Сотрудники Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН и Российского технологического университета МИРЭА, обобщив результаты собственных многолетних исследований и опубликованные данные других научных групп, предложили аналитический подход к прогнозированию оптимального режима отверждения термореактивных систем на примере эпокси-аминных композиций.

Этот подход позволяет без проведения большого числа экспериментов рассчитывать оптимальные температуру и продолжительность отверждения — в том числе для новых систем подобного рода. Оптимизация режима отверждения позволяет улучшить качество и повысить срок службы полимерных материалов и покрытий.

Материалы на основе эпоксидных олигомеров получили широкое распространение благодаря высокой адгезии к различным поверхностям, химической стойкости и механической прочности. Необходимым условием для получения высококачественных изделий на основе эпоксидов является их полное отверждение — то есть исчерпание реагирующих групп и получение стабильного продукта с постоянной температурой размягчения/стеклования. Если отверждение проводится при температуре ниже максимальной для данной системы температуры стеклования, то система затвердевает, химические процессы в ней практически останавливаются, но при этом остается ещё некоторое количество способных к реакции групп. В результате полимер оказывается отверждён лишь частично и не реализует всего потенциала свойств, в него заложенных.

«Когда при комнатной температуре  (23 ºС)  отверждают композицию с максимально достижимой температурой стеклования, скажем, 90 ºС, — рассказал один из авторов работы, заведующий лабораторией физикохимии коллоидных систем ИФХЭ РАН кандидат химических наук Иван Сенчихин, — то система перейдёт в стеклообразное состояние, но при этом не все функциональные группы в ней успеют прореагировать. Тогда мы получим недоотверждённый материал, который не будет обладать заданными свойствами. Конечно, такую систему можно нагревать и доотверждать. Некоторые исследователи предлагают многостадийные — до шести этапов, сценарии отверждения. Однако это, во-первых, энергетически затратно, а во-вторых, может привести к ухудшению свойств материала, например, из-за деструкции при излишнем нагревании».

Таким образом, перед исследователями стояла задача — найти оптимальный режим отверждения термореактивных систем, который позволит с наименьшими энергетическими затратами и не опасаясь ухудшения свойств, получить полностью отверждённый материал.

«Ранее мы предложили подход к выбору оптимального режима отверждения, который позволяет свести процесс к двум стадиям, — объяснил Иван Сенчихин. — Сначала проводят отверждение при произвольно выбранной температуре — например, комнатной. Далее композицию нагревают до температуры чуть выше температуры стеклования. Определение температур и расчет продолжительности обеих стадий составляют суть нашей новой работы. Оказалось, что ключевые зависимости можно не только получить экспериментально, но и рассчитать теоретически на основании массива опубликованной информации для эпокси-аминных систем различной природы».

Авторы работы вывели эмпирические формулы, связывающие основные характеристики процессов отверждения. Пользуясь этими формулами, можно без трудоёмкого эксперимента прогнозировать оптимальные параметры (температуру и время) для двухстадийного отверждения. Эмпирические формулы были подтверждены экспериментами, в которых анализировались различные эпокси-аминные системы.

«Данная работа — обобщение многолетних исследований эпокси-аминных систем, — подвёл итог Иван Сенчихин. — Мы предложили аналитический подход для выбора оптимального режима отверждения эпокси-аминных композиций. На модельных системах мы показали применимость этого подхода. Надеемся, что он будет востребован при расчётах режима отверждения для широкого круга термореактивных систем».

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ. Результаты опубликованы в журнале Reactive and Functional Polymers.

Текст: Ольга Макарова / ИФХЭ РАН.
Источник: пресс-служба Минобрнауки России.