CC BY
76
_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 10_
УДК 620.1:691.75.3
Е.А. Беляева*, А.Ф. Косолапов, СВ. Шацкий, В.С. Осипчик**, Набиуллин А.Ф.
ОАО «НПО Стеклопластик», Московская область, Россия
141551, Россия, Московская область, Солнечногорский р-н, пос. Андреевка, стр. 3-А. * e-mail: evgeniya284@mail.ru
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 ** e-mail: vosip@muctr.ru
ГИБРИДНЫЕ КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ВОЛОКНИСТЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ ИЗ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА И СТЕКЛОНАПОЛНИТЕЛЕЙ
Аннотация
Показана эффективность создания гибридных базальто-стекло-ПЭ-пластиков на основе волокнистых материалов из сверхвысокомолекулярного полиэтилена.
Ключевые слова: КМ-гибриды, ткани базальтовая, стеклянная, стеклянные микросферы, прочностные показатели.
Стремление сочетать в композиционных материалах (КМ) легкость с высокой прочностью привлекло внимание исследователей материаловедов к идее армирования полимерных матриц органическими непрерывными волокнами и армирующими материалами на их основе.
Поэтому появление на мировом рынке в последние 20 лет, а в России с 2006 года, самых легких (0,97г/см3) высокопрочных высокомодульных волокон из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) является событием, определяющим прогресс в ряде ведущих отраслей современной техники, прежде всего, авиакосмической и оборонной, в которых снижение веса конструкций имеет приоритетное значение.
От других видов армирующих волокон (п-арамидных, углеродных, стеклянных, базальтовых) волокно из СВМПЭ выгодно отличается уровнем удельной разрывной нагрузки, низким значением плотности, уникальной способностью к поглощению высокоскоростного удара, химической и биологической инертностью, абсолютной прозрачностью во всем диапазоне радиоволн, а также устойчивостью к истиранию и изгибам, невосприимчивостью к действию влаги, низких температур и солнечной радиации.
За рубежом на основе волокон из СВМПЭ голландского, американского, японского и китайского производства уже разработаны и применяются десятки видов изделий и конструкций общепромышленного и специального назначения, при этом рост объемов производства СВМПЭ волокон и КМ на их основе за рубежом поддерживается за счет государственных заказов и рассматривается как одно из условий обеспечения национальной безопасности.
Однако производство КМ на основе СВМПЭ волокон ограничивается инертностью этих волокон практически ко всем термореактивным матрицам, связанной тем, что молекула ПЭ имеет полностью насыщенные химические связи и характеризуется низкой поверхностной энергией (~ 33 мДж/м2).
Следствием этих факторов является плохая смачиваемость армирующего наполнителя (АМ) на основе СВМПЭ -волокон полимерной матрицей (ПМ), слабая адгезия на границе раздела АМ - ПМ и низкие физико - механические свойства КМ.
В этой связи приоритетными задачами при решении проблемы создания конкурентоспособных КМ на основе СВМПЭ волокон являлись:
- поиск путей усиления межфазного взаимодействия (МФВ) на границе раздела АМ - ПМ;
- разработка высокопрочных полимерных композиций, обеспечивающих максимально возможную реализацию свойств СВМПЭ волокон;
- создание гибридных структур КМ на основе разнотипных армирующих наполнителей, которые позволяют использовать достоинства как СВМПЭ -волокон, так и других типов армирующих наполнителей.
Основным средством при решении двух первых задач являлось использование высоких технологий, при этом применение обработки - активации поверхности АМ из СВМПЭ волокна под воздействием низкотемпературной плазмы, а также введение в состав связующего и структуру КМ в целом наночастиц различной химической природы позволило разработать КМ на основе СВМПЭ -волокон с удельными показателями физико — механических свойств, не уступающих, а по ряду показателей (прочности при изгибе, сдвиге, ударной вязкости, водостойкости) превышающих таковые для арамидных, стекло- и углекомпозитов, широко применяемых в промышленности [1,2,3].
Однако для недорогих изделий широкого спектра применения, в которых масса не имеет критического значения, особый интерес представляют гибридные композиты, позволяющие исключить или значительно сократить дорогостоящие плазмохимические процессы активации АМ из СВМПЭ- волокна, заменив их на более доступные.
В гибридных композитах используются не один, а два и более армирующих наполнителей,
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 10
так называемые «трехкомпонентные системы» [3].
Мировой опыт последних лет показывает, что использование трехкомпонентных композитов позволяет менять в широких пределах прочностные и деформационные свойства изделий путем подбора пар армирующих наполнителей, полимерных матриц, а также соотношения и взаимной ориентации слоев. Такой подход к конструированию композитов позволяет предельно оптимизировать их свойства и, следовательно, устранить или снизить недостатки как минеральных, так и особенно легких органических наполнителей и КМ на их основе.
В связи с вышеизложенным авторы провели поисковый этап исследований по изготовлению и оценке физико - механических свойств КМ - гибридов на основе нескольких армирующих наполнителей и одной полимерной матрицы - эпоксиаминной композиции с температурой отверждения 80°С.
В качестве армирующих наполнителей использовали:
- ткань сатинового переплетения из СВМПЭ -волокна марки П - 1 (ТУ 2272 — 21000209556 -2014),обработанную (для активации)ацетоновым раствором 1% - ной суспензии металлосодержащих наноструктур (ТУ 2494 - 001 - 0752163 - 2010);
- ткань из базальтового волокна марки БТ-11-
76;
- ткань Т-41-76 из стеклянного волокна;
- полые стеклянные микросферы МСВ - А
(аппретированные).
Выбор для исследований базальтовой ткани определялся, в частности, острой потребностью строительной отрасли республики САХА (Якутия) в композиционных материалах, устойчивых к различным факторам воздействия зоны вечной мерзлоты (резкая смена температур, УФ — излучение, морская вода и др.), при этом республика потенциально располагает большими объемами базальтовых волокон из базальтовых горных пород местного происхождения.
Выбор МСВ - А связан с известным фактом [4] значительного снижения веса и повышения удельных показателей физико - механических свойств, особенно прочности при сжатии, при введении в структуру стеклопластиков полых стеклянных микросфер, которые представляют собой белый сыпучий порошок, состоящий из шариков диаметром 20 - 50 мкм и толщиной стенки около 1 мкм.
Экспериментальные образцы КМ - гибридов на основе разнотипных тканей, а также образцы СВМПЭ - пластиков (для сравнения) изготавливали по препреговой технологии.
Пропитку тканей осуществляли ацетоновым раствором эпоксиаминного связующего различной вязкости, при этом контролировали содержание связующего в препрегах и КМ.
Оптимальное содержание связующего в КМ составляет 45-47 мас. % (рис.1).
а 700
с
5 600
,е б 500
и
гз и 400
и
р п 300
ь
т с 200
о
н т 100
ор
С 0
20 30 40 46 50
Содержание связующего в полиэтиленбазальтопластике, %
55
Рисунок 1. Влияние содержания связующего на физико-механические свойства полиэтиленбазальтопластике
Укладку слоев препрега проводили поочередно: слой СВМПЭ-ткани, слой базальтовой или стеклянной ткани. С внешних сторон образца находились слои из органической ткани, как наиболее устойчивые к воздействию окружающей среды.
Изготовление КМ проводили методом компрессионного прессования по ступенчатому режиму с максимальной температурой отверждения (80°С), в связи с тем, что при температуре выше 100° С аморфно — кристаллическая структура СВМПЭ волокон претерпевает необратимые изменения и утрачивает свои уникальные свойства.
Физико - механические свойства изготовленных
композитов представлены на рис. 1 и в табл. 1, на которых представлены также результаты испытаний образцов КМ — гибридов, изготовленных методом наполнения на органическую ткань эпоксиаминного связующего с введенными в него стеклянными микросферами в количестве 20 мас. частей.
Оценку физико-механических свойств образцов КМ проводили по разрушающим напряжениям при изгибе (ГОСТ 4649 - 9б), сдвиге (РТМ РС -743 - 86), сжатии (ЛБТМ Б 3410 -75), ударной вязкости (ГОСТ 46-47 по Шарпи), водопоглощению (ГОСТ4650 - 76), плотности (ГОСТ 15139 - 89).
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 10
Таблица 1. Характеристика экспериментальных образцов КМ и их ^ физико — механические свойства
№ Характеристика образцов Плотност ь У, г/см3 Прочность при сдвиге, МПа, тсдв Прочность при изгибе, Мпа, ошг Прочность при сжати,МПа , ^сж Уд. вязкость А, кДж/м2 Водопогло ще ние, %, W Степень отвержден ия, %
Вид армирующих наполнителей Метод изготовлен ия Содержани е связующег о, %
1 Химически активированная ткань (сатин) из СВМПЭ волокна ком-прес-сион-ное прес-сование 46 - 47 1,08 29,3 353 57,5 355 0,4 94,5
2 + стеклянная ткань Т - 41 - 76 45 - 46 1,34 37,6 606 162 360 0,51 94,7
3 + базальтовая ткань БТ -11- 76 45-47 1,38 36,8 595 178 356 0,48 95,1
4 + полые стеклянные микросферы напыление 46 - 48 0,76 26,5 295 122,5 310 0,35 94,4
Проведенные поисковые исследования подтвердили эффективность создания гибридных композитов (ГКМ), в частности базальто-стекло-ПЭ-пластиков при сравнительно недорогом способе химической активации СВМПЭ-волокон. Повышены удельные показатели основных физико-механических
свойств, особенно прочности при сжатии (более чем в 2 раза) при некотором повышении показателей плотности (у) и водопоглощения для ГКМ на основе разнотипных тканей и снижении показателей у и W для ГКМ с использованием стеклянных микросфер.
Беляева Евгения Алексеевна, соискатель кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Косолапов Алексей Федорович, к.т.н., директор НПК «Композит» ОАО «НПО Стеклопластик», Московская область, Солнечногорский район, Россия
Шацкий Сергей Владимирович, студент кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Осипчик Владимир Семенович, заведующий кафедрой технологии переработки пластмасс, профессор РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Набиуллин Азат Фаритович, студент кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Беляева Е.А., Шацкая Т.Е., Натрусов В.И. и др. Наноструктурированный композиционный материал на основе волокон из СВМПЭ// Нанотехника, 2012. № 4.С. 86 - 89.
2. Косолапов А.Ф., Беляева Е.А., Осипчик В.С. и др. Композиционный ударопрочный материал конструкционного назначения на основе волокнистых наполнителей из СВМПЭ отечественного производства// Пластические массы, 2014. № 9-10.С.37-39.
3. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные КМ, изд. НОТ, СПб, 2008 .332 с.
4. Патент РФ № 2223178.
Belyaeva Evgeniya Alekseevna*, Kosolapov Alexei Fedorovich, Shatskyi Sergey Vladimirovich, Osipchik Vladimir Semenovich**, Nabiyllin Azat Faritovich
NPK «Composite» OAO NPO «Stekloplastic» , Solnechnogorsk district, Russia. * e-mail: evgeniya284@mail.ru
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. **e-mail: vosip@muctr.ru
HYBRID COMPOSITES BASED FIBERFILL OF ULTRAHIGH-MOLECULAR POLYETHYLENE AND GLASS FILLER
Abstract
The efficiency of hybrid basalt glass - PE -plastics based on fiber materials of ultra high molecular weight polyethylene. Key words: CM - hybrids , basalt fabrics , glass , glass microspheres , strength characteristics.
