on the damage development in carbon/fiber epoxy composites // Carbon 49 (2011) 46504664.
5. Pei-Yu Kuo, N.Yan, M.Sain. Influence of cellulose nanofibers on the curing behavior of
epoxy/amine systems.// European Polymer Journal 49 (2013) 3778-3787.