Вплив частинок целюлози на хімічну стійкість, механічні та термічні властивості епоксидних композитів

Анотація

Актуальність: Технологічні розробки для виробництва наноцелюлози з дешевших рослинних матеріалів у порівнянні з деревиною, зокрема, сільськогосподарськими відходами, є актуальним завданням сучасної нанобіофізики. Відкриття можливості розширення функціональних характеристик матеріалів у композиціях з модифікованими частинками целюлози по суті стимулювало інтерес дослідників до целюлозних композитів. Модифікація поверхні частинок целюлози функціональними матеріалами, такими як барвники, оксиди металів, кремній, дозволяє застосовувати композити з модифікованою целюлозою в різних областях сучасної промисловості. Істотне поліпшення експлуатаційних параметрів функціоналізованих частинок целюлози можна отримати, використовуючи їх в полімерах в якості наповнювачів. Прикладом гібридних біокомпозитів є вивчені у даній роботі композити епоксидної смоли з частинками модифікованої та немодифікованої целюлози. Міжфазна взаємодія частинок наповнювача з епоксидною матрицею, їх концентрація та дисперсність можуть змінювати фізико-хімічні властивості біополімеру та функціональні параметри біокомпозитів. Дослідження впливу зовнішніх чинників на фізико-хімічні властивості біосистем на основі епоксидної смоли та їх вплив на експлуатаційні параметри є актуальною проблемою сучасного матеріалознавства.

Мета роботи: розробка ефективного синтезу наноцелюлози з рослинних матеріалів та проведення функціоналізації поверхні мікро- та наноцелюлозних частинок клатрохелатом заліза (ΙΙ), отримання біокомпозицій епоксидної смоли з вихідною та функціоналізованою мікро та наноцелюлозою, дослідження морфології, хімічної стійкості, механічних та термічних властивостей епоксидних композитів з мікро- та наночастинками целюлози.

Матеріали та методи. Об'єктами дослідження були композити епоксидної смоли Eposir-7120 з поліетиленполіаміновим затверджувачем “PEPA” у співвідношенні 6,2:1 та 10% мікро- та наночастинок целюлози. Мікроцелюлоза, отримана з деревини, була комерційним продуктом. Наноцелюлоза синтезована з органосольвентної целюлози, отриманої зі стебел Miscanthus x giganteus. Модифікацію поверхні мікро- та наноцелюлози проводили барвником —клатрохелатомзаліза (ΙΙ). Питому поверхню частинок целюлози визначали за допомогою низькотемпературної адсорбції-десорбції азоту за методом Брунауера-Еммета-Теллера. Механічні параметри визначали за допомогою універсальних машин Shopper та UMM-10. Тепловий аналіз провели за допомогою деріватографа Q1500. Набухання досліджували гравіметричним методом.

Результати. Визначено модуль пружності E, міцність на стиск σ та термогравіметричні параметри. Показано, що в композитах з мікро- та наноцелюлозою E підвищується на 7,0–12,2%, а σ збільшується на 9,1% для композитів з мікрочастинками целюлози. Наповнення смоли наночастинками целюлози та модифікованої мікроцелюлози не впливає на значення σ композитів. Термічна стабільність епоксидного полімеру (310°C) знижується після наповнення мікро- та наноцелюлозою до 290 та 300°C відповідно. Хімічна стійкість епоксикомпозитів з мікро- та наноцелюлозою до 20%-ї азотної кислоти знижується. У нейтральному середовищі процес набухання епоксикомпозитів характеризується швидкою сорбцією до насичення 15-20% ацетоном за 36 годин.

Висновки. Таким чином, розроблено метод синтезу наноцелюлози з рослинних матеріалів та проведена функціоналізація її поверхні клатрохелатом заліза (ΙΙ). Світлова реакція адсорбованого барвника виявлена у видимому спектральному діапазоні. Отримані композити епоксидної смоли з 10% мікро- та наноцелюлози. Вивчено вплив наповнення мікро- та наноцелюлозою на модуль пружності, міцність на стиск, термічну стійкість епоксикомпозитів. Процеси набухання відбуваються аналогічно у композитах з мікро- та наноцелюлозою.