Էպօքսիդային ցանցային ագենտներ՝ էֆեկտիվ խաչաձև կապում ապահովելով էպօքսիդային բաղադրություններում

Էփոքսի ցանցային հարմարեցուցիչների քիմիայի դերը ցանցի ձևավորման և ցանցային ամրացման կինետիկայում

Ինչպես է էփոքսի ցանցային հարմարեցուցիչը նախաձեռնում խաչաձև կապման ռեակցիաները

Էփոքսի համակարգերում կապման գործընթացը սկսվում է, երբ շաղախի մոլեկուլներում առկա էպօքսիդային խմբերը փոխազդում են շաղախիչների հետ: Երբ հատկապես դիտարկում ենք ամինային շաղախիչները, դրանք իրականում նուկլեոֆիլային հարձակումներ են իրականացնում էփոքսի օղակաձև կառուցվածքների վրա, ինչը ստեղծում է հիդրոքսիլային խմբեր, որոնք օգնում են տարածել խաչաձև կապման ցանցը: Այս գործընթացի արագությունը կախված է էփոքսիի և ամինի ճիշտ խառնման հարաբերակցությունից և ջերմաստիճանի ճիշտ կարգավորումից: Վերջերս կատարված հետազոտությունները ցույց են տվել, որ եթե արտադրողները սխալ հարաբերակցություն օգտագործեն, վերջնական արտադրանքում խաչաձև կապման խտությունը կարող է 12-ից 18 տոկոսով ցածր լինել: Որոշ երրորդական ամիններ իրականում աշխատում են որպես կատալիզատորներ՝ նվազեցնելով ռեակցիայի համար անհրաժեշտ էներգիան և արագացնելով գործընթացը: Մյուս կողմից՝ անհիդրիդային շաղախիչներին անհրաժեշտ է բավականին բարձր ջերմաստիճան, քանի որ սենյակային ջերմաստիճանում դրանք գործնականում չեն փոխազդում:

Կառուցվածք-հատկությունների փոխհարաբերությունները ցանցերում, որոնք պնդացված են էպօքսիդային ցանցերում

Վերջնական ցանցի աշխատանքի լավությունը իրականում կախված է այն բանից, թե ինչպիսի մոլեկուլային կառուցվածք ունի ցանցավորողը: Վերցրե՛ք, օրինակ, գծային ալիֆատիկ ամինները՝ դրանք ստեղծում են խիտ ցանցեր, որոնք կարող են դիմակայել ապակեացման անցման ջերմաստիճաններին՝ 120 աստիճան Ցելսիուսից բարձր: Սա դրանք դարձնում է գրեթե անհրաժեշտ բարձր կարգավիճակ ունեցող ավիատիեզերական կոմպոզիտային նյութերի համար: Չափավոր ցանցավորողները այլ կերպ են աշխատում: Դրանք շղթաներին ավելի ճկունություն են տալիս, ինչը նշանակում է, որ դրանցով պատրաստված մասերը ավելի լավ են դիմակայում հարվածներին՝ որոշ փորձարկումներում հնարավոր է 40% բարելավում, սակայն քիմիական կայունության նվազմամբ: Վերջերս հետազոտությունները ցույց են տվել, որ հիպերճյուղավորված ցանցավորողները, թվում է, հատկացնում են ճիշտ հավասարակշռություն: Հետազոտողները պարզել են, որ դրանք կարող են մոտ 25% բարձրացնել ամրությունը՝ առանց Tg-ի խանգարման DGEBA հիմնված համակարգերում: Թույլտվությունը, թվում է, այն է, թե ինչպես են դրանք տեղավորվում ցանցի կառուցվածքում՝ նաև նյութի վրա լարվածության կետերը տարածելով:

Ամինի, անհիդրիդի և ֆենոլիկ ցանցային ագենտների համեմատական վերլուծություն

Անհիդրիդները ապահովում են գերազանց ջերմային և քիմիական դիմադրություն, սակայն պահանջում են բարձր խոհային ջերմաստիճաններ: Ֆենոլային շառաչները գերազանց աշխատում են հիմնային միջավայրերում, իսկ ամինները գերիշխում են արագ շառաչման կիրառություններում: Հիբրիդային ձևավորումները, օգտագործելով 60 % ամին և 40 % անհիդրիդ, 20 % -ով ավելի արագ են շառաչվում, քան մաքուր անհիդրիդային համակարգերը, միավորելով արագ ռեակցիայի սկիզբը բարձր ջերմաստիճանային կատարողականի հետ:

Շառաչման վարքը և խաչաձև կապման խտությունը՝ ռեակտիվության և կայունության հավասարակշռում

Շառաչիչի քիմիան և շառաչման կինետիկան որոշում են վերջնական նյութի հատկությունները: Խաչաձև կապման խտության և ռեակցիայի արագության ճշգրիտ վերահսկումը ապահովում է օպտիմալ մեխանիկական ամրություն՝ խուսափելով преждевременной ժելացման կամ ամբողջությամբ չշառաչված վիճակից:

Շառաչման մեխանիզմը մոդիֆիկացված էպոքսիդային համակարգերում

Խաչաձև կապման գործընթացը սկսվում է անմիջապես, երբ շիկացնողը սկսում է աշխատել այդ էպօքսիդային խմբերի հետ՝ ստեղծելով ուժեղ կովալենտային կապեր, որոնք կազմում են այս 3D ցանցային կառուցվածքները: Երբ մենք դիտարկում ենք լցիչներ կամ պլաստիֆիկատորներ ներառող մոդիֆիկացված համակարգեր, դրանց փոխակերպման եղանակը փոխվում է ֆիզիկական խոչընդոտների կամ ջրածնային կապի նման այլ փոխազդեցությունների պատճառով: Վերցրեք օրինակ սիլիցիումի նանոմասնիկները: Դրանց 10-20 տոկոսի ավելացումը փաստացի նվազեցնում է փոխակերպման գործընթացը մոտ 15% -ով: Մոլեկուլները այլևս այդքան ազատ չեն կարող շարժվել: Սակայն այստեղ էլ առկա է փոխզիջում: Այս նույն նանոմասնիկները օգնում են ստեղծել ավելի համաչափ ցանցային կառուցվածք: Նրանք աշխատում են ինչպես կաղապարներ՝ ուղղորդելով, թե որտեղ պետք է ձևավորվեն խաչաձև կապերը, ինչը վերջնականապես ամբողջ համակարգը ավելի համապատասխան դարձնում:

Ֆունկցիոնալ խմբերի կոնցենտրացիայի ազդեցությունը ցանցային կառուցվածքի համասեռության վրա

Բարձր ֆունկցիոնալ խմբերի կոնցենտրացիան արագացնում է ցանցի ձևավորումը, սակայն կարող է հանգեցնել տեղական չափով ավելցուկային խաչաձև կապման։ Ամինային շիթային ագենտի քանակի կրկնապատկումը՝ 1,2 մոլ/կգ-ից մինչև 2,4 մոլ/կգ, առաջացնում է ձգման ամրության 40 %-այի աճ, սակայն նվազեցնում է կորուստի դեֆորմացիան 32 %-ով, ինչը ցուցադրում է նյութի փխրեցում։ Կառուցվածքային համասեռությունն ապահովելու համար կրիտիկական է պահպանել ստոյքիոմետրիկ հավասարակշռությունը ±5 %-ի սահմաններում խեժի և շիթային ագենտի միջև:

Արագ շիթացման և պահման ժամկետի միջև հավասարակշռության կառավարում

Ցիկլոալիֆատիկ ամինային համակարգերը շատ արագ են ցանկանում, կես ժամվա ընթացքում հասնելով մոտ 90% փոխարկման, թեև դրանց պահման ժամկետը սահմանափակված է 60 րոպեից պակասով: Ընդ որում, անհիդրիդի հիմքի վրա հիմնված ապրանքները կարող են պահվել մոտ վեց ամիս սենյակային ջերմաստիճանում՝ դանդաղ ռեակցիայի շնորհիվ: Արագացուցիչների դեպքում իմիդազոլներն ու երրորդական ամինները լավ են աշխատում՝ ժելացման գործընթացը հետաձգելու համար՝ առանց խանգարելու բարձր ջերմաստիճանային ցանկալության ընթացքին: Այս ավելացուցիչները արտադրողներին տալիս են մշակման ժամանակի ճկունություն՝ ապահովելով լավ վերջնական արդյունքներ: Շատ արտադրամասեր արտադրության պլանավորման համար շատ կարևոր են համարում արագության և վերահսկողության այս հավասարակշռությունը:

Հիպերճյուղավորված պոլիմերները որպես ռեակտիվ մոդիֆիկատորներ՝ բարելավված կայունություն ապահովելու համար

Հիպերճյուղավորված էպօքսիդային մոդիֆիկատորների նախագծում և սինթեզ

Գիտնականները հիպերճյուղավորված պոլիմերներն օգտագործում են էպոքսիդային շիկացուցիչների հետ ավելի լավ աշխատելու համար՝ վերահսկելով դենդրիտային կառուցվածքների ձևավորումը: Այս նյութերն ունեն շրջանաձև՝ 3D ձև, որի բազմաթիվ վերջային խմբեր, ինչպիսիք են հիդրոքսիլները կամ ամինները, մասնակցում են խաչաձև կապման գործընթացին: Երբ ստանում են պոլիէթերային կամ պոլիսիլոքսանային տարբերակներ, հետազոտողները սովորաբար դանդաղ են ավելացնում մոնոմերները՝ 60-ից 90 աստիճան Ցելսիուսի միջակայքում, ինչը օգնում է ստեղծել ավելի նեղ մոլեկուլային զանգվածի միջակայքեր: Հետաքրքիր երևույթ է տեղի ունենում, երբ համեմատում ենք ալիֆատիկ և արոմատիկ հիպերճյուղավորված պոլիէսթերների ռեակցիան DGEBA-ի հետ: Ալիֆատիկ տարբերակները սովորաբար 40 տոկոսով ավելի արագ են ռեագում, քանի որ նրանց ճկուն շղթայական կառուցվածքները նվազեցնում են այն, ինչը քիմիկոսները կոչում են ստերիկ խոչընդոտում, ինչը դարձնում է դրանք ավելի արդյունավետ որոշ արդյունաբերական կիրառությունների համար, որտեղ ռեակցիայի արագությունն ունի կարևոր նշանակություն:

Էփոքսի հարմարեցուցիչների համակարգերում ամրացման մեխանիզմները հիպերճյուղավորված ավելացուցիչների դեպքում

Հիպերճյուղավորված պոլիմերները բարձրացնում են նյութի կայունությունը մի քանի եղանակներով, ներառյալ նանոսանտիմետրային ֆազային առանձնացում, ճեղքերի շեղում, երբ ճեղքերը հարվածում են այդ ճյուղավորման կետերին, և լարվածության վերաբաշխում՝ շնորհիվ այն դինամիկ կովալենտային կապերի, որոնք մենք տեսնում ենք դրանց մեջ: Երբ 5-ից 15 կշռային տոկոսի սահմաններում են բեռնված, այս պոլիմերները բնական կերպով առաջացնում են միցելային կառուցվածքներ, որոնք կարող են կլանել մոտ 60%-ով ավելի շատ էներգիա ճեղքվածքների ընթացքում՝ համեմատած սովորական էպօքսիդների հետ, որոնք չեն փոփոխվել: Այս երևույթի արդյունավետության գաղտնիքը կայանում է ինքնին ճյուղավորված կառուցվածքում, որը թույլ է տալիս կապերին վերակազմավորվել ճնշման տակ, ինչը նշանակում է, որ հարվածի դիմադրությունը մոտ 25%-ով ավելանում է այն համակարգերում, որտեղ ավելացվել է պոլիսիլոքսան: Եվ հետևյալը նույնպես հետաքրքիր է. այս բոլոր բարելավումները տեղի են ունենում՝ պահպանելով լավ վիսկոէլաստիկ հատկությունները, նույնիսկ այն դեպքում, երբ խաչաձև կապումը շատ բարձր է, երբեմն 85%-ից ավել: Այս տիպի արդյունավետությունը՝ այլ կարևոր հատկությունները չվնասելով, հիպերճյուղավորված պոլիմերներին դարձնում է շատ հիանալի ընտրություն առաջադեմ նյութերի կիրառման համար:

Ծանրողային ցանցերի առաջադեմ ճարտարապետուրա. Երկուական դինամիկ խաչաձև կապում՝ բարելավված արդյունավետության համար

Երկուական դինամիկ խաչաձև կապված էպօքսիդային ցանցերի վիսկոէլաստիկ վարքը

Երկակի դինամիկ ցանցի նյութերը աշխատում են՝ համատեղելով սովորական կովալենտային կապերը այս հատուկ ադապտիվ կապերի հետ, ինչպիսիք են դիսուլֆիդային կամ իմինային կապերը: Այս ամենն ընդհանուր առմամբ նյութին ավելի լավ վիսկոէլաստիկ հատկություններ է տալիս: Երբ դիտարկում ենք իրական արդյունավետության ցուցանիշները, այս նոր նյութերը կարող են ձգվել 25-ից մինչև 40 տոկոսով ավելի հեռու՝ կոտրվելուց առաջ, համեմատած ստանդարտ էպոքսիդային սառույցների հետ, սակայն դեռևս պահպանում են իրենց կառուցվածքային կոշտությունը: Կրկնվող լարվածության ցիկլերի ընթացքում այդ դինամիկ կապերը իրականում ժամանակավորապես կոտրվում են, ապա նորից վերակազմվում, ինչը օգնում է կլանել հարվածի էներգիան և փորձարկումների համաձայն՝ կրճատում ճեղքերի տարածումը նյութի մեջ մոտ 60%: Ինժեներների համար, ովքեր նախագծում են ինքնաթիռների շարժիչների կամ արբանյակների մասեր, որտեղ անընդհատ թրթռոցները ամենօրյա գործողության մաս են կազմում, այս տեսակի մաշվողականությունը իսկապես առանձնանում է որպես մի բան, որը արժե դիտարկել համեմատած ավանդական նյութերի հետ:

Էներգիայի դիսիպացիան դինամիկ կովալենտային կապերի միջոցով դարձրացված էպոքսիդային մատրիցներում

Դինամիկ կովալենտ կապերի առկայությունը մեծ տարբերություն է առաջացնում, երբ խոսքը շրջանափակված էպօքսիդային նյութերի կողմից կլանվող էներգիայի քանակի մասին: Երբ ինչ-որ բան հարվածում է այս նյութերին, կապերը նպատակաուղղված կերպով կոտրվում են հարվածի ընթացքում, ինչը օգնում է կլանել մոտ 300 Ջոուլ մեկ քառակուսի մետրի վրա: Այդ կլանման մակարդակը եռապատկում է այն, ինչ սովորաբար տեսնում ենք սովորական անհիդրիդ հիմնված համակարգերում: Բորոնային էսթերի կապեր պարունակող վիտրիմերային ցանցերի դեպքում փորձարկումները ցույց են տվել, որ դրանք նաև բավականին լավ են վերականգնվում: Մոտ 80 աստիճան Ցելսիուսի վրա այս նյութերը հասնում են գրեթե 94 տոկոսանոց ինքնավերականգնման կարողության, ուստի նույնիսկ վնասվելուց հետո վերականգնում են իրենց մեծամասնություն ուժին: Այս տեսակի ինտելեկտուալ վարքագիծը շատ կարևոր է օրինակ ավտոմեքենաների թաղանթացումների համար: Ավտոմեքենաներին անհրաժեշտ են այնպիսի նյութեր, որոնք կարողանան դիմանալ կրկնվող ջերմաստիճանային փոփոխություններին և անընդհատ հարվածներին՝ առանց քայքայվելու, սակայն նաև այնպիսիներ, որոնք արտադրողները կարող են վերանորոգել՝ ամբողջովին փոխարինելու փոխարեն: