CC BY
81
2011/3
Литература
1. Anderson P.W. Absence of Diffusion in Certain Random Lattices // Phys. Rev. - 1958. - V.109. - P. 1492-1505.
2. Asatryan A.A., Robinson P.A. Diffusion and anomalous diffusion of light in two-dimensional photonic crystals // Phys. Rev. E. - 2003. - V.67.
3. Twersky V. Multiple Scattering of Waves and Optical Phenomena // J. Opt. Soc. Am. - 1962. - V.52. - P. 145-169.
4. Иванов Е.И. Дифракция электромагнитных волн на двух телах. - Минск: Наука и техника, 1968. - 584 с.
5. Ulaby F.T., El-Rayes M.A. Microwave dielectric spectrum of vegetation. Part I. Experimental observations // IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing. - 1987. - V.GE-25, №5. - P. 541-549.
6. Gupta B.C., Ye Z. Localization of classical waves in two-dimensional random media: a comparison between the analytic theory and exact numerical simulation // Phys. Rev. E. - 2003. - V.67.
Ветлужский Александр Юрьевич, кандидат физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник, лаборатория радиофизики, отдел физических проблем при президиуме Бурятского научного центра СО РАН. 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 8, тел. 8(3012)434664, e-mail: [email protected]
Ширапова Туяна Дондокдугаровна, аспирант, лаборатория радиофизики, отдел физических проблем при президиуме Бурятского научного центра СО РАН, тел.8(3012)434664, e-mail: tuyna [email protected]
Vetluzhskiy Alexandr Yurievich, candidate of physics and mathematics, associate professor, senior researcher, laboratory of radiophysics, department of physical problems under presidium of Buryat Scientific Center SB RAS.
Shirapova Tuyana Dondokdugarovna, postgraduate student, laboratory of radiophysics, department of physical problems under presidium of Buryat Scientific Center SB RAS.
УДК 539.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДИСПЕРСНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ ВОЛЛАСТОНИТА НА ВЯЗКОУПРУГИЕ СВОЙСТВА СТЕКЛОПЛАСТИКОВ
Ф.М. Бетеньков, П. Д. Голубь, А. Д. Насонов
Методом динамического механического анализа (ДМА) было проведено исследование вязкоупругих свойств конструкционных стеклопластиков на основе смолы Epikote-828, наполненных природным минералом - волластонитом. Исследования были выполнены в интервале температур от 20 до 160°С. Изучение основных релаксационных процессов, позволило выявить эффективность использования природного минерала волластонита в качестве дисперсного наполнителя при создании стеклопластиков конструкционного назначения с заранее заданными свойствами.
Ключевые слова: температура стеклования, динамический модуль сдвига, полимерные материалы.
THE INVESTIGATION OF DISPERSE FILLER WOLLASTONITE INFLUENCE ON THE VISCOELASTIC PROPERTIES OF GRP F.M. Beten’kov, P.D. Golub’, A.D. Nasonov
The viscoelastic properties of structural glass-reinforced plastics based on the resins Epikote-828 and filled with the natural mineral - wollastonite, were studied by dynamic mechanical analysis (DMA). The investigation was performed at the interval of temperatures ranging from 20 to 160 °C. Studying of the basic relaxation processes revealed the effectiveness of wollastonite application as a dispersed filler for creation engineering glass-fiber materials with in advance set physical mechanical properties.
Keywords: glass transition temperature, dynamic shear modulus, polymeric materials.
В настоящее время стеклопластики достаточно широко используются в различных отраслях производства. Большой интерес вызывает возможность снижения стоимости данного вида продукции и улучшения его эксплуатационных характеристик за счет использования дешевых и эффективных минеральных наполнителей, таких как волластонит [1]. Игольчатая структура волластонита позволяет создать в композиционном материале эффект микроармирования, что, в свою очередь, приводит к росту механических и прочностных показателей [2].
В качестве объекта исследования были выбраны стеклопластики на основе эпоксидной смолы Epikote-828 (зарубежный аналог эпоксидной смолы ЭД-20) и стеклоткани ЭЗ-200. В качестве наполнителя использовался волластонит марки Воксил-100М. Степень наполнения составила 0-30% массы связующего. Готовая композиция проходила многостадийный процесс отверждения.
Для исследования вязкоупругих характеристик стеклопластиков использовался метод динамического механического анализа (ДМА), который хорошо зарекомендовал себя при измерении свойств полимеров. Результаты, полученные с помощью данного метода, содержат широкий спектр информации, что делает его весьма привлекательным для исследования материалов такого класса [3]. Во-
Ф.М. Бетеньков, П. Д. Голубь, А. Д. Насонов. Исследование влияния дисперсного наполнителя волластонита на вязкоупругие свойства стеклопластиков
первых, динамический механический анализ дает сведения о механических показателях в стеклообразном и высокоэластическом состояниях полимера (динамический модуль сдвига О' и тангенс угла механических потерь tg5), включаемых в регистрационные сертификаты материалов. Во-вторых, с его помощью получается информация о молекулярной подвижности, фазовых и релаксационных переходах, физических и химических процессах, происходящих в композите. Погрешность измерения О' для полимеров с О' > 108 Па составляет 3%. В случае, когда О' = 105-106 Па, погрешность возрастает до 7%. Точность поддержания температуры в термокамере - 0,5 С. Погрешность измерения tg5 для полимеров с О' > 108 Па составляет 3%. Определение температуры стеклования производилось по методике описанной ранее [4, 5] при помощи метода аппроксимации зависимости О' от температуры и последующего нахождения первой и второй производных от функции, выражающей данную зависимость.
В ходе эксперимента были получены температурные зависимости динамического модуля сдвига О' и тангенса угла механических потерь tg5, представленные на рис. 1. Также были рассчитаны зависимости первой ^в'МТ) и второй производных (^в'/ёТ2) динамического модуля сдвига по температуре, представленные на рис. 2 [5].
го
1=
(3
10
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
60
T,0C
110
160
го
CD
"О
О)
G'
tg delta
Рис. 1. Температурная зависимость динамического модуля сдвига в' и тангенса угла механических потерь tg5
для исходного стеклопластика
ГО
1=
(3
0,05 cn 0
"О
(D
CN
-0,05 -о
-0,1 32
-0,15 §
10 60 110 160
T,0C
-------G'anp ■ G^Kcn--------------------------------------dG'/dT -d2G'/dT2
Рис. 2. Температурная зависимость первой и второй производных динамического модуля сдвига в'
по температуре для исходного стеклопластика
Анализ полученных температурных зависимостей в' и tg5 показал, что волластонит оказывает влияние как на вязкоупругое поведение стеклопластика, так и на изменение температуры стеклования (табл.) [6]. Если на начальной стадии введения наполнителя Тс возрастает в среднем на 2°С, то при введении наполнителя в количестве 30% ее увеличение составляет 7°С. По-видимому, такое монотонное увеличение Тс связано с ростом межмолекулярного взаимодействия связующего.
Известно, что величина динамического модуля сдвига в области стеклообразного состояния является одним из показателей прочности ПКМ [3], ее изменение О' (табл.) показывает, что на начальном
2011/3
этапе наполнения до 10% величина модуля сдвига уменьшается. При дальнейшем увеличении концентрации волластонита до 20% величина модуля сдвига возрастает. Подобный рост модуля сдвига, по-видимому, связан не только с изменением межмолекулярного взаимодействия связующего, но также и с изменением густоты пространственной сетки. Не исключено, что здесь может проявиться эффект микроармирования за счет специфической игольчатой структуры дисперсного наполнителя волластонита.
Таблица
Влияние концентрации волластонита на температуру стеклования Тс и динамический модуль сдвига в стеклообразном состоянии в'стекл исследуемых стеклопластиков
Вязкоупругие характеристики стеклопластика Концентрация наполнителя - n, %
0 5 10 15 20 25 30
Tc, °C 119 121 120 122 122 124 126
G стеюъ ГПа 2,9 2,34 2,18 3,14 3,31 2,92 2,62
Результаты исследования показали, что при введении в стеклопластик до 30% волластонита наблюдается рост температуры стеклования. Отмечено, что применение волластонита в качестве наполнителя, позволяет регулировать физико-механические свойства стеклопластиков в заданном направлении, а это, в свою очередь, может решить задачу по созданию стеклопластиков с заранее заданными свойствами.
Литература
1. Тильнина В.А. Волластонит - уникальное минеральное сырье многоцелевого назначения. - М.: Руда и металлы, 2003. -144 с.
2. Насонов А.Д., Бетеньков Ф.М., Кайзер А.В., Кондратенко М.Б. Волластонит - эффективный дисперсный наполнитель для полимерных материалов // Информ. листок №02-014-07. - Барнаул: Алт. центр науч.-техн. информ., 2007. - 6 с.
3. Перепечко И.И. Акустические методы исследования полимеров. - М.: Химия, 1973. - 295 с.
4. Бетеньков Ф.М., Насонов А.Д., Викторов А.А., Белоусов А.М. Акустическое исследование физико-механических свойств фрикционных полимерных композитных материалов // Ультразвук и термодинамические свойства вещества: сб. науч. тр. - Курск: КГУ, 2006. - Вып.33. - С. 45-49.
5. Исупов В.В., Старцев О.В. Численные методы в динамической механической спектроскопии полимеров // Математические модели и численные методы механики сплошных сред: междунар. конф. (г. Новосибирск, 27 мая - 2 июня 1996 г.). -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1996. - С. 292-293.
6. Кайзер А.В., Бетеньков Ф.М. Влияние дисперсного наполнителя на физико-механические свойства композиционных материалов // Полимер-2007: материалы I регион. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Бийск: Изд-во АлтГТУ, 2007. - С. 34-35.
Насонов Алексей Дмитриевич, кандидат физико-математических наук, профессор, кафедра физики и методики обучения физике, Алтайская государственная педагогическая академия. 656031, Барнаул, ул. Ядринцева, 130-52.
Бетеньков Фёдор Михайлович, кандидат технических наук, старший преподаватель, кафедра технологических дисциплин, Алтайская государственная педагогическая академия. 656006, Барнаул, ул. Малахова, 158-90.
Голубь Павел Дмитриевич, кандидат физико-математических наук, профессор, кафедра физики и методики обучения физике, Алтайская государственная педагогическая академия. 656031, Барнаул, ул. Ядринцева, 130-52.
Nasonov Alexey Dmitrievich, candidate of physics and mathematics, professor, department of physics and methodology of teaching physics, Altay State Pedagogical Academy (Barnaul).
Beten’kov Fyodor Mikhailovich, candidate of engineering, senior lecturer, department of technological disciplines, Altay State Pedagogical Academy (Barnaul).
Golub’ Pavel Dmitrievich, candidate of physics and mathematics, professor, department of physics and methodology of teaching physics, Altay State Pedagogical Academy (Barnaul).
