The Method of Increasing the Mechanical Characteristics of Sea Transport Vehicles due to Environmentally Friendly Nanomodification of Epoxy Composites

Abstract

Захисні полімерні композитні покриття широко використовуються на морському транспорті завдяки своїм покращеним адгезійним і когезійним властивостям. Модифікатори вводяться для підвищення експлуатаційних характеристик полімерних покриттів на основі епоксидних зв’язуючих. У цьому дослідженні досліджується вплив екологічно чистої наномодифікуючої добавки d-аскорбінової кислоти на структуру та властивості епоксидної матриці. За результатами випробувань була розроблена модифікована епоксидна матриця з покращеними адгезійними та фізико-механічними властивостями. Методом газової хроматографії досліджено природу хімічних зв’язків у структурі синтезованого модифікатора та його молярну масу. Значна кількість гідроксильних груп у структурі молекули d-аскорбінової кислоти є одним із основних критеріїв, що визначають активність даної наномодифікуючої добавки щодо гомогенних взаємодій при зшиванні компаунду на основі епоксидного зв’язуючого. Встановлено, що модифікування епоксидних композицій d-аскорбіновою кислотою у кількості від 0,75 до 1 мас.% на 100 мас.% епоксидної смоли ЕД-20 забезпечує підвищення адгезійної міцності при зменшенні залишкових напружень. Позитивний вплив модифікатора на поліпшення адгезійних властивостей модифікованої епоксидної матриці до металевої підкладки зумовлений хімічною структурою наномодифікуючої добавки, яка визначає міжмолекулярну взаємодію в однорідній полімерній системі. Доведено, що показники когезійних властивостей епоксидного композиту (модуль пружності, руйнівні напруження, ударна в'язкість) суттєво зростають при оптимальному вмісті d-аскорбінової кислоти. Це пов’язано з додатковим утворенням фізико-хімічних зв’язків у структурній сітці компаунду під час його зшивання в присутності модифікуючої добавки, що впливає на показники когезійної міцності та ударостійкості матеріалу.

Protective polymer composite coatings are widely used in marine transport owing to their improved adhesion and cohesion properties. Modifiers are introduced to enhance the performance characteristics of polymer coatings based on epoxy binders. This study investigates the impact of the eco-friendly nano modifying additive d-ascorbic acid on the structure and properties of an epoxy matrix. Based on the test results, a modified epoxy matrix with improved adhesion and physicomechanical properties was developed. The nature of the chemical bonds in the structure of the synthesized modifier and its molar mass were investigated by gas chromatography. A significant number of hydroxyl groups in the structure of the d-ascorbic acid molecule is one of the main criteria that determine the activity of this nano modifying additive in terms of homogeneous interactions during the cross-linking of the epoxy binder-based compound. It has been established that modifying epoxy compositions with d-ascorbic acid in the amount of 0.75 to 1 mass % per 100 mass % of ED-20 epoxy resin ensures an increase in adhesion strength while reducing residual stresses. The positive impact of the modifier on improving the adhesive properties of the modified epoxy matrix to the metal substrate is due to the chemical structure of the nano modifying additive, which determines the intermolecular interaction in the homogeneous polymer system. It has been proven that the epoxy composite's cohesive property indicators (elastic modulus, destructive stresses, impact toughness) significantly increase at the optimal d-ascorbic acid content. This is due to the additional formation of physical and chemical bonds in the structural network of the compound during its cross-linking in the presence of the modifying additive, which affects the indicators of the material's cohesive strength and impact resistance.