CC BY
6
УДК 66.099
Шишкинская В.А., Кеймах М.Д., Кравченко Т.П., Пиминова К.С., Аскадский А.А.
МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕРМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭПОКСИИЗОЦИАНУРАТОВ, НАПОЛНЕННЫХ СТЕКЛО- И УГЛЕТКАНЬЮ
Шишкинская Вероника Александровна - магистрант 1-го года обучения кафедры технологии переработки пластмасс; dia-diaa@bk.ru.
Кеймах Маргарита Дмитриевна - кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории полимерных материалов ИНЭОС РАН;
Кравченко Татьяна Петровна - кандидат технических наук, главный специалист кафедры технологии переработки пластмасс;
Пиминова Ксения Сергеевна - младший научный сотрудник АО ГНИИХТЭОС;
Аскадский Андрей Александрович - доктор химических наук, заведующий лабораторией полимерных материалов ИНЭОС РАН.
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, д. 9.
ФГБУН «Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук», Россия, Москва, 119334, ул. Вавилова, д. 28.
ГНЦ РФ АО «Государственный научно-исследовательский институт химии и технологии
элементоорганических соединений»,
Россия, Москва, 105118, шоссе Энтузиастов, д. 38
В работе представлены результаты исследований полиэпокиизоциануратных полимеров, наполненных стекло-и углетканью. Изучены термические и механические свойства получаемых композитов. Ключевые слова: композиционные материалы, углеткань, стеклоткань, полиэпоксиизоцианураты.
MECHANICAL AND THERMAL PROPERTIES OF POLYMER SYSTEMS BASED ON POLYEPOXYISOCYANURATES FILLED WITH GLASS AND CARBON FIBER
Shishkinskayia V.A.1, Keimakh M.A.2, Kravchenko T.P.1, Piminova K.S.3, Askadsky A.A.2
1 D. I. Mendeleev Russian University of chemical technology, Moscow, Russian Federation
2 A.N. Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russian Federation
3 State Research Institute of Chemistry and Technology of Organoelement Compounds, Moscow, Russian Federation
The paper presents the results of studies ofpolyepoxyisocyanurate polymers filled with glass and carbon fiber. The
thermal and mechanical properties of the resulting composites are studied.
Key words: composite materials, carbon fiber, fiberglass, polyepoxyisocyanurates.
Введение
В настоящее время полимерные композиционные материалы представляют один из наиболее перспективных типов конструкционных материалов. Можно выделить несколько основных классов композитов, наполненных углеродными и стеклянными тканями [1]. В работах [2,3] описаны свойства таких материалов и показано, что в структуре полимерных матриц на основе тканых наполнителей наблюдаются существенные различия при детальном анализе конкретного
композиционного материала. Механические и термические свойства полимерных композитов на основе полиэпоксиизоциануратных систем, наполненных угле- и стеклотканями, имеют ряд специфических особенностей, которые рассмотрены в данной работе.
Экспериментальная часть
В качестве полимерного связующего использовали полиэпоксиизоцианурат (ПЭИЦ) [4], полученный на основе эпоксидной смолы марки ЭД-20, полифурита М 2000, 2,4-толуилендиизоцианата и диметилбензиламина, используемого в качестве катализатора. В качестве наполнителей использованы углеродная и стеклянная ткани марок УВИС-Т-22Р и Style 120 E-Glass, соответственно. Оптимальное соотношение используемых наполнителей в композиционном материале подобрано
экспериментальным путем. Образцы ПЭИЦ-СТ (наполнение стеклотканью) и ПЭИЦ-УГЛ (наполнение углетканью) получены по схеме, представленной на рисунке 1, через стадии пропитки, сборки, отверждения препрегов и термического прессформования при температурах 25-130°С и удельном давлении 4,3 МПа.
Рис. 1. Схема получения образцов композитов ПЭИЦ-СТ и ПЭИЦ-УГЛ
Механические испытания на сжатие проводили на приборе «Дубова-Регеля» на образцах в форме параллелепипеда с размерами 4*4*6 мм при скорости деформации 0,187 мм/мин. Ударную вязкость и прочность при изгибе определяли на приборе «Динстат» на образцах прямоугольного сечения 10*5 мм длиной 150 мм. Термомеханический анализ проведен на приборе «Q400 Instrument» при нагрузке 1 Ни нагреве со скоростью 1°С/мин в диапазоне температур 25-400°. Термогравиметрический анализ проведен на воздухе в диапазоне температур 251000° при скорости нагрева 10°С/мин на дериватографе «Derigatograth-C».
Обсуждение результатов
На рисунке 2 представлена зависимость ударной вязкости (A, кДж/м2) от процентного содержания наполнителя. Как видно, величина A для образцов ПЭИЦ-СТ и ПЭИЦ-УГЛ выше, чем у образца ПЭИЦ в 2,5 и 2,2 раз, соответственно. При испытании прочности при изгибе (о) получен аналогичный вид зависимости, где значения показателя о изменяются в интервале 96^112 МПа. По полученным результатам испытаний на ударную вязкости и прочность при изгибе можно сделать вывод, что введение выбранных наполнителей является эффективным и способствует значительному улучшению
механических характеристик образцов композитов.
А, кДж/м2
40
25
10
О 10 20
Содержание наполнителя, % Рис. 2. Зависимость ударной вязкости от содержания наполнителя: 1 - образец ПЭИЦ, 2 -образец ПЭИЦ-СТ, 3 - образец ПЭИЦ-УГЛ
Как известно [1,5], количество наполнителя в полимерной системе может существенно отражаться на свойствах композиционного материала. Как видно из рисунка 3, используемые наполнители влияют на увеличение практически в 1,5 раза модуля упругости при сжатии материала (Есж, МПа).
На представленной на рисунке 4 зависимости модуля упругости при сжатии от температуры видно, что, значения Есж при начальной температуре измерения 20° для образцов композитов увеличивается в 1,5 раза по сравнению с значением образца связующего. При дальнейшем повышении температуры испытания до 105° значения Есж плавно снижаются для наполненных образцов (кривые 2 и 3). Иная картина наблюдается для образца связующего (кривая 1). Снижение Есж в интервале 2050° незначительно, однако, при дальнейшем нагревании происходит более резкий спад его значений вплоть до 230 МПа. Наблюдаемое снижение величины Есж образца связующего по сравнению с образцами композитов, происходит более чем в 6 раз.
При испытаниях твердости по Бринеллю (Ив, МПа) полученных образцов показано, что значения Ив значительно увеличиваются от 40 до 64 МПа в следующем ряду: ПЭИЦ, ПЭИЦ-СТ, ПЭИЦ-УГЛ. Увеличение значения Ив соотносится со значениями модуля упругости данных композитов.
Как видно из рисунка 5, температура начала разложения для всех полученных образцов составляет ~300°, при этом разложение проходит практически на 100%. В той же области температур на ТМА-кривых, представленных на рисунке 6, наблюдается значительный рост деформации для всех исследуемых образцов.
Отметим, что образец ПЭИЦ-УГЛ обладает большей термической устойчивостью на воздухе: температура окончания деструктивных процессов находится в области 900°. Для образцов ПЭИЦ и ПЭИЦ-СТ температура окончания деструктивных процессов лежит в области 720-750°.
Е™, МПа
Содержание наполнителя, % Рис. 3.Зависимость модуля упругости при сжатии от содержания наполнителя: 1 - образец ПЭИЦ, 2 -образец ПЭИЦ-СТ, 3 - образец ПЭИЦ-УГЛ
m, %
Рис. 5. ТГА-кривые, полученные при скорости нагрева 10оС/мин: 1 - образец ПЭИЦ, 2 - образец ПЭИЦ-СТ, 3 - образец ПЭИЦ-УГЛ
На основании полученных в работе данных можно сделать вывод, что образцы, наполненные угле- и стеклотканью при оптимальном содержании наполнителя, демонстрируют значительное увеличение механических свойств по сравнению с исходным связующим. В работе показано, что модуль упругости композиционных материалов
увеличиваются практически в 1,5 раза, это же можно отметить по показаниям значений твердости по Бринеллю. Использование выбранных наполнителей приводит к увеличению ударной вязкости композитов практически в 2,5 раза.
Список литературы
1. Кербер М.Л. и др., Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология (5-е издание, исправленное и дополненное) / Под ред. А.А. Берлина. СПб: Изд. Профессия, 2018. 640 с.
2. Лучкина Л.В. Аскадский А.А., Афоничева О.В. Синтез, структура и свойства армированных
Т, °с
Рис. 4. Зависимость модуля упругости при сжатии от температуры: 1 - образец ПЭИЦ, 2 -образец ПЭИЦ-СТ, 3 - образец ПЭИЦ-УГЛ
Рис. 6. ТМА-кривые, полученные при скорости нагрева 1оС/мин: 1 - образец ПЭИЦ, 2 - образец ПЭИЦ-СТ, 3 - образец ПЭИЦ-УГЛ
полимерных материалов на основе
полиуретанизоциануратов // Высокомолек. соед. Б, 2006. Т. 48. №9. С. 1725-1729.
3. Аскадский А.А., Голенева Л.М., Афанасьев Е.С., Петунова М.Д. Градиентные полимерные материалы. - М.: Обзорный журнал по химии, 2012.Т. 2. № 2. С. 1-50.
4. Патент РФ № 2009128491/05, 27.01.2011. Способ получения сетчатых полиуретанизоциануратов с заданным модулем упругости.
5. Лучкина Л. В. Синтез, структура и свойства полиизоциануратных и полиуретанизоциануратных градиентных полимерных материалов: дис. ... докт. хим. наук. М., 2006. 384 с.
