Научный журнал

Международный журнал экспериментального образования

ISSN 2618–7159

ИФ РИНЦ = 0,425

• Авторы
• Файлы
• Литература

Евстифеев Е.Н. 1 Новикова А.А. 1 Беляева А.О. 1

---

1 Донской государственный технический университет

Статья в формате PDF

365 KB

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.

На протяжении нескольких десятилетий синтетические смолы широко используются для производства древесной продукции в качестве клеев. Наиболее широкое употребление приобрели клеи на основе карбамидоформальдегидных смол, которые являются продуктом поликонденсации мочевины и формальдегида [1]. Карбамидные смолы при затвердевании склонны к усадке, что приводит к возникновению напряжений и растрескиванию клеевого шва. Чтобы повысить эластичность клеевых соединений в карбамидные смолы вводят различные наполнители: древесную муку, декстрин, гипс, каолин, мел, тальк и многие другие органические и неорганические материалы.

Главным недостатком данных клеевых композиций является их токсичность, обусловленная выделением в процессе синтеза, а также изготовления и эксплуатации готовой продукции свободных токсичных веществ. Не все применяемые в России карбамидоформальдегидные клеи соответствуют нормативам по выделению формальдегида из готовой продукции [2]. В связи с этим перед производителями древесных композиционных материалов особо актуальны вопросы разработки нетоксичных клеевых составов.

Цель работы – исследование и разработка клеевых композиций на основе эпоксидной смолы и наночастиц магнетита для производства древесных композиционных материалов.

В качестве матрицы разрабатываемой клеевой композиции использовали эпоксидно-диановую смолу марки ЭД-20 – продукт взаимодействия эпихлоргидрина с дифенилолпропаном (дианом).

Для отверждения эпоксидной смолы применяли полиэтиленполиамин (ПЭПА) H₂N(CH₂CH₂NH)nCH₂CH₂NH₂. За счет химического взаимодействия с эпоксидными и гидроксильными группами ПЭПА переводит эпоксидные олигомеры в полимеры пространственного строения.

Для модификации эпоксидной композиции в её состав вводили наполнитель – наночастицы магнетита Fe₃O₄ – смешанный оксид железа (II, III). Для его получения использовали следующие реактивы:

– кристаллогидрат хлорида железа (III) FeCl₃∙6H₂O марки «ч», ГОСТ 4147-74;

– кристаллогидрат сульфата железа (II) FeSO₄∙7H₂O технический, ГОСТ 6981-94;

– аммиак водный технический, ГОСТ 3760-79.

Синтез наночастиц магнетита осуществляли в результате взаимодействия раствора аммиака с растворами указанных выше солей железа:

FeSO₄ + 2FeCl₃ + 8NH₄ОН ↔ Fe₃O₄↓ + + 6NH₄Cl + (NH₄)₂SO₄ + 4H₂O

Для отделения частиц магнетита от водного раствора солей использовали постоянный магнит с сильным магнитным полем. После многократного промывания магнетита дистиллированной водой до значения рН 7,5–8,5 растворимые соли полностью удалялись из раствора. Для стабилизации частиц магнетита полученный осадок смешивали с моющим средством и снова помещали на постоянный магнит; отделившуюся воду сливали, а полученный осадок магнетита высушивали в муфельной печи при температуре 300 °С. После просушки получали смешанный оксид железа, обладающий магнитными свойствами.

Синтезированные частицы магнетита исследовали методом седиментационного анализа с использованием центрифуги CPS Disk Centrifuge DC24000. Полученная дисперсия магнетита характеризуется унимодальным распределением и содержит, в основном, частицы с размером до 90 нм. Максимум соответствует диапазону частиц от 27 до 49 нм, что составляет 53,5 % всех частиц магнетита в образце. Синтезированный порошок магнетита имеет достаточно высокий индекс полидисперсности (3,15), что говорит о сравнительно широком распределении частиц по размерам.

Образование магнетита было подтверждено рентгенофазовым анализом на рентгеновском порошковом дифрактометре ARL X′TRA (ThermoFisher Scientific, Швейцария).

Индицирование и анализ дифрактограммы проведен с использованием базы данных PDF-2, в соответствии с которой исследуемый образец является магнетитом Fe₃O₄ без посторонних примесей.

Исследование нанопорошка магнетита методом атомно-силовой микроскопии на сканирующем зондовом микроскопе NanoEducator показало, что он состоит из зерен вытянутой формы.

Для экспериментального исследования клеевых составов в работе использован метод физико-химического анализа, позволяющий судить о взаимодействии в клеевой системе. Под клеевой системой следует понимать гетерогенную смесь со значительным числом взаимосвязанных параметров, состоящую из наполнителя и клеевой композиции смола – отвердитель, претерпевающей в процессе отверждения различные превращения. Химические реакции, протекающие в клеевых системах, характеризуются как процессами конденсации олигомеров смолы и сшивания полимерных цепей на реакционной поверхности раздела, так и различными физическими процессами переноса вещества.

Для нахождения оптимального соотношения между эпоксидной смолой ЭД-20 и отвердителем ПЭПА исследовали горизонтальный разрез с постоянным 5 % содержанием наночастиц магнетита в трехкомпонентной клеевой системе ЭД-20 – ПЭПА – Fe₃O₄.

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. Расчет компонентов клеевой системы проводили в объемных процентах. Общее их содержание составляло 2,5 мл. Для порошкообразного магнетита (насыпной вес 1,304 г/см³) использовали весовое дозирование.

Компоненты клеевых составов по разрезу 5 % Fe₃O₄ + 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 48 часов. С каждым клеевым составом приготавливали 5 образцов для испытания на прочность.

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

Прочность клеевого соединения на сдвиг вычисляли с точностью до 1 кгс/см² по формуле

где Р – максимальная разрушающая нагрузка в кгс; F – площадь склеивания, см², вычисляемая с точностью до 0,1 см².

За величину прочности клеевого соединения принимали среднее арифметическое результатов испытаний образцов, вычисляемое по формуле

где n – число испытанных образцов; R_i – значения прочности отдельных образцов , кгс/см².

Наибольшая прочность клеевого соединения с 5 % наночастиц Fe₃O₄ достигается при 20 % отвердителя ПЭПА и 80 % смолы ЭД-20 и составляет 93,8 кгс/см². Это соотношение между смолой и отвердителем в исследуемой клеевой композиции является оптимальным.

Для нахождения оптимального содержания наполнителя исследовали 6 клеевых составов по разрезу (80 % смолы + 20 % отвердителя) → Fe₃O₄:

100 % (80 % смолы ЭД-20 + 20 % ПЭПА) = 2,5 мл;

5 % Fe₃O₄ + 95 % (80 % смолы ЭД-20 + 20 % ПЭПА) = 2,5 мл;

10 % Fe₃O₄ + 90 % (80 % смолы ЭД-20 + 20 % ПЭПА) = 2,5 мл;

20 % Fe₃O₄ + 80 % (80 % смолы ЭД-20 + 20 % ПЭПА) = 2,5 мл;

30 % Fe₃O₄ + 70 % (80 % смолы ЭД-20 + 20 % ПЭПА) = 2,5 мл;

40 % Fe₃O₄ + 60 % (80 % смолы ЭД-20 + 20 % ПЭПА) = 2,5 мл.

Зависимость прочности клеевого шва от содержания наночастиц Fe₃O₄ в клеевых составах с оптимальным соотношением: 80 % ЭД-20 + 20 % ПЭПА

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 (таблица).

Из данных таблицы видно, что зависимость прочности клеевого шва от содержания в клеевых составах магнетита при постоянном отношении смолы к отвердителю имеет весьма пологий максимум. Можно рекомендовать клеевые составы в широком диапазоне содержания магнетита от 15 о 30 % с прочностными характеристиками от 140,2 до 145,5 кгс/см². Оптимальный состав с содержанием 20 % магнетита соответствует максимальному значению прочности – 154,0 кгс/см², что почти в три раза больше связующей композиции без Fe₃O₄.

Библиографическая ссылка