Влияние отвердителя на упруго-прочностные показатели эпоксидных полимеров, экспонированных в натурных условиях
Автор: Андронычев Д.О., Артамонов Д.А., Асташкин Е.Э., Базаева В.В., Кузнецов Н.М., Низин Д.Р., Чернов А.Н.
Журнал: Огарёв-online @ogarev-online
Статья в выпуске: 11 т.5, 2017 года.
Бесплатный доступ
Приведены результаты испытаний составов полимерных композитов на основе эпоксидных связующих, экспонированных в условиях воздействия натурных климатических факторов умеренного климата. Выполнен анализ изменения суммарной солнечной радиации и ультрафиолетовых излучений диапазонов А и В. Определено влияние длительности экспонирования и интенсивности актинометрических параметров на изменение упруго-прочностных характеристик полимерных композитов. Определены коэффициенты экспоненциального уравнения, описывающего изменение относительного предела прочности и удлинения эпоксидных композитов при растяжении.
Актинометрические параметры, длительность экспонирования, отвердители, относительное удлинение, полимерные композиты, предел прочности при растяжении, эпоксидные связующие
Короткий адрес: https://sciup.org/147249351
IDR: 147249351
Текст научной статьи Влияние отвердителя на упруго-прочностные показатели эпоксидных полимеров, экспонированных в натурных условиях
Полимерные композиционные материалы и покрытия на их основе все чаще находят применение в качестве защитно-декоративных покрытий строительных конструкций, в том числе работающих в условиях воздействия натурных климатических факторов [1–6]. При этом известно, что одним из главных недостатков полимерных композитов является их достаточно низкая стойкость к действию климатических факторов. Исследования в области старения полимеров [5; 7-15] демонстрируют, что большинство полимерных материалов существенно деградирует со временем. Старение полимерных материалов происходит под действием агрессивных факторов окружающей среды и сопровождается изменением химической и физической структур.
Известно, что свойства полимерных композитов, а также их стойкость в процессе экспонирования во многом определяется видом отверждающей системы [4; 6], что делает крайне актуальным оценку климатической стойкости полимерных материалов с выявлением наиболее эффективных отвердителей.
В данной работе при изготовлении полимерных составов использовалась эпоксидная смола ЭД-20 ( ГОСТ 10587-84), являющаяся одной из наиболее распространенных во множестве отраслей, в том числе и в строительной. Однако она обладает достаточно высокой вязкостью, что приводит к необходимости применения технологических решений, позволяющих повысить подвижность связующих на ее основе.
В качестве отвердителей использовались марки Этал-1440, Этал-1460 и Этал-45М производства АО «ЭНПЦ ЭПИТАЛ». Все используемые отвердители относятся к аминному типу, нетоксичны, предназначены для холодного отверждения, что является наиболее целесообразным при применении получаемых составов покрытий для повышения несущей способности и защиты строительных конструкций от агрессивных факторов.
Отвердитель Этал-1440 предназначен для отверждения эпоксидных смол и компаундов при температуре не ниже +5 оС, имеющих повышенные требования по теплостойкости. Не содержит летучие вещества и метафенилендиамин, рекомендуется для изготовления компаундов, устойчивых к перепадам температур от -40 до +150 оС. При совмещении с ЭД-20 обладают жизнеспособностью 2,5 часа и теплостойкостью по Мартенсу не менее 150 оС.
Отвердитель Этал-1460 предназначен для отверждения эпоксидных смол при температуре от 0 до +40 оС при любой влажности и под водой. По данным производителя, данный отвердитель обеспечивает высокую адгезию и рекомендуется для изготовления антикоррозионных покрытий, стойких к воздействию воды, кислот и щелочей.
Отвердитель Этал-45М предназначен для отверждения эпоксидных смол при температуре от -7 до +45 оС в условиях любой влажности; при совмещении со смолой ЭД-20 имеет в три раза большую жизнеспособность и значительно более низкую (около 60 оС) температуру экзотермической реакции по сравнению с композициями, отверждаемыми полиэтиленполиамином.
Основные показатели эпоксидных композитов в зависимости от вида используемого отвердителя приведены в таблице 1. Установлено, что наибольшей прочностью при растяжении обладает состав на основе отвердителя Этал-45М. Замена Этал-45М на Этал-1440 приводит к снижению прочностных показателей на 10,8%, на Этал-1460 – 20,4%. При этом наибольшее относительное удлинение при максимальной нагрузке (9,77%) зафиксировано для эпоксидного композита ЭД-20 + Этал-1440, наименьшее (8,18%) – для ЭД-20 + Этал-1460.
Таблица 1 Свойства эпоксидных композитов в исходном состоянии
Исследуемая характеристика |
Марка отвердителя |
||
Этал-1440 |
Этал-1460 |
Этал-45М |
|
Плотность, г/см3 |
1,63 |
1,57 |
1,64 |
Предел прочности при растяжении, МПа |
52,86 |
47,16 |
59,28 |
Относительное удлинение при максимальной нагрузке, % |
9,77 |
8,18 |
8,62 |
Натурные испытания исследуемых составов проводились на испытательной площадке Национального исследовательского Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарёва с 1 декабря 2014 года в течение 12 месяцев. Контрольными точками для измерения упруго-прочностных характеристик образцов были выбраны 45, 90, 180, 270 и 365 суток. Фиксация метеорологических (температура, относительная влажность воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра, осадки), экологических (концентрации загрязняющих веществ) и актинометрических (суммарная солнечная радиация и ультрафиолетовое излучение А (320-400 нм) и В (280-320 нм)) параметров осуществлялась с помощью автоматической станции контроля с частотой 20 и 10 минут в круглосуточном режиме [16].
Анализ изменения предела прочности исследуемых составов при растяжении показал (рис. 1), что наибольшее, практически монотонное, снижение свойств в течение 180 и 270 суток наблюдается для композитов, отверждаемых, соответственно, Этал-1460 и Этал-45М. На дальнейших временных этапах зафиксировано стабилизация свойств эпоксидных композитов. К концу исследуемого периода натурного экспонирования наблюдается снижение прочностных показателей на 60% для состава с отвердителем Этал-45М и на 69% – с Этал-1460.
Наибольшая стабильность свойств через 12 месяцев климатического воздействия в условиях умеренного климата (г. Саранск) зафиксирована для эпоксидного композита, отверждаемого Этал-1440; снижение предела прочности при растяжении в этом случае не превышает 34%.
Известно, что наибольшее агрессивное воздействие на полимерные композиционные материалы, как правило, оказывает УФ-облучение в интервале длин волн 300-400 нм
[5; 7; 8]. Под действием ультрафиолетового излучения разрушаются связи в молекулах полимерах, что является основной причиной негативного влияния солнечной радиации. В работе [17] показано, что наибольшее воздействие солнечная радиация оказывает в диапазоне 280÷2800 нм, а в особенности – ее ультрафиолетовая компонента в диапазоне 280÷320 нм. Видимая компонента поглощается полимерами, но относительно слабо, и обладает меньшей фотохимической активностью.

Рис. 1. Изменение относительного предела прочности эпоксидных композитов при растяжении в зависимости от длительности натурного экспонирования.
Изменение интенсивности актинометрических параметров (суммарной солнечной радиации и ультрафиолетовых излучений диапазона А и В) в течении 12 месяцев 2014-15 гг. представлено таблице 2. Установлено, что интенсивность суммарного солнечного воздействия и ультрафиолетового излучение диапазона А в весенние, летние и осенние сезоны повышается по сравнению с зимними месяцами, соответственно, в 5.01÷5.08, 6.01÷6.12 и 1.8÷2.11 раз. Суммарное ультрафиолетовое излучение диапазона В при этом для тех же исследуемых периодов по сравнению с зимним сезоном повышается в 15.4, 25.95 и 5.23 раза.
Для описания изменения относительного предела прочности эпоксидных композитов при растяжении в зависимости длительности экспонирования и актинометрических параметров использовалась экспоненциальная зависимость вида:
△я/аст. = exP(«X • ^О, (1)
где ах, рх - коэффициенты уравнения, зависящие от состава исследуемого композита; X -переменный фактор, отождествляемый в зависимости от вида анализируемых кривых с длительностью экспонирования (Т, сутки), суммарной солнечной радиацией (Q, МДж/м2) или суммарным ультрафиолетовым излучением диапазона А (UA, МДж/м2), В (UB, кДж/м2).
Значения актинометрических параметров в зависимости от месяца натурного экспонирования
Таблица 2
Месяц, год |
Актинометрический параметр |
||
Q, МДж/м2 |
UA, МДж/м2 |
UB , кДж/м2 |
|
декабрь, 2014 |
40,35 |
1,90 |
0,00 |
январь, 2015 |
65,56 |
3,51 |
9,90 |
февраль, 2015 |
123,60 |
6,60 |
46,50 |
март, 2015 |
332,80 |
16,56 |
178,62 |
апрель, 2015 |
336,95 |
17,93 |
227,76 |
май, 2015 |
497,18 |
25,57 |
462,00 |
июнь, 2015 |
495,30 |
25,87 |
537,18 |
июль, 2015 |
491,08 |
25,62 |
525,54 |
август, 2015 |
420,79 |
20,72 |
400,74 |
сентябрь, 2015 |
300,50 |
13,18 |
220,98 |
октябрь, 2015 |
135,82 |
5,95 |
62,70 |
ноябрь, 2015 |
47,21 |
2,47 |
11,46 |
Графические зависимости, описывающие изменение относительного предела прочности исследуемых составов при растяжении в зависимости от суммарной солнечной радиации представлены на рисунке 2.

Суммарная солнечная радиация, МДж/м2 Вид отвердителя:
жЭтал-1440Н
■ Этап-1460
о Этал-45М
Рис. 2. Изменение относительного предела прочности эпоксидных композитов при растяжении в зависимости от интенсивности суммарной солнечной радиации.
Зависимость (1) также использовалась для описания изменения в процессе натурного климатического воздействия и относительного удлинения эпоксидных композитов при максимальной растягивающей нагрузке (см. рис. 3).

Суммарная солнечная радиация, МДж/м2
Вид отвердителя:
жЭтал-1440Н ■Этап-1460 оЭтал-45М
Рис. 3. Изменение относительного удлинения эпоксидных композитов при растяжении в зависимости от интенсивности суммарной солнечной радиации.
Значения коэффициентов аппроксимирующих зависимостей и коэффициентов детерминации R2 приведены в таблице 3.
Таблица 3
Значения коэффициентов уравнения (1), описывающего влияние длительности экспонирования (Т) , интенсивности суммарной солнечной радиации (Q) и ультрафиолетовых излучений диапазона А ( Н А ) и В ( U B) на прочностные и деформативные характеристики эпоксидных композитов ЭК, экспонированных в умеренном климате (г. Саранск)
Вид отвердителя |
Коэффициенты уравнения |
Значения коэффициентов уравнения (1) в зависимости от варьируемых факторов |
||
а х |
рх |
R2 |
||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Относительный предел прочности при растяжении |
||||
Этал-1440 |
Т, сутки |
-2,69 Х10-3 |
0,876 |
0,754 |
Q, МДж/м2 |
-1,15 Х10-2 |
0,444 |
0,773 |
|
UA, МДж/м2 |
-4,21 Х10-2 |
0,448 |
0,774 |
|
UB, кДж/м2 |
-3,78 Х10-2 |
0,301 |
0,858 |
Продолжение таблицы 3
Этал-1460 |
Т, сутки |
-8,97 Х10-2 |
1,284 |
0,925 |
Q, МДж/м2 |
-7,96 Х10-3 |
0,644 |
0,975 |
|
UA, МДж/м2 |
-5,28 Х10-2 |
0,649 |
0,976 |
|
UB, кДж/м2 |
-1,22 Х10-1 |
0,295 |
0,982 |
|
Этал-45М |
Т, сутки |
-1,10 Х10-3 |
1,161 |
0,971 |
Q, МДж/м2 |
-8,88 Х10-3 |
0,566 |
0,967 |
|
UA, МДж/м2 |
-4,65 Х10-2 |
0,572 |
0,967 |
|
UB, кДж/м2 |
-4,15 Х10-2 |
0,380 |
0,957 |
|
Относительное удлинение при растяжении |
||||
Этал-1440 |
Т, сутки |
-4,89 Х10-3 |
1,055 |
0,989 |
Q, МДж/м2 |
-2,33 Х10-2 |
0,529 |
0,995 |
|
UA, МДж/м2 |
-8,77 Х10-2 |
0,533 |
0,995 |
|
UB, кДж/м2 |
-1,43 Х10-1 |
0,249 |
0,997 |
|
Этал-1460 |
Т, сутки |
-5,22 Х10-3 |
0,908 |
0,983 |
Q, МДж/м2 |
-3,15 Х10-2 |
0,452 |
0,987 |
|
UA, МДж/м2 |
-1,49 Х10-1 |
0,456 |
0,987 |
|
UB, кДж/м2 |
-2,92 Х10-1 |
0,226 |
0,994 |
|
Этал-45М |
Т, сутки |
-4,71 Х10-3 |
0,970 |
0,987 |
Q, МДж/м2 |
-2,62 Х10-2 |
0,477 |
0,986 |
|
UA, МДж/м2 |
-1,06 Х10-1 |
0,482 |
0,986 |
|
UB, кДж/м2 |
-9,56 Х10-2 |
0,321 |
0,981 |
Из анализа графических зависимостей установлено, что натурное экспонирование эпоксидных композитов сопровождается существенным снижением деформативных характеристик (см. рис. 3), что свидетельствует об их охрупчивании. Через год натурных испытаний относительное удлинение образцов в зависимости от вида отвердителя снизилось на 85, 73 и 49%, соответственно, для композитов, отверждаемых Этал-1460, Этал-45М и Этал-1440.
По результатам проведенных исследований выявлено, что наиболее высокой стойкостью в условиях воздействия натурных климатических факторов обладает эпоксидный композит на основе эпоксидной смолы ЭД-20 и отвердителя Этал-1440. Для данного состава зафиксировано наименьшее снижение предела прочности и удлинения при растяжении как в абсолютных (рис. 1), так и в относительных величинах (см. рис. 2 - 3).
Возможность параллельной фиксации актинометрических параметров позволяет оценить влияние интенсивности солнечной радиации и суммарного ультрафиолетового излучения диапазонов А и В на упруго-прочностные показатели эпоксидных композитов. Наиболее интенсивное изменение характеристик происходит, как правило, на начальном этапе экспонирования. Последующее воздействие климатических факторов приводит к более плавному снижению прочностных и деформативных характеристик исследуемых составов эпоксидных композитов.