Композиционный материал
Владельцы патента RU 2395536:
Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра" (RU)
Изобретение относится к композиционным материалам, которые могут использоваться в конструкции летательных аппаратов. Композиционный материал выполнен из волокнистого наполнителя (жгута) арамидного типа и композиции, состоящей из смеси эпоксидных смол в качестве полимерной матрицы и ароматического амина в качестве отверждающего агента, при следующем соотношении компонентов, мас.%: эпоксидная смола УП-610 17,6-24,7; эпоксидная смола алифатическая ДЭГ-1 3,1-4,4; ароматический амин УП-0638 4,2-6,0; волокнистый наполнитель арамидного типа 65-75. Композиционный материал обладает улучшенными упругопрочностными свойствами, в частности модуль упругости при растяжении равен 123 ГПа, а разрушающее напряжение при растяжении 2,57 ГПа. 2 табл.
Изобретение относится к композиционным материалам на основе эпоксидного связующего и волокнистого наполнителя (жгута) арамидного типа, которые могут использоваться в конструкциях летательных аппаратов.
Известен композиционный материал марки ОП-ЖА/17-Н (Паспорт рег. №0553-35 от 04.09.97), содержащий в качестве наполнителя жгут «Армос» арамидного типа и связующее УП-2217. Состав связующего УП-2217, мас.%:
| смола УП-610 (ТУ 2225-546-00203521-98 | 40 |
| или ТУ 2225-606-11131395-2003) | |
| смола ДЭГ-1 (ТУ 2225-027-00203306-97 | 6,67 |
| или ТУ 2220-527-00203521-98) | |
| смола ЭД-22 (ГОСТ 10587) | 20 |
| отвердитель Диамет-Х (ТУ 6-14-980-84) | 33,33 |
Дополнительные сведения о компонентах представлены в таблице 1.
К недостаткам известного материала следует отнести уровень упругопрочностных свойств композиционного материала, многокомпонентность состава связующего и экологическую опасность в связи с высоким содержанием отвердителя, вероятно, канцерогенного вещества.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение уровня упругопрочностных свойств композиционного материала. Технический результат достигается применением нового эпоксидного связующего состава, мас.%:
| смола УП-610 | 70,5 |
| смола ДЭГ-1 | 12,5 |
| смесь ароматических аминов 4,4'-диаминодифенилметана и | |
| метафенилендиамина (УП-0638) | 17 |
| Таблица 1 | ||||
| № п/п | Компонент | Химическая основа | Нормативная документация | Класс опасности |
| 1 | Смола УП-610 | Продукт конденсации п-аминофенола и эпихлоргидрина с последующим дегидрохлорированием щелочью | ТУ 2225-546-00203521-98, ТУ 2225-606-1113195-2003 | пара-аминофенол-2, эпихлоргидрин-2 |
| 2 | Смола ДЭГ-1 | Продукт конденсации эпихлоргидрина с многоатомными спиртами с последующим дегидрохлорированием щелочью | ТУ 2225-027-00203306-97, ТУ 2220-527-00203521-98 | эпихлоргидрин-2 |
| 3 | Смола ЭД-22 | Эпоксидно-диановая смола (полимер диглицидилового эфира) | ГОСТ 10587 | эпихлоргидрин-2 толуол-3 |
| 4 | Отвердитель Диамет-Х | Дихлордиаминодифенилметан | ТУ 6-14-980-84 | 3, вероятно, канцерогенный продукт |
Содержание связующего, мас.%: 25-35; содержание волокнистого наполнителя арамидного типа, мас.%: 65-75.
Технический результат достигается за счет совокупности физико-механических и адгезионных свойств новой полимерной матрицы вышеприведенного состава, который приводит к повышению результирующих физико-механических свойств композиционного материала.
Известно, что характеристикой молекулярной структуры эпоксидной полимерной матрицы является строение элементарного узла химической ковалентной сетки, которая определяется природой исходного диэпоксида. В наиболее известных эпоксиаминных полимерах - это трехфункциональный узел, который состоит из двух молекул эпоксидной смолы и одной - аминного отвердителя с центром узла - атомом азота
При отверждении аминами появляются новые гидроксильные группы и третичный атом азота в центре узла сетки.
Алифатические смолы (ДЭГ-1, ТЭГ-1 и др.) содержат большое количество эпоксидных (15-30%) групп и имеют низкую вязкость (при 25°С - 0,05-1 Па), что позволяет применять их в рецептурных составах в качестве активных разбавителей других эпоксидных смол, что способствует увеличению эластичности и ударной прочности отвержденных полимерных матриц.
Выбор ароматического амина в качестве отверждающего агента обусловлен теплостойкостью образующегося полимера (160-200°С). Для улучшения его совместимости с эпоксидными смолами целесообразно использовать низкомолекулярные эпоксидные смолы (Мср=350-600) в сочетании с низковязкими алифатическими. При этом варьирование молекулярным строением эпоксидных олигомеров и их совмещением между собой и отвердителями позволяет направленно регулировать свойства полимерных матриц и композитов на их основе.
Композиционный материал изготавливают методом "мокрой намотки". В реакторе путем последовательного смешения компонентов формируется эпоксидное связующее, которое транспортируется в ванну. Через ванну протягивается жгут (ровинг или ткань), поступающий на оправку для намотки изделия.
Для определения физико-механических свойств образцы композиционного материала изготавливали путем намотки пропитанного жгута «Армос» на специальную оправку. Оправку помещали в термошкаф, где проводился режим отверждения связующего ступенчато по технологической схеме:
подъем до 85°С - свободный;
выдержка при 85°С - 6 часов;
подъем до 100°С - свободный;
выдержка при 100°С - 2 часа;
подъем до 140°С - свободный;
выдержка при 140°С - 2 часа;
подъем до 160°С - свободный;
выдержка при 160°С - 6 часов;
охлаждение в термостате.
После охлаждения с оправки производили съем образцов композиционного материала для последующего определения физико-механических характеристик - разрушающего напряжения при растяжении и модуля упругости композиционного материала по ОСТ 92-1473-78.
Результаты экспериментальных исследований предложенного композиционного материала приведены в таблице 2. Например, для композиции со следующим соотношением компонентов, мас.%
| смола УП-610 | 20,4 |
| смола ДЭГ-1 | 3,6 |
| смесь ароматических | аминов |
| 4,4'-диаминодифенилметана и | |
| метафенилендиамина (УП-0638) | 6 |
| волокнистый наполнитель арамидного типа | 70 |
соответствуют значения разрушающего напряжения при растяжении при 20°С - 2,57 ГПа, модуля упругости - 123 ГПа.
Для полученного материала величина разрушающего напряжения при растяжении при 20°С на 4,9% выше по сравнению с аналогом, величина модуля упругости выше на 23%.
Таким образом, при использовании связующего вышеуказанного нового рецептурного состава получен новый композиционный материал, имеющий более высокие физико-механические характеристики.
| Таблица 2 | ||||
| Показатель | Базовый вариант композиционного материала: жгут «Армос» + связующее УП-2217 | Предложенный композиционный материал | ||
| Жгут «Армос» (75 мас.%) + новое эпоксидное связующее | Жгут «Армос» (70 мас.%) + новое эпоксидное связующее | Жгут «Армос» (65 мас.%) + новое эпоксидное связующее | ||
| Разрушающее напряжение при растяжении 20°С, ГПа | 2,45 | 2,56 | 2,57 | 2,54 |
| Модуль упругости, ГПа | 100 | 120 | 123 | 121 |
Композиционный материал, выполненный методом мокрой намотки из волокнистого наполнителя (жгута) арамидного типа и композиции, состоящей из смеси эпоксидных смол в качестве полимерной матрицы и ароматического амина в качестве отверждающего агента при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| эпоксидная смола УП-610 | 17,6-24,7 |
| эпоксидная смола алифатическая ДЭГ-1 | 3,1-4,4 |
| ароматический амин УП-0638 | 4,2-6,0 |
| волокнистый наполнитель арамидного типа | 65-75 |
