Жогорку күчтүү эпоксиддик композиттерди алуу үчүн алифаттык аминдерди колдонуу

Неге алифаттык аминдер тез, жогорку берилгичтик эпоксиддик чыбыртмаларды алып келет?

Нуклеофилдик кошулушунун кинетикасы: Биринчи деңгээлдеги аминдердин реакцияга кабылдуулугу кантип тез гельденүүнү жана башталгыч берилгичтиктин пайда болушун камсыз кылат

Эпоксиддик полимерлерди тездетип катуулатуу жөнүндө сөз болгондо, алифаттык аминдер нуклеофилдик кошулуш процесстерин аркылуу өз иштерин аткарат. Биринчи дәрэжелүү амин топтору (-NH2) негизинен бул эпоксиддик сакчыларга тез кирет, алардын ортосунда коваленттик байланыштар пайда болот, бул бардыгын тез чапташтырат. Бул жерде болуп жаткан иш-аракет химиктер «экинчи дәрэжелүү кинетика» деп аталган заңдыкка ылайык өтөт. Ошондуктан аминдин мөлчөрүн көбөйтсөңүз же температураны көтөрсөңүз, катуулатуу процесси жөн гана тездеп калбай, экспоненциалдуу тездеп калат. Ароматтык аминдерге же жашыруун катализаторлорго салыштырғанда, бул алифаттык аминдер азот атомдорунан электрондорду берүүдө анча-мынча жакшы. Сынамалар DGEBA системаларында сакчыларды ачуу жылдамдыгын 30–40 процентке чейин көтөрүшүн көрсөттү. Натыйжа? Гельденүү өтө тез өтөт — кэпилдикте жарым саат ичинде болот, бул композиттерди өндүрүүдө өтө маанилүү баштапкы берктикти берет. Бул маанилүү, себеби бул табакчаларды (layup) жайгаштыруу учурунда талшыктардын ордунан чыгып кетүүсүнө жол бербейт жана өндүрүш циклинде ар түрлүү шаблондор менен кургактарды колдонуу зарылдыгын азайтат.

Амбиенттүү шартта катууруу боюнча салыштырма өлчөм: DETA жана TETA менен катууруулган DGEBA 24 саат ичинде >85 МПа чекиттик күчкө жетет

Диэтилэнтриамин (DETA) жана триэтилэнтетрамин (TETA) — амбиенттүү шартта катуурууланган эпоксиддердин өнөрөсүндөгү эталондук заттар. Алар бисфенол-А диглицидил эфиринин (DGEBA) менен 23°C температурада жана 50% салыштырмалуу нымдуулукта реакцияга киргенде, кийинки жылытуу талап кылбай, түзүлүштүк талаптарды туруктуу түрдө кошумча түрдө ошондой эле ашырып келет:

Алардын төмөн молекулалык салмағы жана жогорку амин функциялыгы тыгыз, бирдиктүү тармакталууга мүмкүндүк берет — бул туурасында жалпылама же жылуулукка сезгич колдонулуштарда, мисалы, шамалдын турбинасынын канаттары же бириктирилген электрондук корпусдордо, күчтүү механикалык өнөрүштүн туурасында түз көрсөтүлөт.

Алифатикалык амин структурасы–кылмышынын байланыштары: Тармакталуу тыгыздыгын жана тармакталган тармактын бирдиктүүлүгүн иштеп чыгуу

Функциялык таасири: Триаминдер (мисалы, TETA) жана диаминдер (мисалы, DETA) — DMA жана эритиндеги иштеп чыгуу аркылуу тармакталуу тыгыздыгын өлчөө

Триамин катализаторлору, мисалы TETA, диаминдерге, мисалы DETA, салыштырылганда, тармакталуу процессинде белгилүү айырмачылык байкалат. TETA DETAга караганда реакциялык орундарды жакында 50% көбүрөөк камтыйт, ошондуктан ал материалдын бардык көлөмүндө чыныгы тармакталуу тыгыздыгын жогорулатат. Динамикалык механикалык анализ (DMA) да бул тезиске ишеничтүү далил берет. TETA менен катуулаштырылган эпоксиддердин шыныдан өтүү температурасы (Tg) DETA менен катуулаштырылган эпоксиддерге караганда жакында 15 градус Цельсийге жогору болот. Бул температурадагы айырма полимер тизмектеринин канчалык тыгыз бекитилгенин көрсөтөт. Бул таасирди раствордуу шишилүү сыноолорунда да баамдайбыз. TETA тармактарын ацетонго салганда, алар DETA тармактарына караганда көлөмү боюнча жакында 20–30% га аз гана кеңейет. Бул материалдардын структуралык тыгыздыгы жөнүндө көп нерсе айтып берет. Формула өнүктүрүү менен иштеген адамдар үчүн мындай өлчөмдүү айырмачылыктар чоң мааниге ээ. Алар формулачыларга акыркы продукттун ар кандай колдонуу ортосунда термалдык, химиялык же структуралык талааларга чыдамдуулугуна жараша туура амин түрүн тандоого чыныгы контролдук мүмкүнчүлүк берет.

Аминдик архитектуранын таасири: Биринчи/экинчи тартиптеги аминдердин катышы жана алкил тилкесинин узундугу Тg, сынуу чыдамдуулугу жана кургаганда биртектүүлүккө таасир этет

Молекулалардын курамы негизги функциянын өтүшүнөн ашып, материалдардын иштешин канчалык жакшы болорун чыныгысында аныктайт. Мисалы, алкыл баштагычтарды алсак. Этилен көпүрөлөрү сыяктуу кыска баштагычтар тизмектердин кыймылын пропилен тизмектерине салыштырганда нааразылыкка учуранат. Бул чектөө шыны түзүлүшүнүн температурасын (Tg) 25–40 градус Цельсийге чейин көтөрөт, бирок бул 35% чамасында соқкуга каршылыкты төмөндөтүп, баасын төмөндөтүп турат. Аминдер менен болгондо, биринчи түрдөгүлөр тезирээк реакциялана баштайт, бирок алар катуураак структураларды пайда кылат, алар жеңил сынат. Экинчи түрдөгү аминдер болсо, материалдардын оңой согулушуна жана беттин бардык жеринде бирдей катуулашууна мүмкүндүк берген эластик байланыштарды түзөт. Биринчи жана экинчи түрдөгү аминдердин катышын 2:1ден төмөн держать — бул көбүнчө туура баланс. Бул процесс учурунда бардык компоненттер туура өзгөрүшүн камсыз кылат жана катуулашуу толук болбогон жумшак жерлерди түзбөйт. Техникалык каражаттардын бөлүктөрү же электр транспортуна арналган аккумулятор корпуслору сыяктуу надеждуу материалдарды талап кылган өнөрөс тармагы үчүн молекулярдык структураны туура тандоо продукттун узак мөөнөткө сакталышы жана коопсуздугу үчүн маанилүү.

Алифатикалык амин менен катуу эпоксид композиттеринде күчтүүлүк жана төзүмдүүлүк иштетилүүсү

Катуулуктун алмашуусу: IPDAнын жогорку модулусу (3,2 ГПа) жана төмөнкү соқкуга төзүмдүүлүгү DETAга караганда

Алифаттык аминдерди тандау — материалдын конструкциясында катуулук менен чыдамдуулуктун ортосунда жүрүштүн жипти басып өтүүгө барабар. Мисалы, IPDA. Бул заттын циклоалифаттык структурасы чоңдукта 3,2 ГПа чамасындагы керилүүчү күч берет. Бирок бул жерде бир кемчилик бар: ал тез өзгөрүп турган температурада же түзөнгөн шоктарга карата чыдамдуулугу төмөн. Микротрещиналар материалдар температура өзгөрүшүнө же түзөнгөн соқкуларга учурап калганда пайда болот. Ал эми туура тармактуу аминдер, мисалы DETA, катуулугун (чоңдукта 2,1 ГПа) жоготуп, бирок ичке углерод тармактарынын эсебинен ийлөөчүлүгүнө байланыштуу энергияны жутуу кабилийетин жогорулатат. Бул компромисстин себеби — тармактардын тармакталуу тыгыздыгында. IPDA тармактардын тыгыздалуусун көбөйтө албайт, анткени бул тармактардын өтө тыгыздалуусуна алып келет жана натыйжада катуу, бирок сапатсыз тармактар пайда болот. Ал эми DETA-нын аз тыгыздалган тармактары тармактардын зарыл деңгээлде ийлөөсүнө мүмкүндүк берет, ошондой эле соқку энергиясы зыян келтиргенге чейин аны жутуу мүмкүн.

Гибриддик катууруу стратегиялары: Күчтүүлүктү сактоо үчүн алифаттык аминдерди ароматтык же полиэфир-модификацияланган аминдер менен бириктирүү, бирок пластичносту жакшыртуу

Күч жана төзүмдүлүк ортосундагы балансды сактоо маселеси көпчүлүк өндүрүшчүлөрдү бүгүнкү күндө гибрид катуулаткыч системаларына карай бургузуп жатат. 2024-жылы BMC Chemistry журналында жарыяланган жаңы изилдөөлөрдө IPDA жана TETA заттарын 3:1 чоңдуктагы катышта аралаштырганда кызыктуу натыйжалар алынган. Эмне болгон? Басымга каршы күч 94 МПа деңгээлинде сакталган, бирок таза IPDA гана колдонулган учурга салыштырғанда сындырууга каршы туруктуулуктун 40% га чейин жогорулашы бааланган. Жана бул жерде кызыгып калбайсыз: комурилүү убактысы да баштапкыдан эле ошондой эле калган. Бул гибрид формулалары иштейт, анткени алар жылуулукка каршы туруктуулукту камсыз кылуучу ароматикалык компоненттерди жана тизмектерге көбүрөөк эластичносту берүүчү полиэфир бөлүктөрүн бириктирип, булардын арасында тыгыз бутактанган тармактуу структураны түзөт. Материалдар иштетилгенде бул айрым фазаларды пайда кылса, алар чынында стресс топтолушунун нүктөлөрү болуп калат. Бул энергияны жутуу үчүн контролдолгон ыкмада майда трещиналардын пайда болушуна алып келет, башкача айтканда, зыяндын чексиз таралышына жол бербейт. Демек, биз алкилдуу соединениялардан келип чыккан тез комурилүү убактысы жана күчтүү механикалык касиеттерин жоготпой, бирок өнүккөн өзгөрүштөрдүн (failure) каршылыгын жакшыртабыз.

Көп берилүүчү суроолор

Алифаттык аминдер деген эмне?

Алифаттык аминдер — негизинен ачык тармактуу молекулалык структураларды камтыган, адатта карбон-азот байланыштарынан турган аминдердин бир классы. Алар кескин чокулуу реакцияларды тез баштаганы үчүн эпоксиддик полимерлерди катууландырууда колдонулат.

Көлөмдүк шартта катуулануучу эпоксиддер (ambient-cure epoxy) кандай иштейт?

Көлөмдүк шартта катуулануучу эпоксиддер кошумча жылытууга муктаж болбогондо, башкача айтканда, бөлмө температурасында катууланууга ыңгайлаштырылган. Диэтилен триамин (DETA) жана триэтилен тетрамин (TETA) сыяктуу катууландыргычтардын колдонулушу тез катууланууну жана жогорку созулма прочностун камсыз кылат.

Эпоксиддик полимерлерди катууландырууда биринчи жана экинчи тектеги аминдердин ортосундагы айырма эмнеде?

Биринчи тектеги аминдер эпоксиддик полимерлерди катууландырууда тезирээк реакцияга кирет, бул катуу структураларды пайда кылат; ал эми экинчи тектеги аминдер ийилгич байланыштарды түзөт, бул башкача айтканда, жакшы ийилгичтикке жана беттин бардык бөлүгүндө бирдей катууланууга алып келет.

Гибриддик катууландыруу стратегияларын колдонуунун мааниси эмнеде?

Гибриддик кургатуу стратегиялары күчтүүлүк жана эластичтиктин балансын камсыз кылуу үчүн алифаттык аминдерди ароматтык же полиэфир менен өзгөртүлгөн аминдер менен бириктиришет, бул сыныкка каршы турактуулукту жакшыртат жана негизги механикалык касиеттерди сактайт.