Результаты эксперимента и их обсуждение

Органические стекла находят широкое применение в различных областях промышленности для остекления автомобильного, железнодорожного, авиационного транспорта, в приборной технике и т.д. Такие материалы прочны, эластичны, травмобезопасны, характеризуются высокой светопрозрачностью. В производстве органических стекол используют полиметакрилаты, полиакрилаты, полистирол, поликарбонаты и другие полимеры. Существенным недостатком является высокая горючесть, что ограничивает область их применения. В связи с этим разрабатываются новые составы органических стекол, относящихся к классу трудносгораемых. Для снижения горючести используются различные модифицирующие добавки, содержащие в составе фосфор, галогены, азот.

Выбор компонентов полимерных заливочных составов, обеспечивающих создание органических стекол с пониженной горючестью обусловлен предъявлением комплекса требований к полимерному составу: способности к сополимеризации; текучести, обеспечивающей заполнение форм; прозрачности на уровне силикатных стекол; способности к карбонизации, обеспечивающей формирование кокса с необходимыми теплозащитными свойствами. Составы для органических стекол должны обладать высоким комплексом физико-механических свойств.

В связи с предъявляемым комплексом требований нами в качестве структурообразующего компонента композиций исследовался ГМА.

Для снижения горючести в составы вводились ЛИМ, ТХЭФ.

Составы, содержащие фотоинициатор, полимеризовали между двумя силикатными стеклами методом УФ-полимеризации при мощности облучения 60 Вт/м².

Полимеризация ГМА осуществляется по радикальному механизму за счет раскрытия двойных связей, что подтверждается уменьшением интенсивности полосы валентных колебаний связи >C=C<. Разрыв связи >C=C< обеспечивает также участие атома С в межмолекулярной сшивке с образованием трехмерной структуры. Содержание нерастворимой гель-фракции в полимеризате ГМА – 90%. В заполимеризованном ГМА отмечено наличие колебаний связи гидроксильных групп, отсутствующих у незаполимеризованного ГМА, связаных с раскрытием эпоксидного кольца и присоединенного атома водорода, от гидроксила воды, содержащийся в ГМА в количестве 0,5% масс. Это подтверждается отсутствием в заполимеризованном ГМА, колебаний связи эпоксидной группы, имеющейся в незаполимеризованном ГМА при 945 см^-1.

ГМА способен к УФ – инициируемой полимеризации. ЛИМ и ТХЭФ в условиях фотоинициируемой полимеризации не полимеризуются.

В связи с тем, что процессам горения предшествуют процессы пиролиза или термолиза при создании материалов пониженной горючести оценено поведение каждого из компонентов при термоокислительной деструкции. При воздействии повышенных температур с применением ТГА.

Из анализа данных термогравиметрии, табл. 1.4 следует, что все компоненты относятся к коксообразующим. Однако ГМА, полимеризующийся под УФ-воздействием имеет большое значение кажущейся энергии активации процесса деструкции.

Таблица 1.4. Параметры процесса пиролиза компонентов

Вещество	Параметры процесса деструкции		Потери массы при температуре, ºС				Еа, кДж/моль
	Тн – Тк, ºС Тmax	Выход КО при Тк, %	200	300	400	500
ГМА	210 – 345 280	23	2,5	63	81	83	110
ЛИМ	150 – 370 180, 360	57	20	41	67	90	100
ТХЭФ	242 – 350 310	23	3	43	83	83	-

 

В ТХЭФ, содержащем хлор, деструкция сопровождается дегидрохлорированием, которое завершается в интервале температур 160–240ºС и потери массы соответствуют содержанию хлора в ТХЭФ – 35% масс. Процесс дегидрохлорирования эндотермический, однако, деструкция сопровождается, по данным ДТА, выделением тепла. Видимо, одновременно с дегидрохлорированием протекают процессы структурирования, это подтверждается образованием коксового остатка. В интервале температур 240–320ºС протекает разложение структурированных структур.

Для получения органических стекол с необходимым комплексом свойств осуществлялось последовательное совмещение компонентов. В органическом стекле должны сочетаться жесткость и эластичность, обеспечивающие необходимые прочностные характеристики. В качестве основного компонента использовался глицидилметакрилат. учитывалось, что ГМА при полиме ризации образует жесткую структуру с невысокими физико-механическими свойствами σ _р =17МПа.

Для снижения жесткости ГМА использовали введение ТХЭФ – это пластификатор полифункционального действия, который в своем составе содержит хлор и фосфор.

Для оценки взаимодействия компонентов ГЭМА, ТХЭФ и ФК исследовались как незаполимеризованный так и подвергнутый УФ-воздействию составы.

В образце незаполимеризованного состава отмечено наличие пиков валентных колебаний ОН-групп, относящихся к ФК, являющейся катализатором процесса сополимеризации ГЭМА и ТХЭФ. В спектрограмме имеются также пики валентных колебаний связей групп СН₃, СН₂, СО, ≡Р–О –, ССl, входящих в состав образца.

В спектрограмме полимеризата данного состава существенно увеличился пик валентных колебаний связи ОН-группы и уменьшился пик валентных колебаний связи >С=С<. Появление в спектре заполимеризованного состава колебаний чётных последовательностей _n, отсутствующих в незаполимеризованном образце, может свидетельствовать о присоединении молекулы ТХЭФ к ГЭМА по типу «голова к голове».

Анализ спектрограмм позволил предположить, что взаимодействие ГЭМА с ТХЭФ в присутствии ФИ и катализатора, осуществляется в процессе УФ-инициируемой полимеризации по следующей схеме.

Выбор соотношения компонентов и параметров полимеризации проводился по оценке содержания нерастворимой в ацетоне гель-фракции. Для составов, содержащих 49ГМА+49ТХЭФ+1ФК+0,4 ин+ ЛИМа% масс. исследовались зависимости содержания гель-фракции в полимеризате от времени полимеризации. Как видно из графиков, с увеличением времени полимеризации содержание гель-фракции.

При исследовании содержания гель-фракции от времени хранения для состава с 1% содержанием ЛИМа рис. 1.6 кр. 1,2 отмечено снижение количества нерастворимой фракции определенной в полимеризате, через 40 суток после полимеризации. Для образцов, содержащих 2% ЛИМа содержание гель-фракции при хранении возрастает рис. 1.6 кр. 3,4, что может быть связано с недостатком ионного инициатора сополимеризации – ФК.

Сравнительный анализ спектограмм образцов состава 49ГМА+49ТХЭФ+1ФК+1ЛИМ с разным временем полимеризации показал,

Анализ данных термогравиметрии образцов состава 49ГМА+49ТХЭФ+1ФК+1ЛИМ показал, что все образцы относятся к коксообразующим и параметры деструкции мало зависят от времени полимеризации. Однако, следует отметить возрастание термоустойчивости образцов при времени полимеризации 60 мин, что видимо связано с завершенностью процессов структурообразования. Скорости потери массы для всех составов приблизительно одинаковы рис. 1.8.

 

Таблица 1.5. Изменение параметров процесса деструкции от времени полимеризации состава 49 ГМА+49 ТХЭФ +1 ЛИМ+1ФК+0,4 ин

Время полимеризации, мин	Параметры процесса деструкции			Потери массы, при температуре, ºС
	, ºС	, %	Темературный интервал, ºС	100	200	300	400	500	600	700
20			100	1	4	55	73	76	82	90
40			100	1	3	61	72	76	82	89
60			90	1	3	60	74	78	84	93
80			170	1	5	65	72	78	82	89

 

Так как исследуемые составы не обеспечивают жесткости, необходимой для органического стекла, то в них увеличивали содержание ФК, являющейся катализатором сополимеризации.

При введении ФК в количестве 4–5% масс. образцы приобретали твердость, а при содержании ФК выше 5% масс. на поверхности образцов выделяется жидкость, видимо, полиметафосфорная кислота и образцы имеют желтоватый оттенок.

Также возрастает содержание гель-фракции от времени хранения образца, что свидетельствует о протекании процесса структурирования.

При изменении соотношения компонентов 57ГМА+37ТХЭФ+3ЛИМ+3ФК содержание гель-фракции составило 73,2%, образцы прозрачные и эластичные. При дальнейшем увеличении ГМА и понижении ТХЭФ образцы непрозрачны.

Уменьшение содержания ГМА и увеличение ТХЭФ обеспечивает содержание гель фракции 53,7%, состав 28ГМА+66ТХЭФ+3ЛИМ+3ФК не полимеризуется.

 

Таблица 1.6. Исследуемые составы

Состав	ЛИМ	ФК	Образец	Содержание гель-фракции, %	Содержание гель-фракции, % через 40 дней
50% ГМА + 50% ТХЭФ	1	1	Эластичный	57	59,1
		3	Твердый	-	-
		5	Твердый, желтый	-	-
		9	Твердый, желтый	68	-
	2	1	Эластичный	48	58,6
		4	Твердый
	3	1	Эластичный	57,2	-
		2	Эластичный	60	73,9
		3	Эластичный	61	64,5
		4	Твердый	62	-
		5	Твердый	64,7	-
41ГМА+41ТХЭФ	15	3	твердый	64	-
57ГМА+37ТХЭФ	3	3	Эластичный	73,2	-
66ГМА+28ТХЭФ			Твердый, непрозрачн.	-	-
37ГМА+57ТХЭФ			Твердый	53,7	-
66ГМА+28ТХЭФ			Не полимеризуется	-	-

 

Как было уже замечено, что при увеличении количества ФК образцы приобретают твердость, а увеличение ЛИМа придает им эластичность, что и необходимо для органического стекла, в котором должны сочетаться жесткость и эластичность, но также обеспечивать необходимые прочностные характеристики. Поэтому для дальнейших исследований выбран состав 41ГМА+41ТХЭФ+15ЛИМ+3ФК, так как он обладает оптимальными свойствами для органического стекла.

В составе 41ГМА+41ТХЭФ+15ЛИМ+3ФК+0,4 ин варьировали количество инициатора от 0,4 до 3%. С увеличением количества фотоинициатора содержание нерастворимой гель-фракции снижается, образцы обретали желтоватый оттенок и имели большое количество воздушных включений. Возможно, это связано с увеличением скорости полимеризации, вследствие чего возрастает вязкость композиции, и движение макромолекул затрудняется, происходит обрыв цепи.

 

Рис. 1.9 Зависимость содержания нерастворимой гель-фракции от количества фотоинициатора для состава 41ГМА+41ТХЭФ+15ЛИМ+3ФК

 

Для состава 41ГМА+41ТХЭФ+15ЛИМ+3ФК+0,4 ин была определена зависимость содержания нерастворимой гель-фракции от времени полимеризации. Как видно из графика с увеличением времени полимеризации до 40 мин содержание гель-фракции увеличивается, а после достижения 40 мин снижается.

 

Рис. 1.10 Зависимость содержания нерастворимой гель-фракции от времени полимеризации состава 41ГМА+41ТХЭФ+15ЛИМ+3ФК

 

Для состава 41ГМА+41ТХЭФ+15ЛИМ+3ФК+0,4 ин была определена зависимость вязкости состава от времени его приготовления. Из графика рис. 1.11 можно сделать вывод, что с течением времени вязкость раствора увеличивается.

 

Рис. 1.11 Зависимость вязкости от времени приготовления состава

Составы не поддерживают горение на воздухе и имеет невысокие потери массы, это позволяет отнести его к классу трудногорючих материалов. Кислородный индекс исследуемого состава 30% объем.

 

1.1.6 Выводы и практические рекомендации

1. В результате проведенной работы исследованы свойства исходных компонентов, используемых в составе композиции для органического стекла. Определен механизм полимеризации ГМА. Показано, что полимеризация ГМА происходит с раскрытием двойных связей и эпоксидного кольца с образованием трехмерной структуры. Выход гель-фракции составляет 90%. Предложена схема полимеризации.

2. Оценена методом ТГА устойчивость исходных компонентов при воздействии повышенных температур. Установлено, что все компоненты относятся к коксообразующим и деструкция которых протекает в приблизительно одинаковом температурном интервале.

3. Установлен анализом данных ИКС механизм сополимеризации ГМА и ТХЭФ и предложена схема сополимеризации.

4. Осуществлен выбор времени полимеризации для составов, содержащих ГМА, ТХЭФ, ЛИМ и ФК на основании данных ИКС, ТГА и по содержанию гель-фракции в полимеризате. Показано сохранение ненасыщенности полимеризата до времени полимеризации 60 мин. При этом увеличивается содержание гель-фракции. Увеличение продолжительности полимеризации приводит к процессу деструкции.

5. Исследована зависимость внешнего вида образцов и содержания гель-фракции от состава композиции.

6. Выбран состав 41ГМА+41ТХЭФ+15ЛИМ+3ФК, который обладает оптимальными свойствами для органического стекла. Для него исследована зависимоть содержания гель-фракции от времени полимеризации и от количества фотоинициатора в составе, определена вязкость состава.

 

Технологическая часть