Износостойкость трибореактопластов на основе отвержденных эпоксидных смол

Содержание.

Введение…………………………………………………………………3

1. Состав и структура исходных и отвержденных эпоксидных смол…………………………………………………………………4

1.1. Синтез эпоксидных смол…………………...……………………4

1.2. Состав эпоксидных смол………………………………………...6

1.3. Механизмы отверждения эпоксидных смол и виды отвердителей……………………………………………………..9

1.4. Топологическая и глобулярная структуры отвержденной эпоксидной смолы……………………………………………...21

2. Износостойкость трибореактопластов на основе отвержденных эпоксидных смол…………………………………………….……26

2.1. Особенности изнашивания модифицированных эпоксиполимеров, наполненных и армированных эпоксипластов…………………………………………………..26

2.2. Способы регулирования износостойкости трибореактопластов на основе отвержденных эпоксидных смол…………………..30

2.2.1. Физико-химические методы регулирования износостойкости эпоксидных полимеров………………………………………...31

2.2.2. Влияние органических модификаторов на износостойкость эпоксипластов……………………………………………….….34

2.2.3. Влияние дисперсных наполнителей на износостойкость эпоксипластов…………………..………………………………37

2.2.4. Износостойкость армированных эпоксипластов……………..43

3. ИК – спектроскопия для изучения износостойких трибореактопластов на основе отвержденных эпоксидных смол………………………………………………………………..49

3.1. Физические основы метода…………………………………….49

3.2. Аппаратура и приготовление образцов……………………….54

3.3. Применение ИК – спектроскопии……………………………..58

Заключение…………………………………………………………….68

Литература……………………………………………………………..72

Введение.

К эпоксидным смолам относят мономеры, олигомеры или полимерные растворы- соединения, содержащие не менее двух эпоксидных или глицидиловых групп, которые расположены на концах и вдоль основной цепи молекулы, либо в кольце алицикла.

Благодаря высокой реакционной способности эпоксидных и гидроксидных групп в качестве отвердителей эпоксидных смол можно использовать различные соединения. Так как отвержденные эпоксидные смолы обладают высокими технологическими и физико-механическими свойствами, их можно использовать в качестве основы износостойких трибореактопластов.

Цель работы: износостойкие трибореактопласты на основе отвержденных эпоксидных смол.

Для понимания темы данной работы необходимо рассмотреть и проанализировать основные задачи по следующим разделам.

В первом разделе рассматривается получение и состав исходных компонентов эпоксидных смол, механизмы отверждения эпоксидных смол и основные три вида отвердителей: амины, соединения содержащие гидроксильные и фенольные группы, ангидриды кислот. Приводится молекулярная и надмолекулярная структура отвержденных эпоксидных смол.

Во втором разделе основное внимание уделено металоведческим способам регулирования износостойкости трибореактопластов на основе отвержденных эпоксидных смол.

В третьем разделе отражено применение ИК–спектроскопии для изучения износостойких трибореактопластов.

1. Состав и структура эпоксидных смол.

1.1. Синтез эпоксидных смол.

Эпоксидные олигомеры и смолы в подавляющем большинстве случаев синтезируют реакцией замещения эпихлоргидрина с многоатомными спиртами и фенолами или многоатомными аминами - соединениями содержащими активный атом водорода. Эпихлоргидрин взаимодействует по эпоксидной группе с активным атомом водорода. Образующийся хлоргидрин под действием основания подвергается дегидрохлорированию с образованием эпоксидной группы в глицидиловом производном, которая реагирует с активным атомом водорода другой молекулы и так далее. При дегидрохлорировании HCl связывается основанием (NaOH). Например:

В роли катализатора используют: основания, кислоты, соли металлов: n=0 – 3. Если реакцию проводить в присутствии кислоты на концах молекул остаются хлоргидриновые группы. Поэтому для осуществления дегидрохлорирования добавляют щелочи.

Молекулярная масса эпоксидных смол определяется соотношением исходных соединений. Из-за протекания побочных реакций и из-за обратимости дегидрохлорирования, обуславливающий наличие 1,2-хлоргидриновых групп, количество эпоксидных групп в молекуле эпоксидных смол всегда меньше теоретического.

Наиболее распространены в производстве трибореактопластов диановые эпоксидные смолы на основе дифенилолпропана общей формулы:

В зависимости от условий проведения реакции меняется соотношение мономера и олигомеров с различным числом звеньев, а, следовательно, средняя молекулярная масса смолы, процентное содержание эпоксидных групп («Эпоксидное число») и вязкость. Реакция происходит по следующим стадиям:

По мере удлинения цепи снижается процентное содержание эпоксидных и возрастает число гидроксильных групп в смеси олигомеров.

При получении низкомолекулярных диановых смол молекулярной массой 350-450, раствор дифенилолпропана (1 моль) в эпихлоргидрине (8-10 моль) нагревают до кипения и постепенно (5-8 часов) добавляют к нему 40%-ный водный раствор (2,2 моль). При этом непрерывно отгоняют воду в виде азеотропной смеси с эпихлоргидрином, который после отделения воды возвращают в реактор. После окончания процесса не прореагировавший эпихлоргидрин отгоняют под вакуумом. Эпоксидные смолы растворяют в толуоле, толуольный раствор промывают водой для удаления. Потом толуол отгоняют сначала при атмосферном давлении, потом под вакуумом при температуре до 140-1500С.

Смолы с молекулярной массой 500-1000 получают таким же способом, но при молярном соотношении дифенилолпропан: эпихлоргидрин, равном 1:(1,5-1,9), процесс ведут в среде растворителя (ксилол или толуол).

Эпоксидные смолы с молекулярной массой 1000-3500 синтезируют взаимодействием низкомолекулярной эпоксидной смолы с дифенилопропаном в расплаве 140-2100С или дифенилолпропана с эпихлоргидрином в присутствии щелочи в гетерогенных условиях в системах вода - органический растворитель (бутанол) при 70-80С. Во втором случае в меньшей степени протекают побочные реакции, получаемые эпоксидные смолы имеют более узкое молекулярно - массовое распределение, сравнительно узкий интервал эпоксидных чисел, отличаются более светлым цветом.

1.2. Состав эпоксидных смол.

В зависимости от количества эпоксидных групп в составе олигомеров, эпоксидные олигомеры и смолы делят на ди-, три-, тетра и полиэпоксиды.

Среди диэпоксидов наибольшее распространение получили продукты взаимодействия эпихлоргидрина с дифенилолпропаном:

Триэпоксиды обычно синтезируют реакцией эпихлоргидрина с пирогаллолом или аминофенолом. Мономеры имеют следующую структуру:

(триэпоксид - п – аминофенола)

Мономеры тетраэпоксидов имеют следующую структуру:

(тетраэпоксид диаминодефенил метана или тетраэпоксид)

Чтобы придать полимеру способность к самозатуханию в структуру эпоксида вводят сульфогруппу - или атомы галогенидов, например:

(олиго – тетраэпоксид диаминодифенилсульфона)

Полиэпоксид получают эпоксидированием новолачных смол:

Полиэпоксид ортоноволака ЭМ-6, УП-642, УП-643, ЭН - смолы, отличающиеся друг от друга молекулярной массой и количеством эпоксидных групп. В таблице 1 приведены данные об эпоксидных смолах различного типа.

Таблица 1.

Наименование и состав промышленных эпоксидных смол [1].

№

Химическое

название Промышленное название Исходное сырьё Содержание эпоксидных смол (%) Вязкость

Спз*10-3

(при Т0С)

1 Олиго- диглицидиловые эфиры дифенил пропана ЭД-24

ЭД-22

ЭД-20

ЭД-16

ЭД-14

ЭД-10

ЭД-8 Эпихлоргидрин + дифенолпропан (бисфенол А) 23,5

22,1-22,3

19,9-22,0

16,0-18,0

13,9-15,9

10,0-13,0

8,0-10,0 6-10

7-12 (20)

12-25 (20)

3-20 (50)

20-40 (50)

-

-

2 Олиго- диглицидиловые эфиры резорцина РЭС-3

УП-657 Эпихлоргидрин + резорцин

30

1-0,5 (25)

3 Олиго- диглицидиланилин ЭА Эпихлоргидрин + анилин 31 0,3-0,5 (25)

4 Олиго- диглицидил овые эфиры фтале вой кислоты ДТФ-22 Эпихлоргидрин + фталевая кислота - -

5 Олиго- диглицидил нафталин УП-633 Эпихлоргидрин + нафталин - -

6 Олиго диглициди ловый эфир метилтетрагидрофталевой кислоты УП-640 Эпихлоргидрин + метилтетрагидрофталевая кислота 23,5-24,0 1-1,5 (25)

7 Олиго-триглицид