научная статья по теме РЕЛАКСАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГРАДИЕНТНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СЕТЧАТЫХ ПОЛИУРЕТАНИЗОЦИАНУРАТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МОДИФИЦИРОВАННЫМ СПОСОБОМ Физика

Текст научной статьи на тему «РЕЛАКСАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГРАДИЕНТНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СЕТЧАТЫХ ПОЛИУРЕТАНИЗОЦИАНУРАТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МОДИФИЦИРОВАННЫМ СПОСОБОМ»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2011, том 53, № 10, с. 1807-1816

МЕХАНИКА ПОЛИМЕРОВ

УДК 541.64:539.3

РЕЛАКСАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГРАДИЕНТНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СЕТЧАТЫХ ПОЛИУРЕТАНИЗОЦИАНУРАТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МОДИФИЦИРОВАННЫМ СПОСОБОМ

© 2011 г. М. Д. Петунова*, А. А. Аскадский*, Л. М. Голенева*, Г. Г. Никифорова*, Л. А. Вассерман**, О. В. Коврига*, В. А. Марков*

*Учреждение Российской академии наук Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН 119991 Москва, ул. Вавилова, 28 **Учреждение Российской академии наук Институт биохимической физики им. Н.М. Эммануэля РАН 119334 Москва, ул. Косыгина, 4 Поступила в редакцию 27.09.2010 г.

Принята в печать 28.04.2011 г.

Изучены релаксационные свойства градиентных полимерных материалов, полученных модифицированным способом. Исследования проведены с помощью динамического механического анализа и путем измерений и аппроксимации кривых релаксации напряжения в статических условиях, измеренных в широком интервале температуры. У полимерных материалов, полученных новым способом, значительно повышены физико-механические свойства, существенно расширен их диапазон. Выявлено, что исследованные материалы могут обладать любой величиной модуля упругости, в том числе свойственной для переходной зоны из стеклообразного состояния в высокоэластическое, и при этом у них наблюдается квазиупругое поведение, характерное для стекол и резин.

ВВЕДЕНИЕ

В ряде работ [1—5] представлены результаты исследований в области синтеза полиуретанизо-циануратных полимеров и градиентных материалов на их основе. Особенность градиентных материалов заключается в том, что переход от высокоэластической зоны к стеклообразной в данном случае осуществляется не с резким возрастанием модуля упругости, как для всех существующих полимеров, а плавно с изменением модуля упругости от 2—3 МПа до 2—3 ГПа. В нашем случае переходная зона представляется основной областью механической работоспособности материалов, температурный интервал которой превышает 200°С (от —50 до +160°С). По своим свойствам эта переходная зона кардинально отличается от обычных полимеров, находящихся в "нормальной" переходной зоне (обычно температурный интервал перехода составляет 20—30°С).

Важной особенностью таких материалов является отсутствие границ раздела в едином материале при переходе от области высокоэластического состояния к стеклообразному, и как следствие, достигается плавное изменение физико-механических свойств в широком диапазоне. Это обу-

E-mail: kejmakh@rambler.ru (Петунова Маргарита Дмитриевна).

словлено образованием полимерных сеток, химическая структура которых представляет собой объемистые узлы, соединенные короткими и гибкими полимерными цепочками. В качестве узлов выступают изоциануратные циклы, а в качестве компонента, вводящего в структуру сетки гибкие фрагменты, используют олигомерные уретано-вые цепочки. Регулярные сетки получают по реакции полициклотримеризации при изменении соотношения компонентов, участвующих в образовании узлов и связывающих их гибких линейных цепочек, что позволяет регулировать структуру и свойства материала. Химическое строение полимерной сетки, образующей градиентный материал, плавно меняется в заданном направлении материала путем плавной дозировки химических компонентов, образующих сетку. В результате градиентный материал не содержит никаких границ раздела, слоев и т.д., в этом смысле является однородным.

В соответствии с разработанной теорией [6— 8], системы, содержащие узлы сшивки с большим ван-дер-ваальсовым объемом и короткие гибкие цепочки, соединяющие узлы, должны приводить к любому модулю упругости, характерному для полимеров, а градиентный материал — обладать квазиупругим механическим поведением. Таким образом, механическое поведение данных сеток

1807

является квазиупругим, а не вязкоупругим, как для любого полимера в переходной зоне.

В настоящей работе описаны релаксационные свойства градиентных полимерных материалов, полученных по разработанному нами модифицированному способу.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве исходных компонентов выбраны коммерчески доступные полипропиленгликоль (ППГ) или полиокситетраметиленгликоль (поли-фурит), 2,4-толуилендиизоцианат (ТДИ), эпоксидный олигомер (ЭД), диметилбензиламин (ДМБА), которые использовали без дальнейшей очистки [3—5]. Диолы взяты с одинаковой ММ (М = 2 х 103). ЭД содержал 17 мас. % эпоксидных групп (что установлено нами методом потенцио-метрического титрования). ДМБА использовался в качестве катализатора в количестве 0.60—0.65% от массы образовавшегося олигомера.

В данной работе полиуретанизоциануратные (ПУИЦ) полимеры получены по новой методике. Начальную стадию, связанную с образованием олигомера, проводили при комнатной температуре в течение 15—20 мин после смешения ППГ или полифурита с избытком ТДИ. Затем в олигомер

вводили расчетное количество эпоксидной смолы (расчет проводили на массу олигомера), избыток диизоцианата и катализатор ДМБА. Реакция завершается химическим отверждением полученной смеси при невысокой температуре за короткий промежуток времени.

С учетом модификации метода синтеза формирование сетчатой структуры ПУИЦ заключалось в следующем. Первоначально из ППГ-1 и ТДИ-2 (мольное соотношение 1 : 2.5) при комнатной температуре получили олигоуретандиизоци-анат 3. К сформированному олигомеру последовательно прибавляли эпоксидный олигомер 4, в результате образовывалась смесь 5, затем добавляли компонент 2 и катализатор (схема (1)). Дальнейшее нагревание смеси дает получение сетки ПУИЦ, состав которой зависит от соотношения олигомеров 3 и 4. При высокой концентрации 2 (60 мас. %) образуется сетка с преобладанием циклов, состоящих из продуктов тримеризации ТДИ, что приводит к жесткой структуре конечного материала (I). При уменьшении концентрации дополнительно вводимого компонента 2 (20 мас. %), увеличивается доля цепей на основе олигоуре-танизоциануратов, тем самым повышая эластичность материала, обусловленную гибкостью полимерных цепей (II).

(1)

кн-4- Я

я-4 нк

СНз

о

к^к о^к^о

сн3

н3с

кн-Ъ я

где Я = 3 или 4 (в зависимости от состава композиции).

По подобной схеме проводили реакцию с использованием полифурита в качестве компонента 1а. Из 1а и 2 (мольное соотношение 2 : 3) при комнатной температуре тоже образуется оли-гоуретандиизоционат 3а, к которому последовательно прибавляли 4, в результате образовыва-

лась смесь 5а, затем вводили диизоцианат 2 и катализатор (схема (2)). Нагревание полученной смеси также приводит к образованию сетки ПУИЦ, состав которой зависит от соотношения 3а и 4. Таким образом, как и в первом случае, при высокой концентрации 2 (60 мас. %) образуется 1а, при уменьшении концентрации дополнительно вводимого 2 (20 мас. %) образуется 11а.

2

саг

кн4- я

кн-Ъ я

где R = 3а или 4 (в зависимости от состава композиции).

При получении градиентных материалов осуществляли плавную дозировку компонентов таким образом, чтобы модуль упругости изменялся в материале от малых значений (присущих резине) до больших значений (присущих твердым пластикам).

За ходом реакции следили по данным ИК-спектроскопии. Измеряли оптическую плотность полос поглощения групп NCO по отношению к поглощению СН2-групп. ИК-спектры записывали на ИК-фурье-спектрометре "Nicolet Magna-750" (США) в диапазоне частот 440-4000 см-1.

Измерения ДСК осуществляли как для реакционных смесей, так и для продуктов реакции, полученных в процессе ее протекания. Эти исследования проведены с целью определения положения температурных переходов в процессе реакции и анализа влияния продолжительности ее протекания в мягких условиях (при комнатной температуре) на завершенность. ДСК-измерения проводили на приборе ДСМ-10.

Далее оценивали релаксационные свойства, чтобы убедиться в том, что полученные по модифицированному способу градиентные материалы обладают квазиупругим механическим поведением, и в какой степени для них наблюдается релаксация напряжения. Релаксационные свойства исследовали динамическим механическим методом, а также в условиях статической релаксации напряжения. В первом случае определены температурные зависимости модуля накопления G', модуля потерь G" и тангенса угла механических

потерь tg 5, а во втором — кривые релаксации напряжения. Динамические механические измерения выполнены на установке DMA-983 ("DuPont Instruments").

Измерения релаксации напряжения в условиях одноосного сжатия проводили на приборе для микромеханических испытаний конструкции Ду-бова—Регеля [9]. Постоянная деформация в процессе измерений 3%, интервал температуры от 20 до 165°С.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

По данным ИК-спектроскопии установлено, что на стадии образования олигомера 3 и 3а образуются уретановые группы (полосы в области 3300—3400 см-1) при одновременном уменьшении интенсивности полос валентных колебаний групп NCO при 2280 см-1 и постепенном исчезновении полос валентных колебаний гидрок-сильных групп в области 3500-3600 см-1.

По мере протекания реакции полициклотри-меризации, которую проводили при постепенном повышении температуры в процессе получения I

и 1а при 90—95°С, практически не наблюдали полос поглощения групп NCO, а возрастание интенсивности полос изоциануратных циклов (при 1409—1411 и 755—757 см-1) свидетельствует об увеличении их содержания в образующейся сетке. В случае II и 11а полное исчезновение групп NCO происходило при более низкой температуре 50-55°С. Как видно, продолжительность реакции зависит от содержания компонента 2 в реакционной системе. В случае I и !а образуется такая полимерная структура, в которой повышенное содержание изоциануратных циклов в сетке не-колько затрудняет диффузию реакционных групп и их циклотримеризацию, поэтому для полного отверждения необходимы более высокая температура и время (практически в 2 раза выше по сравнению с II и Па). Таким образом, были обнаружены два фактора, влияющие на эффективность процесса: температура и количество диизо-цианатного компонента в системе.

По полученным в результате измерений ДСК-термограммам исследованы системы с различным содержа

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком