Ученые предложили способ расчета оптимальных параметров отверждения полимеров

Ученые Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук (ИФХЭ РАН) и РТУ 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 еще некоторое количество способных к реакции групп. В результате полимер оказывается отвержден лишь частично и не реализует весь потенциал заложенных в него свойств.

«Если при комнатной температуре отверждать композицию с максимально достижимой температурой стеклования, скажем, 90 ^оС, то система перейдет в стеклообразное состояние, но при этом не все функциональные группы в ней успеют прореагировать. Тогда мы получим недоотвержденный материал, который не будет обладать заданными свойствами. Конечно, такую систему можно нагревать и доотверждать. Некоторые исследователи предлагают многостадийные (до 6 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», — рассказал один из авторов работы, заведующий лабораторией физикохимии коллоидных систем ИФХЭ РАН, кандидат химических наук Иван Сенчихин.

Перед учеными стояла задача — найти оптимальный режим отверждения термореактивных систем, который позволит с наименьшими энергетическими затратами и не опасаясь ухудшения свойств, получить полностью отвержденный материал. Ранее авторы предложили перейти к двухстадийному режиму отверждения.

«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», — отметил ученый.

Авторы вывели эмпирические формулы, связывающие основные характеристики процессов отверждения. По их словам, пользуясь этими формулами, можно без трудоемкого эксперимента прогнозировать оптимальные параметры (температуру и время) для двухстадийного отверждения. Эмпирические формулы были подтверждены экспериментами, в которых анализировались различные эпокси-аминные системы. Ученые надеются, что предложенный ими подход будет востребован при расчетах режима отверждения для широкого круга термореактивных систем.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России.