Способ получения армированных полимерных композиционных материалов

 

Использование: изобретение относится к области получения полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе эпоксидной смолы, армированной однонаправленным волокнистым наполнителем. Сущность изобретения: увеличение удельной ударной вязкости и разрушающего напряжения при статическом изгибе армированных ПКМ. Способ получения ПКМ, состоящих из эпоксидной смолы и технической нити. Способ основан на том, что, кроме известных операций пропитки волокнистого наполнителя эпоксидной смолой, формообразования и отверждения заготовки дополнительно проводят операцию обработки постоянным магнитным полем после пропитки при напряженности магнитного поля 9000 - 11000 Э в течение 0,8 - 1,8 с. Новым является магнитная обработка свежепропитанных связующим стеклянных, углеродных и поликапроамидных нитей, что приводит к увеличению разрушающего напряжения при статическом изгибе и (или) к увеличению удельной ударной вязкости образцов ПКМ. Положительный эффект состоит в значительном увеличении прочности ПКМ, полученных с применением магнитной обработки. 2 табл.

Изобретение относится к области получения полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе эпоксидной смолы, армированной однонаправленным волокнистым наполнителем. Новый способ рекомендуется использовать для получения конструкционных материалов и изделий из ПКМ.

Традиционно отверждение термореактивных связующих, к которым относятся эпоксидные смолы, проводят при повышенных температурах и (или) под действием отвердителей [1] При этом структуру и свойства получаемых ПКМ регулируют двумя путями: 1) путем качественного и количественного подбора состава системы (подбора наполнителя, смолы, отвердителя, введение добавок); 2) путем изменения параметров процесса отверждения (температура, давление, продолжительность).

Традиционный способ получения ПКМ на основе эпоксидной смолы и волокнистого наполнителя включает операции: пропитка волокнистого наполнителя эпоксидным связующим, формообразование и отверждение заготовки [2] Разрушающее напряжение при статическом изгибе σ_и углепластиков, полученных по традиционному способу [2] составляет 619-676 МПа, а σ_и углепластиков, полученных по заявленному способу, достигает 809 МПа.

Удельная вязкость а_уд стеклопластиков колеблется в широких пределах 6-885 кДж/м² [3] Заявляемым способом получены стеклопластики, для которых величина а_уд занимает промежуточное положение около 100 кДж/м².

В заявляемом способе получения стеклопластиков, включающем операции пропитки волокнистого наполнителя эпоксидной смолой, формообразования и отверждения заготовки, дополнительно проводят операцию обработки постоянным магнитным полем после пропитки при напряженности магнитного поля 9000-11000 Э в течение 0,8-1,8 с.

В результате происходит повышение разрушающего напряжения при статическом изгибе и (или) удельной ударной вязкости стеклопластиков и углепластиков на основе эпоксидного связующего.

Известно получение углепластика путем отверждения в постоянном магнитном поле [4] Этот способ требует применения магнитов с большим объемом межполюсного пространства и требуется длительная магнитная обработка. В результате σ_и углепластиков повышалась на 32% а σ_и углепластиков, полученных по заявленному способу, повышается в пределах до 625% по сравнению с материалом, полученным без магнитной обработки.

Дополнительный положительный эффект состоит в том, что эаявляемый способ позволяет заменить магнитную обработку всего изделия предварительной сравнительно кратковременной магнитной обработкой отдельных нитей или их пучков, которые войдут в состав изделия.

Предлагаемый способ отличается от известного [5] меньшей продолжительностью магнитной обработки (0,8-1,8 с вместо 3-20 с) вследствие применения иных наполнителей и связующего.

Известен способ (прототип) пропитки углеродной арматуры эпоксидным связующим, включающий погружение углеродной арматуры в связующее, выдержку ее в нагретом до 80-100^oC связующем при воздействии на нее постоянного магнитного поля напряженностью 64-88 кАм/м (800-1100 Э) в течение 280-360 с и извлечение пропитанной арматуры [6] Между прототипом и заявляемым способом существуют значительные отличия в условиях магнитной обработки: в прототипе температура 80-100^oC, напряженность магнитного поля 800-1100 Э (64-88 кА/м), продолжительность магнитной обработки 280-360 с. в заявляемом способе температура нормальная 9000-11000 Э, 0,8-1,8 с соответственно.

По способу-протипу проводят выдержку углеродной арматуры в избытке связующего, в заявляемом способе проводится магнитная обработка нити с нанесенном связующим; в заявляемом способе снижаются потери связующего за счет усиления физико-химического взаимодействия связующего и наполнителя.

В заявляемом способе достигается увеличение не только разрушающего напряжения при статическом изгибе σ_и, но и ударной вязкости а_уд углепластика (табл.2).

В способе-прототипе технология переодическая, в заявляемом способе непрерывная. Предлагаемая кратковременная магнитная обработка экономически более целесообразна, чем более длительная переодическая по способу-прототипу.

На чертеже изображена схема получения ПКМ: нить с питающей катушки 1 подается в пропиточную ванну 2 с жидкой смолой; пропитанная нить проходит через межполюсное пространство электромагнита 3 и поступает на приемное устройство 4.

Для изготовления образцов и изделий из получаемых ПКМ предложено использовать нити, пропитанные олигомерным связующим. В качестве связующих использовали: связующую ВС25; состав связующего, массовые части: 1) смола ЭХД-100, 2) отвердитель изометилтетрагидрофталевый ангидрид (ИМТГФА) 70-95; 3) пластификатор 6; 4) ускоритель отверждения УП606/2 1-2; 5) антиадгезив стеарат цинка 3; смесь смолы ЭД-20 и полиэтиленполиамина ПЭПА.

В качестве наполнителей применяли стеклоровинг (cтеклянная нить), углеродную нить УКНП/5000 и техническую нить капрон.

Нить с питающей катушки 1 (фиг. 1) подается в пропиточную ванну 2 с жидким связующим; пропитанная нить проходит через межполюсное пространство электромагнита 3 и поступает на приемное устройство 4. Полученные на приемном устройстве (мотовило с плоскими гранями) препреги отверждали при нормальных условиях (комнатная температура, атмосферное давление) в течение пяти сут. (то же с термообработкой 6 ч при 70^oC) или отверждали при прессовании на гидравлическом прессе (190-200^oC, 50 атмосфер в течение 30 мин). Из полученных пластин вырезали образцы стандартных размеров для испытаний.

Определяли следующие характеристики образцов ПКМ: удельную ударную вязкость а_уд, кДж/м², ГОСТ 4647-80; разрушающее напряжение при статическом изгибе σ_и, МПа, ГОСТ 4648-71.

Максимальные абсолютные погрешности при определении величин а_уд, σ_и равна соответственно ±1,8 кДж/м², ±1,8 МПа.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1 (по традиционному способу).

Стеклянную нить пропитывают связующим ВС 25. Из полученного препрега формуют пластины и отверждают при прессовании.

Пример 2.

Пример по примеру 1, отличающийся тем, что после пропитки дополнительно проводят операцию обработки постоянным магнитным полем напряженностью 10000 Э в течение 0,8 с. Далее по примеру 1.

Пример 3.

Пример по примеру 2, отличающийся тем, что проводят операцию обработки постоянным магнитным полем напряженностью 9000 Э.

Пример 4.

Пример по примеру 2, отличающийся тем, что проводят операцию обработки постоянным магнитным полем напряженностью 11000 Э.

Пример 5.

Пример по примеру 2, отличающийся тем, что проводят операцию обработки постоянным магнитным полем напряженностью 7000 Э.

Пример 6.

Пример по примеру 2, отличающийся тем, что проводят операцию обработки постоянным магнитным полем напряженностью 12000 Э.

Примеры 7-10.

Примеры по примеру 2, отличающиеся продолжительностью магнитной обработки.

Перечисленные примеры (табл. 1) показывают, что магнитная обработка пропитанных нитей в магнитном поле напряженностью 9000-11000 Э в течение 0,8-1,8 с пластифицирует материал вследствие ориентации сегментов полимерных молекул и приводит к значительному увеличению а_уд. При меньшей напряженности поля и меньшей продолжительности магнитная обработка влияет на прочность материала гораздо слабее.

Дальнейшее увеличение продолжительности до 2 с и более и напряженности поля более 11000 Э не эффективно, так как не приводит к заметному увеличению а_уд. Кроме того, увеличение напряженности поля более 11000 Э значительно повышает энергетические затраты и приводит к перегреву электромагнита.

Пример 11 (по традиционному способу).

Пример по примеру 1, отличающийся тем, что полученный препрег отверждают в нормальных условиях.

Пример 12.

Пример по примеру 11, отличающийся тем, что после пропитки дополнительно проводят операцию обработки постоянным магнитным полем напряженностью 10000 Э в течение 0,8 с.

Пример 13 (по традиционному способу).

Углеродную нить пропитывают связующим ВС 25. Из полученного препрега формуют пластины и отверждают при прессовании.

Пример 14.

Пример по примеру 13, отличающийся тем, что после пропитки дополнительно проводят операцию обработки постоянным магнитным полем напряженностью 10000 Э в течение 0,8 с.

Пример 15 (по традиционному способу).

Пример по примеру 13, отличающийся тем, что полученный препрег отверждают в нормальных условиях.

Пример 16.

Пример по примеру 15, отличающийся тем, что после пропитки дополнительно проводят операцию обработки постоянным магнитным полем напряженностью 10000 Э в течение 0,8 с.

Магнитная обработка систем, содержащих углеродные нити, не только пластифицирует материал, но и усиливает адгезию между связующим и наполнителем благодаря тому, что углеродные нити обладают протоноакцепторными свойствами и образуют водородные связи со связующим. Поэтому магнитная обработка таких систем приводит не только к значительному увеличению а_уд, но и к значительному увеличению σ_и (табл. 2).

Упрочняющее влияние магнитной обработки сохраняется при различных способах отверждения: при прессовании, в нормальных условиях, в нормальных условиях с последующей термообработкой.

Пример 17 (по традиционному способу).

Углеродную нить пропитывают 50% по массе ацетоновым раствором смеси ЭД-20 и полиэтиленполиамина (ПЭПА) 9:1 по массе. Из полученного препрега формуют пластины и отверждают в норамльных условиях с последующей термообработкой 6 ч при 70^oC.

Пример 18.

Пример по примеру 17, отличающийся тем, что после пропитки дополнительно проводят операцию обработки постоянным магнитным полем напряженностью 9000 Э в течение 1,8 с.

Пример 19 (по традиционному способу).

Нить капрон пропитывают 50% по массе ацетоновым раствором смеси ЭД-20 и ПЭПА 9: 1 по массе. Из полученного препрега формуют пластины и отверждают в нормальных условиях с последующей термообработкой 6 ч при 70^oC.

Пример 20.

Пример по примеру 19, отличающийся тем, что после пропитки дополнительно проводят операцию обработки постоянным магнитным полем напряженностью 5300 Э в течение 1,5 с.

Пример 21.

Пример по способу-прототипу [6] Пример 22.

Пример по примеру 21, отличающийся тем, что магнитная обработка не применяется.

Применение магнитной обработки по способу-прототипу приводит к увеличению σ_и углепластика на 60% а по заявляемому способу на 10-620% по сравнению с традиционным способом без магнитной обработки.

Формула изобретения

Способ получения армированных полимерных композиционных материалов на основе эпоксидного связующего, включающий операции пропитки волокнистого наполнителя эпоксидным связующим с использованием постоянного магнитного поля, формообразования и отверждения заготовки, отличающийся тем, что обработку постоянным магнитным полем проводят после пропитки волокнистого наполнителя при напряженности магнитного поля 9000 11000 Э в течение 0,8 1,8 с.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3