Испытания композита со связующим на основе метилметакрилата

В настоящее время для увеличения адгезионных свойств полимеров наиболее распространенными являются промоутеры адгезии (Dynasylan АМЕО; Dynasylan GLYMO; Dynasylan MEMO; Dynasylan 2776; Пента - 62И и др.). По химической природе - органофункциональные силаны [85, 86]. Они в течение длительного времени находят применение в качестве промоутеров адгезии для лакокрасочных систем. Важным преимуществом применения этих продуктов является обеспечение прочной химической связи между пленкой ЛКМ и неорганической подложкой (стекло, металл, цемент и пр.). Помимо основной функции промоутеров адгезии - улучшения фиксации покрытия к подложке (особенно важно для крепления полимеров к металлу, стеклу или дереву для наружного покрытия), данные добавки обладают рядом других качеств как для самой системы: улучшают дисперсию наполнителя; увеличивают содержания наполнителя; улучшают механические свойства; увеличивают влагостойкость.

Для получения связующего для склеивания отходов древесины исследованы несколько известных марок метилметакрилатов (Дегарут-465, Дегамент- 850, Домакрил-26, Дегадур-625). Указанные марки выбраны по основным физико-механическим и технологическим свойствам, а именно: прочность на сжатие, прочность на растяжение при изгибе; вязкость; время полимеризации.

При исследовании указанных полимеров установлено, что лучшими характеристиками обладает метилметакрилат марки Дегарут-465. Но использование этой смолы в качестве связующего, во-первых, экономически нецелесообразно, во-вторых, прочность на растяжение при изгибе без наполнителя низкая. На рис. 69 (фотография) показано испытание образца на изгиб на машине Тгот- те1Ьег§ из древесного композиционного материала.

Фотография испытания образца из древесного композиционного материала (а, б) и древесины покрытой связующим на основе метилметакрилата (в) на изгиб на машине Тгот-те1Ье^

Рис. 69. Фотография испытания образца из древесного композиционного материала (а, б) и древесины покрытой связующим на основе метилметакрилата (в) на изгиб на машине Тгот-те1Ье^

С целью увеличения прочностных свойств вяжущего для склеивания отходов древесины были исследованы известные наполнители: песок фракции 100-200 мкм; мраморный кальцит со средним размером частиц 2; 5; 20; 40; 60 мкм; бентонит, каолин, а также отходы производства микростеклошариков для горизонтальной разметки дорог - мультициклон средний размер частиц не более 10 мкм и циклоциклон со средним размером частиц около 50 мкм. Из всех перечисленных наполнителей лучшим является циклоциклон, во-первых, это дробленное оконное стекло, т.е. экологически чистый материал, во-вторых, ЦЦ при производстве имеет большие объемы, в третьих обладает низкой мас- лоемкостью, что в свою очередь можно его вводить в метилметакрилат в большом процентном соотношении. Недостатком является низкая адгезия к метилметакрилатам.

Для увеличения адгезионных свойств метилметакрилата были исследованы выше перечисленные промоутеры. В результате экспериментальных исследований было установлено, что для ЦЦ лучше всего использовать промоутер MEMO (см. табл. 7). Но MEMO в чистом виде использовать экономически нецелесообразно, поэтому готовился водный раствор (аппрет), состоящий из MEMO (концентрат) - от 300 до 600 гр.; уксусная 50 % кислота - 150 гр., и силоксан марки Пента-804 - 500 гр. Все эти ингредиенты перемешивались на магнитной мешалке в дистиллированной воде из расчета на 30 литров. В лабораторных условиях изготавливался аппрет на 1 литр дистиллированной воды. Силоксан марки Пента-804 вводился в состав аппрета с целью исключения слипания ЦЦ после обработки и его сушки.

Как видно из таблицы 7, без обработки и сушки ЦЦ в естественных условиях происходит слипание частиц и без механического его дробления невозможно его введение в метилметакрилат, к тому же после механического дробления происходит снижение прочностных характеристик связующего.

Исследование промоутеров

Таблица 7

образца

Прочность на растяжение при изгибе, кгс/кв.см

Нагрузка, кг Р

Показание манометра

Расстояние мужду опорами, см, L

Ширина образца, см

Высота образца, см

Отклонение,

%

1

2

3

4

5

6

7

8

MEMO 4 кг/т

198,0

844,7

62,9

10

4

4

MEMO

3,5 кг/т

183,2

781,6

58,2

10

4

4

MEMO 3 кг/т

182,9

780,3

58,1

10

4

4

MEMO 3 кг/т

178,5

761,5

56,7

10

4

4

MEMO 3 кг/т

181,3

773,6

57,6

10

4

4

1,54

MEMO

4,5 кг/т

242,4

1034,1

77

10

4

4

MEMO 4,5 кг/т

238,0

1015,3

75,6

10

4

4

1,82

MEMO 6 кг/т

278,9

1189,9

88,6

10

4

4

MEMO 6 кг/т

274,8

1172,4

87,3

10

4

4

1,47

MEMO 5 кг/т

297,8

1270,5

94,6

10

4

4

Лучший

вариант

Продолжение табл. 7

1

2

3

4

5

6

7

8

MEMO аппрет 5 кг/т; + 50 г уксусной 50% кислоты + ПЕНТА-804, через 1 час

173,9

799,1

59,5

10

4,1

4,1

% увеличения прочности от времени

MEMO 5 кг/т; сушка в естественных условиях, дробление

258,1

1101,3

82

10

4

4

% уменьшения прочности на растяжение при изгибе при разной сушке

MEMO аппрет 5 кг/т; + 50 г уксусной 50% кислоты + ПЕНТА-804, через 24 часа

261,3

1200,6

89,4

10

4,1

4,1

MEMO 5 кг/т

290,5

1239,6

92,3

10

4

4

MEMO 5 кг/т; сушка горячим воздухом

298,7

1372,5

102,2

10

4,1

4,1

13,6

Продолжение табл. 7

1

2

3

4

5

6

7

8

MEMO аппрет 5 кг/т; + 50 г уксусной 50% кислоты + ПЕНТА-804, через 5 час

274,8

1262,4

94

10

4,1

4,1

MEMO аппрет 5 кг/т; + 50 г уксусной 50% кислоты + ПЕНТА-804, через 72 часа

286,4

1316,1

98

10

4,1

4,1

  • 39,
  • 3

MEMO 3 кг/т

197,6

907,9

67,6

10

4,1

4,1

MEMO 4 кг/т

213,2

979,7

72,95

10

4,1

4,1

MEMO 5 кг/т

281,2

1292,0

96,2

10

4,1

4,1

MEMO 6 кг/т

232,7

1069,0

79,6

10

4,1

4,1

Деревопластик из древесины сосны

192,9

886,4

66

10

4,1

4,1

Деревопластик из древесины дуба

246,4

1132,1

84,3

10

4,1

4,1

Количество MEMO в гр, для приготовления 30 литров аппретирующего состава

Прочность на растяжение при изгибе, кгс/кв.см

Нагрузка, кг Р

Показание манометра

Расстояние муж- ду опорами, см, L

Ширина образца, см

Высота образца, см

300

213,1

909,2

67,7

10

4

4

300

215,6

920,0

68,5

10

4

4

300

218,1

930,7

69,3

10

4

4

Окончание табл. 7

1

2

3

4

5

6

7

8

Среднее арифметическое значения прочности, МПа

215,6

400

232,9

993,8

74

10

4

4

400

229,8

980,4

73

10

4

4

400

226,0

964,3

71,8

10

4

4

Среднее арифметическое значения прочности, МПа

229,6

500

298,1

1271,8

94,7

10

4

4

500

300,3

1281,2

95,4

10

4

4

500

302,8

1292,0

96,2

10

4

4

Среднее арифметическое значения прочности, МПа

300,4

600

251,8

1074,4

80

10

4

4

600

309,1

1318,8

98,2

10

4

4

600

191,7

817,9

60,9

10

4

4

Среднее арифметическое значения прочности, МПа

250,9

Ингредиенты для получения аппретирующего состава, как было сказано раньше, приготавливались в стеклянном термостакане при температуре 80 °С в течение 8 минут до получения однородной прозрачной жидкости. После приготовления аппрета он вводился в сухой порошок ЦЦ из расчета 4-6 кг/т и смесь тщательно перемешивалась до полного смачивания всего объема (поскольку ЦЦ имеет практически нулевую маслоемкость, поэтому этого количества вполне хватает на 1 тонну). В лабораторных условиях эксперимент проводился из расчета 3 кг ЦЦ и 5-15 мл аппрета [87]. Как видно из графика и табл, наиболее высокие показатели связующего при приготовлении аппретирующего состава в состав которого входит 500 г MEMO на 30 литров дистиллированной воды.

В результате экспериментальных исследований было установлено, что максимальная прочность на растяжение при изгибе связующего на основе метилметакрилата была получена при использовании аппрета на основе силана марки MEMO в количестве 500 гр. на 30 литров воды и 5 кг аппрета на 1 т ЦЦ. Прочность образцов на растяжении при изгибе составляет около 30 МПа (см. табл. 8).

Таблица 8

Прочность на растяжение при изгибе при количестве аппрета

MEMO

Количество аппрета MEMO в кг/т на 30 литров воды

300

400

500

600

Прочность на растяжение при изгибе

215,6

229,6

300,4

250,9

Состав связующего: метилметакрилат (Дегарут-465) - 29 %; стеклянный порошок (ср. размер частиц около 50 мкм) ЦЦ предварительно обработанный аппретирующим составом - 69,5 %; отвердитель (бензоилпероксид - сухой порошок) - 1,5 %. Физико-механические и технологические показатели: прочность на растяжение при изгибе 30 МПа; водопоглащение - 0,01 %; адгезия к стеклу 21 МПа; температура применения от минус 20 до плюс 35 °С; вязкость, сек, по ВЗ-246 с диаметром отверстия 4 мм - 250 с; жизнеспособность - 20 минут; время полимеризации до набора 75 % прочности на растяжение при изгибе 60 минут; время полной полимеризации 12 часов.

Для получения композиционного материала из отходов древесины необходимо предварительно обработать отходы тем же аппретирующим составом из расчета 100-150 г/кв. м поверхности древесины и высушить до естественной влажности. Затем подготовить связующее, уложить слой древесины в форму, с условием, чтобы связующее заполнило все полости древесины. Технология приготовления конструкционных материалов различной высоты производится послойно.

При всех положительных результатах экспериментов исследования зависимостей прочности на растяжение при изгибе, состава аппрета и его количества, условной когезионной прочности от вида, количества отвердителя (бензо- илпероксида), а также используемых метилметакриловых смол, нельзя сделать правильный их выбор без исследования одного из главных показателей связующего материала, а именно - адгезионной прочности к отходам древесины. При условии, когда когезионная прочность будет больше или равной адгезионной придется дополнительно разрабатывать адгезионную грунтовку, а это приведет к дополнительным технологическим операциям при применении и финансовым затратам.

На практике часто не делают различия между физическим понятием «адгезия» и конкретной характеристикой адгезии - «адгезионной прочностью». Однако адгезионная прочность может быть приравнена к адгезии только тогда, когда адгезионное соединение не имеет дефектов, а разрушение его проводится с бесконечно малой скоростью. Практически эти условия невыполнимы, поэтому адгезия и адгезионная прочность не могут быть отождествлены.

Адгезионную прочность вяжущего материала к древесине определяли на образцах в виде «крестов» (две балочки размером 40x40x160 мм, расположенные под углом 90° друг к другу) (рис. 70).

Схема для определения адгезионной прочности вяжущего на деревянных балочках

Рис. 70. Схема для определения адгезионной прочности вяжущего на деревянных балочках

Относительная влажность, прочностные характеристики древесины, из которой были изготовлены балочки, соответствовали требованиям ГОСТ на древесину, применяемую в строительстве. Приготовление образцов в виде «крестов» осуществляли путем нанесения на среднюю часть одной из балочек слоя вяжущего толщиной 2 мм. Вторую балочку укладывали гранью под углом 90°. Приготовленный образец устанавливали под пресс с давлением 0,5 МПа при температуре (20±2) °С в течение 1 часа, т.е. до полной полимеризации вяжущего.

Испытания всех трех типов образцов проводили при температурах плюс 20 °С, 0 °С и минус 20 °С. По шесть образцов-близнецов из каждой серии помещали в морозильную камеру и охлаждали: половина - до температуры 0 °С, другая половина - до минус 20 °С. Время выдерживания при заданных температурах составляла не менее 2 часов, с целью охлаждения образцов по всему объему.

Образцы поочередно при каждой температуре, начиная с плюс 20 °С, устанавливали в захваты разрывной машины. Время с момента извлечения образцов из морозильной камеры до начала растяжения не превышало 30 сек.

Рассмотрим изменение адгезионной прочности при испытаниях образцов от количества отвердителя при разрыве вяжущего материала (рис. 71).

Испытание на скалывание древесного композита со связующим на основе метилметакрилата

Рис. 71. Испытание на скалывание древесного композита со связующим на основе метилметакрилата

Адгезионный и смешанные разрывы от древесины при разработке рациональной рецептуры вяжущего материала в дальнейшем будем исключать, поскольку они могут образоваться при возможных нарушениях технологии при производстве работ по изготовлению конструкционных деталей из деревопластика.

В структурированном состоянии закономерности процессов разрушения эластомеров зависят от возможности активации термофлуктуационных актов разрыва межатомных связей при повышении температуры.

Считается, что в эксплуатационном температурном диапазоне от минус 60 °С до плюс 60 °С изменение активации данного процесса для связей, характерных для склеенных деревянных конструкций, незначительно. Установлено, что изменение прочности в сухом состоянии для древесины не превышает 10 % во всем температурном диапазоне от минус 60 °С до плюс 60 °С. Поэтому при испытаниях вяжущего на адгезионную прочность к древесине при различных температурах, изменениями ее прочности можно пренебречь.

В результате экспериментов установлено, что адгезионная прочность вяжущего к древесине, изготовленного на метилметакрилате Дегарут-465 в присутствии наполнителя ЦЦ, намного выше (кривые), чем на чистом, отвержденных бензоилпероксидом. Максимальное значение адгезионной прочности вяжущего на метилметакрилате при содержании отвердителя 1,5 мас.ч. составляет 12 МПа, а при 1 мас.ч. - 5,4 МПа. Важно подчеркнуть, что адгезионная прочность при тех же значениях количества отвердителя всегда выше когезионной, т.е. выполняется основное требование прочностного неравенства связующего материала - адгезионная прочность должна быть всегда выше когезионной.

Адгезионная прочность к древесине выше при использовании в качестве грунтовочного состава метилметакрилат Дегарут-662, поскольку он менее реакционноспособный и не вызывает концентрации напряжений в древесине. Максимальное значение адгезионной прочности 12 МПа с относительным удлинением в 0,2 % выявлено при содержании 1,5 мас.ч. отвердителя, что согласуется с предыдущими экспериментами. Увеличение содержания отвердителя дает отрицательные результаты. При испытаниях вяжущего на адгезионную прочность, также изучался характер разрушения. В 90 % случаев характер разрушения был когезионный, т.е. по материалу и только в 10 % образцов - смешанный (по материалу и древесине). Также экспериментально установлено, что метилметакрилат Дегарут-465 обладает более высокими адгезионными свойствами, чем Дегарут-660. Это, по-видимому, связано с меньшей молекулярной массой и, как следствие большей растекаемостью жидкого материала по подложке древесины, что способствует увеличению площади фактического контакта. Растекание и смачивание создают необходимые условия для адгезии: заполнение трещин, пор, увеличение площади контакта и т.д., что приводит к росту числа связей и адгезии в целом. Однако смачивание является необходимым, но не достаточным условием формирования адгезионного взаимодействия вяжущее-древесина.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >