Полимерные композиционные материалы (ПКМ), содержащие в составе газовую фазу, называются газосодержащими или газонаполненными. Эпоксидные пены, как правило, жесткие и часто используются, когда к изделиям предъявляются такие требования как повышенная термостойкость, стойкость к растворителям, хорошая адгезия или более точное, чем у полиуретановых пен, регулируемое вспенивание. Эпоксидные пены исключают потенциальные проблемы со здоровьем, связанные с чувствительностью к изоцианатам в производстве уретанов – на это часто указывают как на причину использования вспененных эпоксидных полимеров. Преимуществом эпоксидных смол является широкое разнообразие и самих смол, и сшивающих агентов, которые могут быть использованы для получения конечного продукта с требуемыми свойствами [1-2, 4].

Однако, не смотря на разнообразие положительных свойств, для вспененных эпоксидных полимеров, как, впрочем, и практически для всех вспененных ПКМ, характерен такой недостаток, как легкая воспламеняемость и высокая горючесть, что значительно ограничивает области их использования.

В связи с этим целью данной работы была разработка новых составов для создания пожаробезопасных вспененных эпоксидных полимеров.

Получение пеноэпоксидов проводили по ранее выбранному нами режиму [2], который заключается в том, что все компоненты состава: эпоксидная смола (100 масс.ч. ЭД-20, отвердитель - полиэтиленполиамин (15 масс.ч. ПЭПА) и газообразователь - карбонат аммония (2 масс.ч. КА) совмещали, заливали в форму и помещали ее на 60 минут в термопечь, нагретую до температуры 50±5 0С. Процессы вспенивания и отверждения протекали одновременно. При этом образуется преимущественно закрытопористая структура ячеек [2].

Так как на структурообразование влияет также количество газообразователя, то в составе его содержание изменяли от 1 до 5 массовых частей (масс.ч.), табл.1.

 Таблица 1Свойства вспененных эпоксидных полимеров

Состав, масс.ч., отвержденный 15 масс.ч. ПЭПА   g, кг/м3   jп   jг Wv, % Ws, см3/м2   В, %   Gсж, МПа 100ЭД-20+1КА 255 0,21 0,79 2,1 63 0,50 2,0±0,1 100ЭД-20+2КА 170 0,14 0,86 4,9 137 0,70 1,0±0,05 100ЭД-20+5КА 61 0,05 0,95 5,2 188 0,84 0,6±0,03 100ЭД-20+2КА+10ТФБА 154 0,13 0,87 6,5 180 0,80 1,0±0,05 100ЭД-20+2КА+5АРР-2 194 0,16 0,84 4,9 68 0.60 1,2±0,06 100ЭД-20+2КА+10ТФБА +5АРР-2 143 0,12 0,88 6,3 186 0,80 1,3±0,065

Примечание: g - кажущаяся плотность; jп – содержание полимерной фазы; jг – содержание газовой фазы; Wv - водопоглощение по отношению к первоначальному объему; Ws - водопоглощение по отношению к первоначальной полной поверхности; В – влагопоглощение; Gсж - напряжение 10% сжатия.

 

Процессы газообразования с увеличением КА протекают более интенсивно, уменьшается содержание полимерной фазы, снижается кажущаяся плотность с 255 до 61 кг/м3, увеличиваются водо- и влагопоглощение, табл.1., что свидетельствует о более высоком содержании пор в материале.

Следовательно, изменяя содержание газообразователя в составе композиции можно направленно регулировать кажущуюся плотность и другие свойства материала.

С увеличением кажущейся плотности, устойчивость материала к сжатию повышается, табл.1.

Из данных термогравиметрического анализа следует, что с увеличением содержания КА в составе эпоксидного полимера повышается его термостойкость, что проявляется в смещении температурного интервала деструкции в область более высоких температур, при этом также отмечено возрастание выхода карбонизованных структур с 40 до 58%, табл.2.

Полученные составы поддерживают горение на воздухе, поэтому в состав дополнительно вводили соединение, способное структурировать эпоксидный полимер: полифосфат аммония (АРР-2) [3], которое не растворяется в исследуемом составе и выполняет одновременно роль наполнителя.

Введение АРР-2 в количестве 5 масс.ч., повышает кажущуюся плотность на 24 кг/м3. При этом отмечено снижение водопоглощения, особенно водопоглощение по отношению к первоначальной полной поверхности, что свидетельствует о снижении пористости образцов.

Таблица 2 Физико-химические свойства вспененных эпоксидных композитов

Состав композиции, масс.ч., отвержденные 15 масс.ч. ПЭПА     Начальная температура деструкции, оС     Температурный интервал деструкции, С о     Выход карбони- зованных структур при Тк, % масс. 100ЭД-20 200 190 40 (390 0С) 100ЭД-20+1КА 220 190 48 (410 0С) 100ЭД-20+2КА 238 208 52 (450 0С) 100ЭД-20+5КА 240 200 58 (440 0С) 100ЭД-20+2КА+5АРР-2 250 150 55 (400 0С)

Примечание: Тк – конечная температура основной стадии деструкции

 

Анализом образцов вспененных эпоксидных составов, содержащих АРР-2, методом тегмогравиметрии установлено инициирующее влияние АРР-2 на процесс разложения полимера в конденсированной фазе, проявляющееся в сужении температурного интервала термолиза, табл.2. Основное его влияние проявляется в газовой фазе, так как при термолизе композиций, содержащих АРР-2, образуется NH3, который попадая в газовую фазу, разбавляет горючие газы, снижая концентрационный предел воспламенения [3].

Такие изменения в превращениях в газовой фазе уменьшают возможность воспламенения, что и проявляется в процессе горения. Вспененные эпоксидные полимеры при поджигании на воздухе загораются через несколько секунд и имеют потери массы близкие к потерям массы чистой эпоксидной смолы. При введении в состав композиции 5 масс.ч APP-2 снижается время самостоятельного горения и существенно уменьшаются потери массы при поджигании на воздухе с 68 до 7 %. При нанесении на поверхность пеноэпоксида огнезащитного состава (100ЭД-20+5АРР-2+15ПЭПА), способствующего закрытию открытых пор, содержащих кислород воздуха, дополнительно снижаются потери массы при поджигании на воздухе до 1,8%, при этом незначительно (на 56 кг/м3) увеличивается кажущаяся плотность. По величине потерь массы разработанные вспененные эпоксидные композиты относятся к классу трудносгораемых материалов.

В связи с тем, что разработанные вспененные эпоксидные композиты планируется использовать в качестве теплоизоляции, определяли их теплопроводность и термическое сопротивление на приборе ИТП- МГ4 «100» по ГОСТ 7076-99.

Проведенные исследования показали, что разработанные вспененные эпоксидные композиты имеют более низкие значения коэффициента теплопроводности (0,035 Вт/м·К), в сравнении с теплоизоляционными свойствами промышленно-выпускаемых пеноэпоксидов (0,05-0.07 Вт/м·К), при одинаковой кажущейся плотности.

Таким образом, в результате проведенных исследований установлено влияние количества газообразователя на структуру и свойства вспененных полимеров. Показана возможность повышения термостойкости и снижения пожарной опасности вспененных полимеров с использованием гибридных наполнителей. Разработанные вспененные эпоксидные композиты соответствуют (и даже превосходят) по теплоизоляционным свойствам промышленно-выпускаемым пеноэпоксидам.

 

Список литературы

 

1.        Клемпнер Д. Полимерные пены и технологии вспенивания: пер. с англ. / Под. ред. к.т.н. А.М. Чеботаря. СПб.: Профессия, 2009. – 600 с. – ISBN 978-5-93913-156-8.

2.        Мостовой, А.С. Пожаробезопасные вспененные эпоксидные полимеры / А.С. Мостовой, П.Н. Буненков, Л.Г. Панова // Перспективные материалы. – 2016. – № 2. – С. 46-51.

3.        Мостовой А.С., Плакунова Е.В., Панова Л.Г. Разработка огнестойких эпоксидных композиций и исследование их структуры и свойств // Перспективные материалы. – 2014. – № 1. – С. 37–43.

4.        Чухланов В.Ю., Панов Ю.Т., Синявин А.В., Ермолаева Е.В. Практикум по газонаполненным пластмассам: учеб. пособие // Владим. гос. ун-т. – Владимир: Ред. издат. комплекс ВлГУ, 2006. – 130 с. – IBSN 5-230-20629-2.