Научный журнал
Международный журнал экспериментального образования

ISSN 2618–7159
ИФ РИНЦ = 0,757

КЛЕЕВОЙ КОМПОЗИТ ХОЛОДНОГО ОТВЕРЖДЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНЫХ ОЛИГОМЕРОВ И НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА НИКЕЛЯ (II)

Евстифеев Е.Н. 1 Новикова А.А. 1 Беляева А.О. 1
1 Донской государственный технический университет
1. Кардашов Д.А. Синтетические смолы. – М.: Химия, 1976. – 504 с.
2. Кондратьев В.П., Кондращенко В. И. Синтетические клеи для древесных материалов. − М.: Научный мир, 2004. − 520 с.
3. Ходаков Г.С. Седиментационный анализ высокодисперсных систем / Г.С. Ходаков, Ю.П. Юдкин. – М.: Наука, 1980. – 344 с.

В настоящее время в отечественной и мировой практике производства древесных композиционных материалов (древесностружечные и древесноволокнистые плиты, фанера, МDF и др.) широко используются синтетические связующие на основе различных смол. Наиболее широкое применение нашли карбамидоформальдегидные и фенолоформальдегидные смолы, позволяющие выпускать клееную древесную продукцию, удовлетворяющую по эксплуатационным характеристикам основным нормативным требованиям [1].

Главным недостатком данных смол является их токсичность, обусловленная выделением в процессе синтеза, а также изготовления и эксплуатации готовой продукции свободных токсичных веществ (фенола, формальдегида, растворителей), отрицательно влияющих на здоровье человека [2]. Требования по содержанию токсичных веществ в клеевой древесной продукции с каждым годом ужесточаются. В связи с этим перед производителями древесных композиционных материалов особо актуальны вопросы совершенствования технологии производства клеевой древесной продукции с точки зрения повышения её экологичности.

Использование эпоксидных смол для склеивания древесных композиционных материалов позволяет не только сделать их производство экологически чистым, но и повысить производительность прессового оборудования за счёт повышения реакционной способности клеевых составов, снизить расход связующего.

Цель работы – исследование и разработка клеевых композиций на основе эпоксидных олигомеров и нанонаполнителя для производства древесных композиционных материалов.

В качестве основных исходных материалов использовались: эпоксидно-диановая смола марки ЭД-20, отвердитель – полиэтиленполиамин (ПЭПА), наполнитель клеевого композиционного материала – наночяастицы оксида никеля (II).

Наночастицы оксида никеля (II) получали золь-гель методом из раствора кристаллогидрата нитрата никеля Ni(NO3)2∙6H2O и лимонной кислоты C6H8O7∙H2O в этиловом спирте. Синтезированные частицы оксида никеля (II) исследовали методом седиментационного анализа с использованием центрифуги CPS Disk Centrifuge DC24000 [3]. Полученная дисперсия оксида никеля (II) характеризуется унимодальным распределением и состоит, в основном, из частиц размером до 30 нм. Максимум соответствует диапазону частиц от 12 до 17 нм, что составляет 45 % всех частиц оксида никеля в системе.

Образование оксида никеля было подтверждено рентгенофазовым анализом на рентгеновском порошковом дифрактометре ARL X¢TRA (ThermoFisher Scientific, Швейцария).

Исследование полученных наночастиц оксида никеля (II) методом атомно-силовой микроскопии на сканирующем зондовом микроскопе NanoEducator показало, что они имеют игольчатую структуру неопределенной формы, некоторые из которых образуют агломераты в виде сталагмитов, поднимающиеся в виде конусов, высота и размеры которых более чем в 2 раза превосходят по этим показателям основную массу частиц.

Поверхности склеиваемых образцов, изготовленных из ясеня, тщательно зачищали от неровностей и заусенцев шлифовальной бумагой трех разных степеней зернистости (50-H, 40-H, 20-H по ГОСТ 3647-80). На подготовленные бруски наносили метки, обозначающие границы клеевого шва.

Для определения прочности на сдвиг клеевого соединения применяли испытательный пресс ИП-500.

Для нахождения оптимального соотношения между эпоксидной смолой ЭД-20 и отвердителем в трехкомпонентной клеевой системе ЭД-20 – ПЭПА – NiO исследовали горизонтальный разрез с постоянным 5 %-содержанием наполнителя.

Расчет компонентов клеевой системы проводили в объемных процентах. Общее их содержание составляло 2,5 мл. Использование объёмных процентов связано с тем, что эпоксидную смолу и отвердитель трудно дозировать в массовых процентах. Для порошкообразного наполнителя наоборот – удобно весовое дозирование, поэтому для перевода объемных процентов в массовые определяли насыпной вес оксида никеля (II): 0,9899 г/мл.

Компоненты клеевых составов по разрезу 5 % NiO + 95 % (смола – отвердитель) тщательно перемешивали в пластиковом стаканчике. Подготовленный, таким образом, клей наносили с помощью медицинского шприца на отмеченную площадь очищенных поверхностей бруска. После нанесения клея образцы выдерживали на воздухе в течение 10…15 мин. Затем бруски клеевыми участками склеивали, прочно скручивая их медной проволокой, не допуская перекоса образцов. Время выдержки склеенных образцов на воздухе составляло 72 часа. С каждым клеевым составом приготавливали 5 образцов для испытания на прочность.

Образцы для испытания прочности клеевого шва на сдвиг устанавливали в зажимах испытательного пресса таким образом, чтобы продольная ось образца совпадала с осью приложения нагрузки. Максимальную нагрузку при разрыве регистрировали как разрывное усилие для конкретного образца. Результаты, полученные при разрыве образца в любом другом месте, например, по волокнам дерева, помимо самого адгезионного клеевого соединения, не учитывали.

Результаты испытаний для каждого клеевого состава приведены в табл. 1.

Таблица 1

Зависимость прочности клеевого шва от соотношения смола: отвердитель при постоянном 5 %-ом содержании наночастиц NiO в клеевых составах

Свойство клеевого соединения

Содержание отвердителя ПЭПА в клеевых составах, об. %

10

15

20

25

Прочность клеевого соединения на сдвиг, кгс/см2, отвержденного в течение 72 ч

16,5

45,4

54,2

24,7

Из табл. 1 видно, что наибольшая прочность клеевого соединения достигается при 20 % отвердителя ПЭПА и 80 % смолы ЭД-20. Это соотношение между смолой и отвердителем в исследуемой клеевой композиции является оптимальным. При этом соотношении происходит образование сетчатого полимера. Для его получения имеются все условия: отвердитель ПЭПА содержит более двух первичных и вторичных аминогрупп. Присоединение молекулы ПЭПА к эпоксигруппе сопровождается миграцией атома водорода аминогруппы к кислороду эпоксигруппы и образованием более устойчивых по сравнению с эпоксидными, гидроксильных групп. Кроме того, протекают реакции аминогрупп ПЭПА с эпоксигруппами одной и той же молекулы, что приводит к внутримолекулярной циклизации.

Для нахождения оптимального содержания наночастиц NiO исследовали 5 клеевых составов по разрезу (80 % смолы + 20 % отвердителя) → NiO:

1. 5 % NiO + 95 % (80 % смолы ЭД-20 + 20 % ПЭПА) = 2,5 мл;

2. 10 % NiO + 90 % (80 % смолы ЭД-20 + 20 % ПЭПА) = 2,5 мл;

3. 20 % NiO + 80 % (80 % смолы ЭД-20 + 20 % ПЭПА) = 2,5 мл;

4. 30 % NiO + 70 % (80 % смолы ЭД-20 + 20 % ПЭПА) = 2,5 мл;

5. 40 % NiO + 60 % (80 % смолы ЭД-20 + 20 % ПЭПА) = 2,5 мл.

С каждым клеевым составом изготавливали по 5 склеенных образцов. После отверждения клеевого шва в течение 48 часов при обычных условиях они были подвергнуты испытанию на прочность (табл. 2).

Таблица 2

Зависимость прочности клеевого шва от содержания наночастиц NiO в клеевых составах с оптимальным соотношением: 80 % ЭД-20 + 20 % ПЭПА

Свойство клеевого соединения

Содержание наполнителя NiO в клеевых составах, об. % при постоянном соотношении ЭД-20: ПЭПА

5

10

20

30

40

Прочность клеевого соединения на сдвиг, кгс/см2, отвержденного в течение 48 ч

80,2

95,3

87,9

103,6

87,6

Кривая прочности клеевого соединения от содержания нанонаполнителя NiO при постоянном соотношении в клеевых составах смолы и отвердителя, построенная по данным табл. 2, имеет два максимума, что говорит о сложных процессах, протекающих в клеевой системе смола – отвердитель в присутствии наночастиц оксида никеля. Наполнение клеевой композиции смола – отвердитель 10 % NiO приводит к резкому увеличению прочности клеевого шва от 54,6 до 95,3 кгс/см2.

Процессы, которые протекают в клеевой системе, с участием наночастиц, имеют локальный характер и определяются природой и энергетическими параметрами активных центров частиц наполнителя. При 20 % наполнителя наблюдается минимум, что может говорить о перестройки отверждаемой системы с последующим увеличением прочности до 103,6 кгс/см2 при 30 % NiO. При таком содержании нанонаполнителя увеличение прочности клеевого соединения по сравнению с исходной связующей композицией (80 % смолы + 20 % отвердителя) произошло почти в 2 раза. Это количество NiO следует признать оптимальным. Можно применять клеевой состав и с 10 % NiO, так как разница в прочности между двумя максимумами составляет всего ~8 кгс/см2.


Библиографическая ссылка

Евстифеев Е.Н., Новикова А.А., Беляева А.О. КЛЕЕВОЙ КОМПОЗИТ ХОЛОДНОГО ОТВЕРЖДЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНЫХ ОЛИГОМЕРОВ И НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА НИКЕЛЯ (II) // Международный журнал экспериментального образования. – 2015. – № 11-3. – С. 448-450;
URL: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=8460 (дата обращения: 20.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074