CC BY
53
УДК 678.072+677.4
КОНСТРУКЦІЙНІ ОРГАНОПЛАСТИКИ НА ОСНОВІ ТЕРМОРЕАКТИВНИХ МАТРИЦЬ
О.І. Буря, професор, к.т.н., Н.Г. Черкасова, доцент, к.т.н., В.В. Киприч, аспірант, Дніпропетровський державний аграрний
університет
Анотація. Досліджено фізико-механічні, теплофізичні та трибо-технічні властивості розроблених органопластиків на основі фенолоформальдегідної та епоксидної матриці, хаотично армованої дискретними органічними комплексними нитками (терлон, фенілон, русар-С, оксалон) та штапельними волокнами. Визначено оптимальні параметри режимів отримання та переробки органопрепрегів.
Ключові слова: полімерні композиційні матеріали, органопластики, термореактивна матриця, арамідні та поліоксадіазольні волокна.
Вступ
Сучасна техніка, і в першу чергу аерокосмічна, суднобудування, автомобіле- та
машинобудування, немислима без
конструкційних високоміцних полімерних композиційних матеріалів (ПКМ). Прогрес у цих галузях техніки, безпосередньо пов’язаний зі збільшенням застосування і покращення якості ПКМ. В останні десятиріччя значну увагу ведучі світові фірми - виробники автомобілів, приділяють розробці і використанню в конструкціях автомобілів нових полімерних матеріалів і композитів на їх основі. Витрати пластиків на один зарубіжний автомобіль в останні роки досягли 120-160 кг. Використання сучасних конструкційних ПКМ забезпечує підвищення продуктивності праці, довговічності та корозійної стійкості з 5 до 10 років, травмобезпеки та комфортабельності,
конкурентноздатності автомобілів; зниження маси у 2-3 рази, шуму, токсичності двигунів; спрощення конструкції, економію металу (1кг пластика економить 3-3,5 кг сталі та кольорових металів), пального [1-3].
Властивості ПКМ можна варіювати в широких межах в залежності від вимог, що пред’являються до експлуатаційних характеристик готового виробу, добираючи відповідні полімерні матриці (термопластичні або термореактивні),
наповнювачі та їх комбінації, регулюючи процеси формування виробів [4-6].
ПКМ на основі термореактивних матриць (поліефірних, епоксидних, фенольних, поліімідних) широко застосовуються в сучасних автомобілях. З них виготовляють
крупногабаритні панелі кузовів та кабін (бампери, крила, капоти, багажники, двері), деталі паливної системи (баки, контейнери вторинних батарей, труби), ремінні шківи, всмоктувальні модулі, деталі гальмових систем, корпуси та кожухи для фільтрів, насосів, моторів, відбивачі світла прожекторів і фар, деталі інтер’єру автомобілів [7-11].
Мета роботи, об’єкти і методи дослідження
В роботі проведені дослідження комплексу експлуатаційних характеристик (волого- та хемостійкості, фізико-механічних,
теплофізичних, триботехнічних) розроблених органопластиків на основі термореактивної матриці: епоксидної (епоксидний олігомер ЕД-20, отверджений
м-ФДА) та фенолоформальдегідної - бакелітовий лак марки ЛБС-1), хаотично армованої дискретними комплексними нитками
(арамідними - терлон, русар-С, фенілон та поліоксадіазольними - оксалон) та штапельними волокнами фенілон та оксалон. Використання хаотичної схеми армування дозволяє отримати ПКМ з високим ступенем однорідності, спрощує технологію виготовлення виробів складної конфігурації, дає можливість використовувати як наповнювач поряд з кондиційними волокнами некондиційну продукцію волоконного
виробництва, що значно здешевлює вироби з ПКМ.
Фізико-механічні дослідження органопластиків проводились на стандартних зразках згідно з ГОСТ для пластмас. Теплофізичні характеристики ПКМ визначали на приладах ІТ-С-400 (питома теплоємність), ІТЕМ-1-М (коефіцієнт теплопровідності), дилатометрі ДКВ-
5 АМ (коефіцієнт лінійного термічного розширення КТЛР) згідно з ГОСТ. Трибологічні дослідження здійснювались на дослідній машині 2070 СМЦ-1 за схемою: диск-колодка в режимах сухого тертя та змащування водою. Шлях тертя складав 3000 м.
Результати досліджень
Дослідження впливу ступеня наповнення та довжини армуючих волокон на технологічні властивості органопрепрегів та експлуатаційні характеристики розроблених органопластиків показало, що незалежно від природи термореактивної матриці оптимальні властивості мають композити зі ступенем наповнення 60-65 мас.% при довжині армуючого елемента 10 мм. В табл.1 наведені фізико-механічні властивості органопластиків з оптимальними
мікростуктурними параметрами наповнювача (ступінь наповнення 60 мас%, довжина відрізків комплексної нитки 10 мм).
Таблиця 1 Фізико-механічні властивості органопластиків на основі фенолоформальдегідної (чисельник) та епоксидної (знаменник) матриць
Примітка. Тм - теплостійкість за Мартенсом.
Коефіцієнти теплопровідності та
температуропровідності органопластиків
змінюються в межах 0,140-0,175 Вт/(мК) та
0,080-0,130 м2/с відповідно. Слід відмітити, що феноорганопластики мають більш високі значення теплоємності та коефіцієнта теплопровідності ніж епоксиорганопластики, в той час як коефіцієнт температуропровідності фенопластиків нижчий ніж у
епоксиорганопластиків.
Розроблені органопластики стійкі до дії вологи, органічних розчинників, органічних кислот, розбавлених мінеральних кислот та лугів, масел, сольових розчинів. Характеризуються високою зносостійкістю і низьким коефіцієнтом тертя в
умовах змащування водою (0,09-0,18). Слід відмітити, що органопластики на основі фенолоформальдегідної матриці мають більш низький коефіцієнт тертя, ніж на основі епоксидної.
Було досліджено вплив лінійної густини штапельних волокон оксалон та фенілон на властивості органопластиків (табл. 2.)
Помітне зниження теплостійкості
органопластиків на основі оксалону та епоксидного в’яжучого пов’язано з присутністю в ланцюгах макромолекул поліоксадіазолу
залишків гідразідних фрагментів, що приводить до зниження термічних і міцнісних характеристик волокна і впливає на кінетику отвердження епоксидного олігомеру ароматичним аміном.
Таблиця 2 Фізико-механічні властивості органопластиків на основі термореактивної матриці і штапельних волокон
Матриця Л.г., Ударна в’язкість, Руйнуюче напруження, МПа при Тм, К
текс кДж/м2 виги ні стисне нні
0,17 27 55 128 358
Епоксидн 46 75 200 422
а 0,33 25 50 125 355
43 80 170 420
Фенолоф 0,17 25 65 130 445
ормальде 45 70 190 445
гідна 0,33 26 68 120 443
41 75 185 445
Примітка. Л.г. - лінійна густина волокна; у чисельнику - для оксалону; у знаменнику - для фенілону.
Для зменшення цього впливу поліоксадіазольні волокна піддавали додатковій термообробці, що привело до зростання теплостійкості пластиків до 400 К (для епоксидної) та 453 К (для фенолоформальдегідної).
Визначені оптимальні параметри процесів отримання і переробки органопрепрегів. Використання просочувальних розчинів термореактивних в’яжучих (60-65 %-ного для епоксидного та 35-40 %-ного для фенолоформальдегідного) забезпечує добре змочування та якісне просочування волокнистого наповнювача при хаотичній схемі армування, що дозволяє досягнути високий ступінь наповнення (60-70 мас.%) і підвищити фізико-механічні властивості при збереженні монолітності матеріалу.
Комп- лексна нитка Ударна в’язкість, кДж/м2 Руйнуюче напруження, МПа при * " м Т
вигині стисненні
Терлон 75 135 130 523
70 150 140 463
Русар-С 100 134 211 466
90 160 19 457
Фенілон 65 145 170 453
47 165 165 433
Оксалон 76 76 135 469
72 72 130 420
Розроблено прискорений режим формування деталей з подальшою ступінчатою високотемпературною термообробкою готових виробів, що дозволяє при збереженні високого рівня експлуатаційних характеристик пластика в 4-6 разів скоротити час пресування деталі, знизити енерговитрати, що особливо важливо в умовах серійного виробництва.
Лабораторія полімерних композитів кафедри хімії ДГ АУ має позитивний досвід використання розроблених матеріалів для виготовлення деталей рухомих з’єднань тролейбусів. Згідно з актом випробувань, проведених тролейбусним депо №2 м.Дніпропетровська, від 15.08.2000 деталі безвідмовно відпрацювали 26000 км і залишені для подальших випробувань. Експериментальні деталі відрізняються високою надійністю в експлуатації, що дозволило їх рекомендувати для впровадження в конструкції тролейбусів ЗИУ, ЮМЗ (рис. 1). Деталі можуть оброблятися звичайними методами механічної обробки.
Втулки з органопластиків на основі оксалону пройшли випробування у пневмоциліндрах фірми DNGS (рис. 1).
Рис. 1. Втулка ковзання: а - і пневмоциліндр; б фірми DNGS
Висновки
Розроблено ряд органопластиків на основі термореактивної матриці з широким діапазоном властивостей, які можуть бути застосовані як хімічно стійкий, антифрикційний (в умовах змащування), теплостійкий матеріал.
Визначені оптимальні параметри отримання та переробки органопрепрегів, що дозволяє при збереженні високого рівня експлуатаційних характеристик значно скоротити час формування виробів, знизити енерговитрати.
Література
1. Фридляндер И.Н. Современные тенденции в
развитии композиционных материалов // Ж. Всес. хим. о-ва им. Д.И. Менделеева. - 1991.
- Т.36. - №6. - С.652-656.
2. Карнаухов Е.Г., Полетаев В.А. Полимерные
композиционные материалы в
машиностроении // Ж. Всес. хим. о-ва им. Д.И. Менделеева. - 1989. - Т.34. - №5. - С. 483-492.
3. Perspektion technischer Kunststoffe // Kunstruk-
tionspraxis. -1992. - №6. - P.10-11.
4. While Liz. Cars using more plastics // Urethanes
Technat. - 2001. - V.18. - №2. - P.32.
5. Кєр6єр М.Л., Кравченко Т.П. Термопластичные
полимерные композиционные материалы в автомобилестроении // Пластические массы.
- 2000. - №9. - С.46-48.
6. Fusse Riidiger. Keeping resins in trim // Adhes.
Te^ol, 2000. -V.17. - №5. - P.28-29.
7. Duroplast kommen ins Rollen // Kunststoffe. -
2003. - V.93. - №3. - P. А25-А27.
8. Transit bus is latest coup for Scrimp FRP
technology // Modern Plastic Jnternational. -March, 2000.-P.36.
9. Барсуков В.В., Мамончик А.И., Костюко-
вич Г.А. Применение в автомобилестроении полимерных композитов с волокнистым наполнителем // Материалы, технологи, инструменты. - 2002. - Т.7. - №2. - С.40-44.
10. Outstanding developments in reinforced plastics
recognized // Adv. Compos. Bull. -Febr., 2003.
- P.10-11.
11. Fuel system having excellent gasoline barrier
property; Заявка 1375575 ЕПВ, МПК7 С 08 J 7/04. Mitsubishi gas Chemical Co. Inc., Kutsuna Takaaki, Koyama Takeshi. №030111975, Заявл. 28.05.2003, Надр. 02.01.20004.
Рецензент: К.А. Мельников, професор, д.т.н., ДГАУ.
Стаття надійшла до редакції 18 липня 2006 р.
а
б
Рис. 2. Втулка скольжения a) и пневмоцилиндр б) фирмы DNGS.
