CC BY
27
УДК 623.444:[677.4+678.7]
Куприянова Е.В., Морозова Т.В., Дворцевая А.М., Аристов В.М.
МОДИФИКАЦИЯ ЭПОКСИДНОГО СВЯЗУЮЩЕГО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ КОМПОЗИТНОГО ШЛЕМА ПРИ УДАРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
Куприянова Елена Владимировна, аспирант кафедры технология переработки пластмасс, ведущий конструктор отделения АО «ЦНИИСМ», e-mail: elena.kupreanova@yandex.ru;
Морозова Татьяна Владимировна, аспирант кафедры технология переработки пластмасс, инженер 1 категории АО «ЦНИИСМ»;
Россия, 141371, Московская область, Сергиево-Посадский район, г.Хотьково, ул.Заводская, 1.
Дворцевая Анастасия Миркаримовна, аспирант кафедры технология переработки пластмасс;
Аристов Виталий Михайлович, д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедры технология переработки пластмасс;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева;
Россия, 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9.
Проектирование противоударного композитного шлема включает наряду с задачей обеспечения минимального прогиба тонкой оболочки необходимость снижения трещиностойкости, а также сохранение технологичности механической обработки. Введение дискретного наполнителя позволяет композитному материалу эффективно сопротивляться росту трещин, увеличивая при этом вязкость связующего и, в большинстве случаев, затрудняя обработку поверхности шлема. Проведен поиск возможных наполнителей, а также выполнен подбор пластификаторов, что позволило получить модифицированное эпоксидное связующее с повышенной трещиностойкостью.
Ключевые слова: трещиностойкость, противоударный шлем, композитный материал, связующее, полимерный наполнитель.
MODIFICATION OF THE EPOXY RESIN FOR INCREASING CRACKING RESISTANCE OF COMPOSITE HELMET AT IMPACT
Kupriyanova E.V., Morozova T.V., Dvortsevaya A.M., Aristov V.M.. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Joint-stock company «Central Scientific Research Institute of Special Machine Building», Russia, Hotkovo.
Designing a shockproof composite helmet includes, together with the task of ensuring the minimum deflection of the thin shell, the need to reduce crack resistance, as well as preserve the manufacturability of treatment. The introduction of discrete filler allows the composite material to resist the crack effectively, increasing the viscosity of the binder and, in most cases, complicating treatment of the helmet. A search for possible fillers was performed, and plasticizers were selected, which allowed to get a modified epoxy binder with increased crack resistance.
Keywords: crack resistance; shockproof helmet; composite material; binder; polymeric filler
Введение
Противоударные шлемы, изготовленные из органопластиков на основе эпоксидного связующего, демонстрируют ряд преимуществ по сравнению с литьевыми аналогами. Поликарбонатные шлемы, широко используемые в настоящее время в войсках специального назначения, являются довольно громоздкими и не обеспечивают достаточную защиту от низкоскоростных осколков и открытого пламени. В тоже время, органопластики показывают хорошую ударостойкость при различных скоростях воздействия.
Проектирование противоударного композитного шлема включает наряду с задачей обеспечения минимального прогиба оболочки требование по трещиностойкости, а также технологичности при проведении механической обработки поверхности.
Ударное воздействие на оболочку шлема приходится не в направлении армирования, а в трансверсальном направлении, где свойства материала в значительной мере определяются свойствами связующего и границы раздела. Распространение трещины происходит, главным образом, между слоями армирующих волокон, поэтому основная часть энергии удара расходуется на разрушение матрицы и межфазного слоя.
Из литературных источников известно несколько способов повышения трещиностойкости
композитного материала. Один из них - введение термопластичной составляющей, например, полисульфона, в термореактивное связующее, что позволяет получать материал с повышенной ударостойкостью [1]. Повышение трещиностойкости может быть объяснено двухфазной структурой связующего, образуемой в процессе отверждения [2]. Однако модификация термопластом неизбежно
приводит к увеличению пластичности образующегося полимера и, в итоге, к увеличению деформации и прогиба при ударе, что применительно к противоударным шлемам крайне нежелательно.
Еще один известный способ повышения ударостойкости - введение дисперсного наполнителя в матрицу композитного материала. Примером может служить введение волластонита в эпоксидное связующее, повышающее ударостойкость за счет сложной поверхности дискретных частиц минерала
[3].
Основной фактор, с которым связано изменение ударостойкости при наполнении частицами, как и при модифицировании термопластами, - это изменение структуры приповерхностных слоев, в которых формируются трещины и происходят процессы разрушения.
Недостатком этих двух способов модификации является то, что вязкость композиций резко возрастает.
Интересным является введение дискретного наполнителя в систему «волокно-связующее». И хотя в этом случае места соприкосновения трех различных фаз могут стать центрами концентрации напряжений, подбор компонентов может позволить варьировать свойства композитного материала.
Таким образом, поиск возможных наполнителей, а также подбор активных растворителей для снижения вязкости модифицированного
эпоксидного связующего с повышенной ударостойкостью, является достаточно актуальным и сложным. Методы испытания
Методика испытания защитных шлемов по ГОСТ 12.4.128-83 предусматривает проверку механической прочности при нанесении
вертикального удара с энергией 80 Дж на специальном испытательном стенде. При этом не допускается образование сквозных трещин и вмятин на корпусе.
Дополнительно был проведен замер длины несквозных трещин, образованных при ударе с энергией 30 Дж, а также измерения прогиба оболочки при ударе с помощью пластилинового блока, удаленного от внутренней поверхности оболочки на 20 мм, что соответствует минимальному расстоянию до головы пользователя.
Вязкость связующего определялась с помощью чашечного вискозиметра по ГОСТ 33452-2015.
Технологичность механической обработки определялась методом испытания на абразивный износ по ГОСТ 11012-2017. Материалы
Так как были получены достаточно хорошие результаты при испытаниях на стойкость к высокоскоростному воздействию осколков образцов на основе арамидных тканей, пропитанных
эпоксидным связующим, дальнейшие исследования проводились именно на этих композициях. В качестве основного армирующего материала была выбрана арамидная ткань саржевого переплетения 3/3 арт. 86-282.
Композитные оболочки для проверки ударостойкости были изготовлены методом контактного формования при давлении 2 атм.
Повышение вязкости дисперсных систем в некоторых случаях связано с несимметричной формой частиц дисперсной фазы. Замечено, если форма частиц близка к сферической, аномалии вязкости значительно меньше [4]. Поэтому на первом этапе исследования в качестве дисперсного наполнителя были использованы сферические полиэтиленовые микрогранулы размером 100-150 мкм. Содержание наполнителя в связующем составило 2%. Для регулирования реологических свойств связующего был использован активный разбавитель Лапроксид БД (НТЦ ООО «НПП «Макромер»).
Сравнительные испытания на ударостойкость были проведены на полусферических оболочках, изготовленных на основе арамидной ткани и эпоксидного связующего: ЭД-20, Лапроксид 702, Лапролат 803, ПЭПА (структура №1); ЭД-20, Лапроксид БД, Лапролат 803, ПЭПА (структура №2); ЭД-20, Лапроксид 702, Лапролат 803, ПЭПА, наполнитель (структура №3); ЭД-20, Лапроксид БД, Лапролат 803, ПЭПА, наполнитель (структура №4). Поверхностная плотность композитных образцов составила от 1,8 до 2,0 кг/м2. Результаты испытаний и их обсуждение
Испытания на ударостойкость показали существенные различия в поведении защитных структур.
Так, введение наполнителя в эпоксидное связующее снизило размер трещины на 15%, прогиб оболочки при этом практически не изменился.
При введении наполнителя и одновременной замене активного растворителя в структуре №4 размер трещины сократился по сравнению со структурой №1 в четыре раза, а прогиб при ударе снизился на 30%. При замене активного растворителя в структуре №1 без наполнителя существенных изменений замечено не было. На рисунке 1 показан внешний вид испытанных оболочек.
Вязкость эпоксидного связующего при введении микрогранул полиэтилена в количестве 2% увеличилась в 1,5 раза, а при одновременной замене активного растворителя на Лапролат БД практически не изменилась. Однако равномерное нанесение связующего с наполнителем на арамидную ткань было крайне затруднительным.
Структуры №2, №3 и №4 показали низкую технологичность при механической обработке.
Рис.1. Сравнение величины трещины на наружной поверхности (сверху) и пятна деформации на внутренней поверхности (снизу) при ударе по оболочке шлема с энергией 30 Дж: а - связующее без наполнителя (структура №1); б - связующее с растворителем (структура №2); в - связующее с наполнителем (структура №3); г - связующее с растворителем и наполнителем (структура №4)
Для большинства микроразмерных
наполнителей прочность на границе частица-матрица значительно меньше прочности разрушения самой частицы, поэтому частицы наполнителя практически не деформируются вместе с полимерным связующим. Поэтому большее значение имеет работа образования новой поверхности при межфазном разрушении.
При слишком высокой адгезии наполнителя к полимерной матрице образование трещин в ней происходит раньше, чем образование новой поверхности на границе раздела с наполнителем. В случае применения полиэтиленовых микрогранул из-за низкой адгезии наполнителя к матрице работа, затрачиваемая на образование новой поверхности, минимальна, что должно приводить к образованию большого количества микротрещин уже при небольшой нагрузке. Однако в случае введения микрогранул в композицию «эпоксидное связующее - арамидная ткань» этого не происходит.
Трещины, образующиеся при нагружении композитного материала, возникают в первую очередь в местах дефектов матрицы - пор и отслоений. Одной из возможных причин улучшения характера разрушения может быть снижение количества микропор, неизбежно возникающих в упрочненном волокнами композитном материале за счет заполнения пустот микрочастицами.
Еще одной причиной упрочнения системы «эпоксидное связующее - арамидная ткань» может быть то, что растущие трещины при встрече с частицами наполнителя ветвятся, и разрастание трещины до критических размеров не происходит, то есть требуется дополнительная затрата энергии на образование новой поверхности.
Работа будет продолжена в части дальнейшего исследования физико-механических характеристик полученного модифицированного связующего, а также поиска путей снижения вязкости и повышения технологичности при обработке готового изделия. Выводы
1. Было предложено модифицированное эпоксидное связующее с добавлением 2% микрогранул полиэтилена с одновременной заменой активного растворителя на Лапролат БД для композитного материала на основе арамидной ткани.
2. Испытания на ударостойкость образцов на основе модифицированного связующего показали снижение размера трещины в четыре раза и прогиба отформованной оболочки на 30%.
Список литературы
1. Горбаткина Ю.А., Иванова-Мумжиева В.Г. Адгезия модифицированных эпоксидов к волокнам. М.: ТОРУС ПРЕСС. - 2018. - 216 с.
2. Сопотов Р.И. Влияние модификаторов полисульфона и полиэфирсульфона на термомеханиеские свойства эпоксиаминного связующего// Успехи в химии и химической технологии.- Том XXIX. - 2015. - №10. - С.25-27.
3. Баурова Н.И. Применение полимерных композиционных материалов при производстве и ремонте машин: учеб. пособие. - М.: МАДИ. - 2016.
- 264 с.
4. Громаков Н.С. Дисперсные системы и их свойства: Учебное пособие по коллоидной химии. -Казань: Изд-во Казанск. гос. архитект.-строит. ун-та.
- 2015. - 91 с.
