Введение к работе
Актуальность работы. Клеящие материалы играют очень важную роль в народном хозяйстве. С помощью клеев удается надежно склеивать самые различные материалы, причем в ряде случаев склеивание является единственным способом их надежного соединения. При этом широкое применение находят адгезивы, отверждаемые посредством химической реакции. Полученные при этом адгезионные соединения высокопрочны, стойки к нагреванию, действию растворителей и масел.
Высокую адгезионную способность клеев справедливо связывают с образованием сетки химических связей между адгезивом и субстратом. Однако протекание подобной химической реакции, несомненно, должно осуществляться только в условиях, когда концентрация реагента достаточно велика на границе раздела между адгезивом и субстратом. Следовательно, при интерпретации результатов исследований следует учитывать значительную роль диффузионных процессов при формировании полимерных композиционных материалов.
Первые представления о роли диффузионных процессов в формировании адгезионного соединения появились в 40-х годах ХХ века, в последующие годы это привело к формированию диффузионной теории адгезии, предложенной С.С. Воюцким. Изменение прочности адгезионного соединения в зависимости от свойств поверхностных слоев материалов, приводимых в контакт, занимает одно из центральных мест в вопросах диффузионной теории адгезии.
Изучение диффузионных явлений в системе адгезив – субстрат нашло дальнейшее развитие в работах А.А. Берлина, В.Е. Басина, Чалых А.Е.,
Б.С. Гришина и др. Диффузия, протекающая при контакте адгезива с субстратом, в сочетании со смачиваемостью, растеканием адгезива по поверхности субстрата, микрореологическими процессами определяет полноту молекулярного контакта. Развитие диффузионных процессов на границе раздела систем адгезив – субстрат не исчерпывает все факторы, оказывающие влияние на прочность адгезионных соединений, но очевидна необходимость учитывать их как один из этапов формирования адгезионного соединения.
Применение общих, универсальных моделей и описаний в вопросе взаимосвязи однородности и ее работоспособности не всегда дает положительные результаты. Одной из причин несоответствия между теоретическими описаниями и явлениями, которые наблюдаются на практике, связано с применением для них общих схем, которые не могут учитывать индивидуальных особенностей всех включаемых в эти системы явлений. Особенно это актуально для процессов, протекающих на границе раздела фаз, для гетерогенных и многофазных сред, для материалов со сложной структурой.
Однако до самого последнего времени в работах, посвященных прогнозированию свойств адгезионных соединений, содержащих низкомолекулярные отверждающие ингредиенты, и изделий на их основе не учитывается возможность их массопереноса и влияние этих процессов на свойства соединения и изделие в целом.
Цель работы заключается в изучении влияния процесса массопереноса, осложненного химической реакцией, на примере отверждающих компонентов адгезива, на формирование и свойства граничных слоев эластомерных композиционных материалов.
Достижение поставленной цели осуществлялось решением следующих основных задач:
-
исследование кинетики диффузии отверждающих компонентов клея в фазе адгезива и в фазе субстрата;
-
исследование кинетики химической реакции между отвердителем и полимерной матрицей;
-
оценка возможности реальной диффузии отвердителей в процессе формирования адгезионного соединения, в том числе и с помощью математического моделирования;
-
выявление области работы отвердителей (фаза адгезива, граница раздела, обе фазы – адгезива и субстрата);
-
изучение взаимосвязи процессов диффузии и области работы отвердителя с прочностью склеивания;
-
осуществление попытки прогнозирования процессов формирования свойств граничных слоев в фазе адгезива и в фазе субстрата.
Научная новизна заключается в следующем.
Произведена оценка возможности реального массопереноса отвердителей клеев на основе каучуков БНКС-28 АН и полиуретана ТПУ в субстраты на основе бутадиен-стирольного термоэластопласта в процессе формирования адгезионного соединения, а так же изменения состава граничных слоев в результате массопереноса и как следствие – изменение физико-механических свойств этих адгезионных соединений.
Впервые рассчитаны коэффициенты диффузии хинолового эфира ЭХ-1, как отверждающего компонента клеев на основе бутадиен-нитрильного каучука, толуилендиизоцианата, как отверждающего компонента полиуретановых клеев в субстраты на основе бутадиен-стирольного термоэластопласта, которые имеют справочный характер.
Предложена методика оценки диффузионной активности отверждающих компонентов адгезионных композиций методами инфракрасной – Фурье спектроскопии и микроскопии на границе раздела адгезив – субстрат, которая может применяться для прогнозирования поведения низкомолекулярных ингредиентов в эластомерной матрице.
Данные, полученные в работе, показывают, сопоставимость теоретического распределения концентрации отверждающих компонентов клеев в бутадиен-стирольном термоэластопласте с экспериментальным, что говорит об адекватности предложенной математической модели распределения компонентов в системе адгезив – субстрат.
Практическая значимость определяется, тем, что установленная взаимосвязь между изменением состава граничных слоев в результате процессов массопереноса и прочностью склеивания может быть использована для повышения качества многослойных изделий путем учета влияния рецептуры клеев и технологии склеивания на свойства. Полученные графические зависимости, описывающие изменение свойств от состава граничных слоев, могут применяться для прогнозирования характеристик адгезионных соединений без проведения дополнительных экспериментов.
Даны практические рекомендации предприятиям по повышению эксплуатационных характеристик адгезионных соединений, где в качестве субстрата используются эластомерные материалы, а также рекомендации по оценке диффузионной активности низкомолекулярных ингредиентов.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены на Всероссийской научно-технической конференции «Наука – производство – технология – экология» (Киров, 2006, 2007, 2008, 2009), Международной молодежной научной конференции «XV Туполевские чтения» (Казань, 2008), IV Санкт-Петербургской конференции молодых ученых (с международным участием) «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2008), III международной научно-технической конференции «Полимерные композиционные материалы и покрытия» (Ярославль, 2008), ХXVШ Российской школе по проблемам науки и технологий (Миасс, 2008), VIII Всероссийская научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке». Томск, XIII и XIV международной научно-практической конференции «Резиновая промышленность: сырье, материалы, технология» (Москва, 2007, 2008).
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных изданиях, из них две статьи в журналах, рекомендованных для публикации результатов научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, включающей пять разделов, выводов, библиографического списка и приложения. Диссертация изложена на 102 страницах, содержит 7 таблиц и 30 рисунков, библиографический список включает в себя 109 наименований работ.
