Полифениленсульфидные композиционные материалы с аппретированными стекловолокнами и способ их получения
Владельцы патента RU 2767551:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова» (КБГУ) (RU)
Изобретение относится к полифениленсульфидным композиционным материалам и способу их получения, предназначенным в качестве конструкционных полимерных материалов, включающий в себя полифениленсульфид и стекловолокна, аппретированные органическим аппретом - 4,4'-бис-([(4-фенил)сульфонил]фенил)сульфидом. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в улучшении физико-механических свойств создаваемых композиционных материалов за счет введения аппрета, повышающего смачиваемость наполнителя и увеличивающего межмолекулярные адгезионные взаимодействия между стеклянным волокном и полифениленсульфидной матрицей. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 7 пр.
Изобретение относится к полифениленсульфидным композиционным материалам с аппретированными стекловолокнами и способу их получения, предназначенным в качестве конструкционных полимерных материалов.
Использование аппретов при создании полимерных композиционных материалов (ПКМ) позволяет модифицировать структуру межфазного слоя и увеличить межмолекулярные взаимодействия на границе раздела фаз матрица/наполнитель. Разработка аппретирующих составов для получения полимерных композиционных материалов на основе суперконструкционных термопластов за счет повышения адгезии между полимером, например, полифениленсульфидом, и наполнителем, в частности, стеклянным волокном, в ряде случаев, будет способствовать увеличению эксплуатационных свойств композита, что приведет к увеличению срока службы изделий.
Из уровня техники известны различные виды аппретирующих добавок, используемых при создании полимерных композиционных материалов. Так, авторское свидетельство СССР на изобретение №345249 (опубл. 14.07.1972, бюл. №22) описывает способ аппретирования стекловолокна (СВ) фосфоркремнийорганическими эфирами. Основным недостатком предлагаемого решения является использование высокотоксичного ксилола для нанесения на стеклянный холст смеси мономеров. Для удаления ксилола, приходится повышать температуру до 120°С. Наличие в структуре аппрета алифатических группировок, будет ухудшать термостойкость и теплостойкость композита.
Известен состав для обработки стеклоткани - авторское свидетельство СССР №1669883, МПК С03С 25.02.1991. Состав содержит эпоксипропоксипропилтриэтоксисилан, γ-аминопропилтриэтоксисилан, глицерин или этиленгликоль, уксусную кислоту и дистиллированную воду. Этот состав придает жесткость после аппретирования, что приводит к образованию на поверхности стеклоткани ворса из разрушенных филаментов. В процессе переработки стеклоткани методом пропитки эпоксидными, фенольными, меламиновыми связующими, на месте разрушенных филаментов на ткани образуются рельефные, неоднородные участки, которые трудно переработать методом прессования. Кроме этого, данный аппрет имеет недостаточно высокие скорости смачивания стеклоткани.
Известен состав для аппретирования стекловолокнистых материалов - патент Белоруссии №11045, 08.30.2008, МПК С03С 25/00. Состав содержит полифункциональный силан марки Z-6224 - 0,5-2,0 мас.%, уксусная или муравьиная кислота 0,5-2,0 мас.%, смачиватель сандоклин PCJ 0,1-0,7 мас.%, остальное - дистиллированная вода. Для высокотемпературных 3-D технологий состав непригоден, так как содержит кислоты, которые приведут к накоплению ионов, результатом чего будет коррозия металлических поверхностей и ухудшение диэлектрических свойств композиционных материалов.
Известен способ получения композиционного материала на основе волокнистого материала, аппретированного термопластичным аппретом (патент на изобретение РФ №2536969). Изобретение относится к полимерным композиционным материалам, которые применяются в авиа-, вертолето- и автомобилестроении. Задача настоящего изобретения заключается в получении композиционного материала на основе полисульфона, армированного углеродными или стеклянными волокнистыми наполнителями с улучшенной прочностью на сжатие, и разработке способа его получения. Изобретение позволяет повысить прочность на сжатие полисульфонового углепластика на 40-50% за счет введения термопластичного аппрета - полигидроксиэфира, который повышает смачиваемость наполнителя и увеличивает взаимодействие между наполнителем и полисульфоновой матрицей.
Наиболее близким аналогом выступают полимерные композиции по патенту РФ №2201423, полученные на основе полимерного связующего (аппрета) и стеклоткани или углеродного наполнителя. Предварительно получают связующее – олигомер, путем взаимодействия тетранитрила ароматической тетракарбоновой кислоты и ароматического бис-о-цианамина при температуре 170-180°С. Связующее получают в порошкообразном виде. Основным недостатком приведенного решения является сложность процесса синтеза связующего. Неполная степень превращения мономеров во время синтеза может привести к выделению побочных низкомолекулярных продуктов реакции при совмещении связующего с наполнителем при повышенной температуре, а следовательно, к образованию пустот в композиционном материале, что будет приводить к ухудшению прочностных характеристик материала. Кроме того, порошкообразные аппреты могут недостаточно равномерно покрывать поверхность наполнителя.
Задача настоящего изобретения заключается в получении композиционных материалов с улучшенными физико-механическими и реологическими свойствами на основе матричного полимера полифениленсульфида (ПФСД), армированного аппретированным стеклянным волокнистым (СВ) наполнителем.
Поставленная задача достигается тем, что композиционные материалы, армированные стеклянными наполнителями, получают предварительной обработкой стеклянного волокна органическим аппретирующим соединением - 4,4'-бис-([(4-фенил)сульфонил]фенил)сульфидом (ФСС) приведенной ниже формулы:
причем количество аппретирующего вещества к стеклянному волокну соответствует 1-4 мас.%, тогда как количество аппретированного стеклянного волокна в композиционном материале соответствует 20 мас.%. Обработка таким аппретом повышает смачиваемость наполнителя полифениленсульфидом, позволяет многократно проводить при необходимости термообработку получаемого изделия без изменения свойств аппрета.
Композиционные материалы по настоящему изобретению получают путем предварительного смешения полимерной матрицы и аппретированного стекловолокна с использованием высокоскоростного гомогенизатора Multi function disintegrator VLM-40B. Затем полимерная смесь подвергается экструзии на двухшнековом микроэкструдере PJSZ фирмы Haitai Machinery (Китай) с L/D=30, при максимальной температуре 320°С. Образцы для испытаний были получены методом литья под давлением на термопластавтомате SZS-20 компании Haitai Machinery (Китай) при температуре материального цилиндра 330-350°С и температуре формы 80°С.
Использованы стеклянное волокно марки RK-306 (IFI Technical Production) и полифениленсульфид марки PPS Z-200 фирмы DIC Corporation.
Механические испытания на одноосное растяжение выполнены на образцах в форме двухсторонней лопатки с размерами согласно ГОСТ 11262-80. Испытания проводили на универсальной испытательной машине Gotech Testing Machine CT-TCS 2000, производство Тайвань, при температуре 23°С. Ударные испытания выполнены по методу Изода согласно ГОСТ 19109-84 на приборе Gotech Testing Machine, модель GT-7045-MD, производство Тайвань, с энергией маятника 11 Дж.
Показатель текучести расплава (ПТР) определялся на приборе ИИРТ-5 (Россия) при температуре 320°С и нагрузке 5 кгс.
Ниже представленные примеры, иллюстрирующие получение аппретированных стеклянных волокон с использованием ФСС.
Пример 1. Приготовление аппретированного СВ с 1 мас.% ФСС
В трехгорловую круглодонную колбу, снабженную прямым холодильником, нагревателем и мешалкой помещают 25 г дискретного СВ с длиной волокон 0,2 мм и приливают раствор, полученный растворением 0,25 г ФСС в 60 мл N,N-диметилацетамида (ДМАА) (0,44%-й раствор). Включают мешалку и перемешивают в течение 15 мин при температуре 27°С. Далее проводят нагревание содержимого колбы по режиму: 37°С - 35 мин; 57°С -45 мин; 77°С - 45 мин; 90°С - 45 мин.
Затем, содержимое колбы охлаждают до 20°С и осаждают в 100 мл дистиллированной воды. Аппретированное стекловолокно отфильтровывают и сушат в сушильном шкафу под вакуумом при 100-110°С в течение 3-х часов, жидкую часть отправляют на регенерацию ДМАА. Выход аппретированного стекловолокна - 98,7%.
Пример 2. Приготовление аппретированного СВ с 1,5 мас.% ФСС
По примеру 1, только количество ФСС составляет 0,38 г (0,67%-й раствор). Выход аппретированного стекловолокна - 98,3%.
Пример 3. Приготовление аппретированного СВ с 2 мас.% ФСС
По примеру 1, только количество ФСС составляет 0,51 г (0,9%-й раствор). Выход аппретированного стекловолокна - 98,5%.
Пример 4. Приготовление аппретированного СВ с 2,5 мас.% ФСС
По примеру 1, только количество ФСС составляет 0,64 г (1,13%-й раствор). Выход аппретированного стекловолокна - 99,2%.
Пример 5. Приготовление аппретированного СВ с 3 мас.% ФСС
По примеру 1, только количество ФСС составляет 0,77 г (1,36%-й раствор). Выход аппретированного стекловолокна - 99%.
Пример 6. Приготовление аппретированного СВ с 3,5 мас.% ФСС
По примеру 1, только количество ФСС составляет 0,9 г (1,58%-й раствор). Выход аппретированного стекловолокна - 99,3%.
Пример 7. Приготовление аппретированного СВ с 4 мас.% ФСС
По примеру 1, только количество ФСС составляет 1 г (1,75%-й раствор). Выход аппретированного стекловолокна - 98,4%.
Из аппретированных СВ и ПФСД получены ПКМ, содержащие 20 мас.% обработанных ФСС стекловолокон.
В таблице 1 представлены составы, физико-механические и реологические свойства композитов, содержащих различные массы аппретирующей добавки по примерам 1-7.
Как видно из приведенных данных, полимерные композиции, содержащие аппретированные стеклянные волокна (№№ 1-7), по физико-механическим и реологическим характеристикам сравнимы, или проявляют более высокие свойства по сравнению с неаппретированным образцом.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в улучшении физико-механических свойств создаваемого композиционных материалов за счет введения органического аппрета - 4,4'-бис-([(4-фенил)сульфонил]фенил)сульфида, который повышает смачиваемость наполнителя и увеличивает граничные взаимодействия между стекловолокном и полифениленсульфидной матрицей.
1. Полифениленсульфидный композиционный материал, предназначенный для использования в качестве конструкционных полимерных материалов, с аппретированными стекловолокнами, отличающийся тем, что в качестве аппрета используют органическое соединение - 4,4'-бис-([(4-фенил)сульфонил]фенил)сульфид приведенной ниже формулы:
в органическом растворителе N,N-диметилацетамиде, причем количество аппретирующего вещества к стеклянному волокну составляет 1-4 мас.%, тогда как количество аппретированного стеклянного волокна в композиционном материале составляет 20 мас.%.
2. Способ получения полифениленсульфидных композиционных материалов со стеклянными волокнами по п.1, включающий аппретирование стеклянного волокна путем нанесения аппретирующего материала из раствора с последующей сушкой, отличающийся тем, что аппрет наносят из растворов с массовой долей 0,44-1,75% в органическом растворителе и проводят ступенчатый подъем температуры по режиму: 27°С – 15 мин, 37°С - 35 мин; 57°С - 45 мин; 77°С - 45 мин; 90°С - 45 мин.
