CC BY
553
УДК 543.4:544.2
Е. А. Кияненко, Л. А. Зенитова, М. Г. Кузьмин
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ СОТОВЫХ ПАНЕЛЕЙ
Ключевые слова: сотовые панели, полимерное связующее, эпоксидная смола, полиэфирная смола, полиуретан, стеклоровинг,
плазмообработка, аэросил, фуллерены.
В результате анализа мирового и, в частности, российского рынка сотовых панелей выявлена необходимость развития их применения в таких областях, как авиа- и судостроение, строительство и т.д. Показано, что армирование полимерного связующего плазмообработанным стеклоровингом, способствует значительному повышению прочностных свойств полимерного композиционного материала, а также сотовых панелей, изготавливаемых на его основе. Наполнение полимерного композиционного материала наночастицами фуллеренов и аэросила также повышает прочностные свойства и термоустойчивость композиции.
Keywords: honeycomb panels, polymer binder, epoxy, polyester resin, polyurethane, glass fiber rovings, plasma treatment, aeroforces,
fullerenes.
As a result of analysis of the world and, in particular, the Russian market of cell panels identified the need to develop their applications in areas such as aircraft manufacturing, shipbuilding, construction, etc. It is proved that the reinforcing polymer binder plasma treated glass roving, contributes significantly to the strength properties of a polymer composite material as well as cellular panels manufactured on its basis. Filling polymer composite nanoparticles, and fullerenes aeroforce also improves the strength properties and heat resistance of the composition.
Введение
В настоящее время производство сотовых панелей развивается как в России, так и за рубежом. Одним из основных поставщиков сотовых панелей на Европейском рынке и в США являются компании CELCOMPONENTSS.r.l (Италия), PlascoreIncorporated (США), Pacific РапеЫпс.(США), XENAPAN (Турция), Panelium Kompozit Sistemleri (Турция). Также изготовлением сотовых панелей из стекловолокна занимается индийская компания Tosolbond Composites Llc. Зарубежные фирмы в основном занимаются производством трехслойных сэндвич-панелей, наполнителем которых являются сотовые панели. На российском рынке производством сотовых панелей занимаются такие компании как, ООО НПП "Технология" (г. Обнинск), ООО «Экосистем» (г.Чехов, Московская область), ЗАО «Рекаст»
(г. Сосенский, Калужская область).
Следует отметить, что на российском рынке сотовые панели, в основном, используются при изготовлении мебели. Нашей целью является развить направление использования сотовых панелей в таких отраслях, как авиа- и судостроение, индустрия спорта и отдыха [1,2].
Целью данной работы является создание отечественных полимерных композиционных материалов (ПКМ) модифицированных фуллеренами, наночастицами аэросила и армированных плазмообработанным стеклоровингом для
изготовления сотовых панелей и изделий широкого спектра использования.
1. Сотовые панели на основе полимерных композиционных материалов
Сотовые панели - это анизотропные материалы, свойства которых зависят от вида, структуры и состава материала. Они обладают высокими прочностными характеристиками и
теплоизолирующими свойствами.
По конструкции сотовые панели представляют собой материалы, состоящие из тонкостенных пустотелых ячеек. Все ячейки имеют одинаковую шестигранную форму (аналогично пчелиным сотам).
В данной работе рассматриваются сотовые панели из ПКМ следующих видов:
- сотовая панель из полимерного композиционного материала на основе эпоксидного связующего модифицированного с наноразмерными частицами оксида кремния и фуллеренами и армированного плазмообработанным стеклоровингом (далее СП- 1.1). Предназначены для производства сэндвич-панелей, применяемых в авиастроении, космической отрасли и общем машиностроении для изготовления конструкционных элементов с повышенной несущей способностью;
- сотовая панель из полимерного композиционного материала на основе полиэфирного связующего модифицированного наноразмерными частицами оксида кремния и фуллеренами и армированного плазмообработанным стеклоровингом (далее СП- 1.2). Предназначены для производства сэндвич-панелей широкого спектра применения в судостроении, автомобилестроении, авиастроении, железнодорожной и химической промышленности для изготовления элементов конструкций со средней несущей способностью;
- сотовая панель из полимерного композиционного материала на основе полиуретанового связующего модифицированного наноразмерными частицами оксида кремния и фуллеренами и армированного плазмообработанным стеклоровингом (далее СП- 1.3). Предназначены для производства сэндвич-панелей, применяемых в строительстве, транспорте для изготовления изделий с повышенными требованиями к тепло- и звукоизоляции.
В качестве полимерного связующего в сотовых панелях СП- 1.1 используется эпоксидная смола. Изделия на её основе имеют облегченную конструкцию, что делает их незаменимыми для авиационной и космической промышленности. Кроме того, эпоксидные смолы производятся отечественной промышленностью, потребители хорошо знакомы с этим материалом, что может значительно облегчить продвижение товара с их использованием на потребительском рынке.
В качестве полимерного связующего сотовых панелей СП- 1.2 используется полиэфирная смола. Изделия на её основе обладают оптимальным балансом между прочностью и эластичностью, высокой адгезией к материалам, устойчивостью к атмосферным воздействиям.
Полиуретаны наряду с высокими прочностными характеристиками обладают тепло- и
звукоизоляционными показателями, а также имеют высокие показатели адгезии к различным субстратам. Именно поэтому, в качестве полимерного связующего для получения сотовых панелей СП- 1.3 выбраны полиуретаны.
2. Армирование полимерных композиционных материалов плазмообработанным стеклоровингом
Существует несколько способов повышения прочности полимерных материалов, в частности, армирование наполнителями на основе стекловолокна (стеклянных нитеобразных волокон, ткани или матов). Стекловолокно выполняет армирующую функцию и обеспечивает необходимую прочность. Полимерное связующее придаёт материалу монолитность, способствует повышению прочности стекловолокна и распределению усилий между волокнами, защищает стекловолокно от агрессивных сред. Изделия из композиционного материала со стекловолокном обладают пониженной теплопроводностью,
прочностью стали, долговечностью, биологической и химической стойкостью, является диэлектриком, не подвержены гниению. Также они обладают повышенной огнестойкостью, а при пожаре не выделяют отравляющий газ диоксин, например, в отличии от поливинилхлорида[3].
Однако при наполнении полимерного связующего стекловолокном возможна недостаточная адгезия наполнителя с полимером, что может привести к расслоению, негативно отражаясь на несущей способности готовых изделий.
В данной работе в качестве армирующего наполнителя используется рубленное стекловолокно -стеклоровинг. Для повышения адгезии «стеклоровинг-полимерное связующее» стекловолокно необходимо модифицировать.
В настоящее время для модификации различных материалов широко применяют все виды физических воздействий, таких как токи высокой частоты, ультразвуковое воздействие, лазерная и плазмохимическая обработка. Из существующих областей химии высоких энергий значительное развитие получила плазмохимия, в частности, воздействие высокочастотного емкостного разряда. В
ряде случаев это позволяет сократить время процесса, создать более мягкие условия его протекания, повысить технологичность и уровень потребительских показателей материала.
В работах [4-6] разработан способ, дающий возможность менять смачивающую способность материалов в зависимости от условий обработки высокочастотным емкостным разрядом пониженного давления. При этом, используя различные плазмообразующие газы, за счет которых на поверхности материала прививаются различные химические группы, способствующие увеличению адгезии полимер-наполнитель. Это, в свою очередь, способствует повышению сцепления наполнителя с полимерными цепями, увеличивая тем самым прочностные свойства ПКМ [7].
Таким образом, для модификации стеклоровинга наиболее перспективной следует считать обработку с помощью ВЧЕ плазмы.
Плазмообработка стеклоровинга заключается в направленном изменении надмолекулярного строения, формы или внешней поверхности. Преимущества такой обработки заключаются в ускоренном методе обработки (от 30 с до 30 минут), что экономит энергоресурсы. Кроме того, ввиду низких температур обработки не происходит деструкции самого материала. В тоже время плазменная обработка позволяет варьировать поверхностные свойства
обрабатываемого материала, а в случае армирующих наполнителей увеличивать адгезионную прочность наполнитель - полимер.
Таким образом, с целью увеличения адгезионной прочности полимер - наполнитель, в данной работе используется плазмохимическая обработка стеклоровинга.
3. Нанонаполнение полимерных композиционных материалов наночастицами фуллеренов и аэросила
В полимер-матричных композитах переход от микроразмерных наполнителей к наноразмерным существенно изменяет целый ряд эксплуатационных и технологических свойств, связанных с локальными химическими взаимодействиями, включая: скорость
отверждения, мобильность и деформируемость полимерных цепей, упорядоченность структуры (степень кристаллизации полимерной матрицы). Благодаря этому даже относительно небольшие добавки наноразмерных наполнителей (до 2,0 % масс.) приводят к значительному улучшению физико-механических свойств композиционных материалов [8-10]. В ряде случаев введение в состав ПКМ всего 2% масс. наноразмерных частиц позволяет в 5-15 раз увеличить его прочностные характеристики (прочность на сжатие, сдвиг, растяжение и т. п.), как по сравнению с исходным полимером, так и в сравнении с полимерным композитом, содержащим 20-30 % масс. микроразмерного наполнителя [7].
Наноразмерный характер частиц наполнителя также может приводить к получению ПКМ, обладающих необычными структурой и свойствами, например, введение в полимерную матрицу некоторых наноразмерных наполнителей (8п02, ТЮ2, 2г02, ИЮ2, карбидов, нитридов, боридов, силицидов различных металлов, силикатов, а также углеродных волокон или их сочетаний) придает ПКМ негорючесть и огнезащитные свойства [7].
На основании вышеуказанного можно предположить, что введение наноразмерных частиц аэросила в количестве от 0,5 до 2 % масс. и фуллеренов в количестве от 0,01 до 0,05 % масс. в полимерную матрицу может увеличить физико-механические характеристики ПКМ, а именно, прочность (на сжатие, сдвиг) и термостойкость (огнестойкость, температурный интервал
эксплуатации) [11, 12].
Улучшение свойств композиционного материала становится возможным за счет высокой степени влияния развитой поверхности нанонаполнителя на упорядочение расположения элементов полимерной матрицы. Так, например, в работе [7] показано, что даже небольшое количество алюмосиликата (до 2,0 %) значительно улучшает механические и термические свойства полимерного композита.
Таким образом, используемые в качестве нанонаполнителей фуллерены и аэросил придадут ПКМ повышенные прочностные характеристики и температуростойкость.
4. Области применения сотовых панелей
Сотовые панели применяют для изготовления силовых (несущих нагрузку, жестких), тепло- и звукоизолирующих конструкций. Их используют в судостроении, конструкциях летательных аппаратов (вследствие низкой плотности), транспортных средствах (рефрижераторы), криогенной технике, строительстве и других целях. В летательных аппаратах получили распространение термостойкие и трудногорючие сотовые панели на основе термостойких бумаг из фенилона (номекса) и термостойких связующих. Облицовочные панели в этом случае изготавливают на основе параарамидных тканей. Такие сотовые панели обладают минимальной массой при достаточно высоких механических свойствах.
Сотовые панели находят применение в качестве основы для изготовления высокопрочных и легких трехслойных конструкций, которые состоят из наружного, внешнего однородного слоя и внутреннего слоя - сотовой панели (рис. 1).
По сравнению с однослойной, трехслойная конструкция обладает повышенной жесткостью и прочностью, что позволяет уменьшить толщину оболочек, панелей и число ребер жесткости, что сопровождается существенным уменьшением массы конструкции.
Трехслойные конструкции могут изготавливаться из любых материалов (древесины, металлов, пластмасс). Однако наиболее широкое распространение они получили при использовании
полимерных композиционных материалов, которые могут применяться как для несущих слоев, так и для заполнителя, а их соединение друг с другом обеспечивается склеиванием.
Рис. 1 - Сэндвич-панель с внутренним наполнителем «сотовая панель»
Помимо возможности уменьшения массы, трехслойные конструкции обладают и другими положительными качествами. В большинстве случаев, кроме своей основной функции — образовывать корпусную конструкцию, они выполняют и ряд других. Например, придают свойства тепловой и звуковой изоляции, обеспечивают запас аварийной плавучести и т.п. Трехслойные конструкции благодаря отсутствию или сокращению элементов набора позволяют более рационально использовать внутренние объемы помещений, прокладывать электротрассы и некоторые трубопроводы в самом заполнителе, облегчить поддержание чистоты в помещениях. Благодаря отсутствию концентраторов напряжений и исключению возможности появления усталостных трещин трехслойные конструкции имеют повышенную надежность.
Трехслойные конструкции широко
применяются для изготовления корпусов шлюпок, катеров и судов (длиной 10^15 м), а также изготовления отдельных конструкций: палуб, надстроек, рубок, переборок и т. п.
Сэндвич-панели - продукт, незаменимый в современном строительстве. Он обладает рядом несомненных преимуществ перед кирпичом, бетоном и другими строительными материалами. Основные достоинства - это:
• высокая теплоизоляция;
• высокая огнестойкость:
• высокая звукоизоляция;
• воздухонепроницаемость;
• водонепроницаемость;
• высокая несущая способность;
• долговечность;
• небольшой вес;
• легкость сборки-разборки;
• широкая цветовая гамма.
За счет использования сэндвич-панелей можно в разы уменьшить толщину ограждающих конструкций и перегородок при строительстве зданий, что приводит к увеличению полезной площади здания и снижению нагрузок на каркас и фундаменты.
Выводы
1. При всем многообразии представленных видов сотовых панелей на мировом уровне, российский рынок мало освоен в данной области. Существует необходимость в развитии таких направлений, как использование сотовых панелей в строительстве, авиастроении, судостроении, индустрии отдыха и спорта и т. д
2. Использование в качестве полимерных связующих эпоксидной, полиэфирной смол или полиуретана придаст ПКМ и готовому изделию на основе его высокие прочностные характеристики.
3. Плазмообработка стекловолокна увеличит его гидрофильные свойства, что повысит адгезию наполнитель-полимерное связующее и, соответственно, приведет к значительному повышению прочностных свойств ПКМ.
4. Используемые в качестве нанонаполнителей фуллерены и аэросил придадут ПКМ повышенные прочностные характеристики и температуростойкость.
Работа выполнена по договору № 02.G25.31.0128 от 01 октября 2014 года при финансовой поддержке Минобразования, приказ № 218 РФ.
Литература
1. Панельное и крупноблочное строительство промышленных и энергетических объектов [Текст]: монография / А. Н. Комаровский. - Изд. 2-е перераб. и доп. - М.: Энергия, 1970. - 535 с.
2. http://msd.com.ua/polimernye-teploizolyacionnye-materialy/ sotoplasty/
3. http://leader-composite.org/index/0-78
4.Абдуллин И.Ш. Исследование высокочастотного диффузионного разряда в процессах обработки
поверхностей / НПО «Мединструмент». - Казань, 1988.
- 75 с. - Деп. в ВИНИТИ. 90030880 № 1571-1389.
5. Абдуллин, И.Ш. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения /И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин, Н.Ф. Кашапов. - Казань: Изд-во Казанск. унта. - Казань., 2000. - 348 с.
6.Гришанова И.А., Абдуллин И.Ш., Абуталипова Л.Н., Мигачева О.С. Исследование капиллярности плазмированных полимерных материалов // Научно-практическая конференция «Применение новых текстильных и композитных материалов в технологическом текстиле»: сборник статей; М-во образ.и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т.
- Казань: Изд-во КНИТУ, 2013. - С.126.
7. Гороховский, А.В. Композитные наноматериалы, СГТУ, 2008 - 73с.
8. Castrillon M., Garcia C., Paucar C. Evaluation of the influence of the particle size and the time of thermal treatment on the physical-mechanical characteristics of a composite of sinterized alumina infiltrated with a lanthanum glass // Dyna Medellin Colombia.- 2007.-No152.-P.159-165.
9. Kemethmueller S., Hagymasi M., Stiegelschmitt A. Viscous flow as the driving force for the densification of low-temperature co-fired ceramics // J.Am.Ceram.Soc.-2007.- V. 90.-№1.-Р.64-70.
10. Yue, Z.; Li, L.; Zhou, J.; Zhang, H.; Ma, Z.; Gui, Z. Preparation and electromagnetic properties of ferrite-cordierite composites // Materials Lett.-2000.-V. 44.-No5.-P.279-283.
11. Чвалун С.Н., Новокшонова Л.А., Коробко А.П., Бревнов П.Н. Полимер-силикатные нанокомпозиты: физико-химические аспекты синтеза полимеризацией // Рос. хим. ж. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2008, т. LII, № 5, С.52-57.
12. Sikka M., Cerini L.N., е.а. J. Polym. Sci. B, 1996, v. 34, p. 1443.
© Е. А. Кияненко - канд. техн. наук, ст. науч. сотр. НТЦ химии и нефтехимии КНИТУ, kiyanenko@mail.ru; Л. А. Зенитова -д.т.н., профессор каф. ТСК КНИТУ, zenit@kstu.ru; М. Г. Кузьмин - асп. каф. интеллектуальных систем и управления информационными ресурсами КНИТУ, kuzminmg@rambler.ru.
© E. A. Kiyanenko - candidate of technical Sciences, KNRTU, kiyanenko@mail.ru; L. A. Zenitova - Ph.D., professor of the Department TSC KNRTU, zenit@kstu.ru; M. G. Kuzmin - graduate student, KNRTU, kuzminmg@rambler.ru.
