Определение физико-механических характеристик несущего слоя многослойного композиционного материала Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК667.862.620.16

М.В. Пономарев, Г.П. Пономарева, О.М. Сладков, А.А. Артеменко ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕСУЩЕГО СЛОЯ МНОГОСЛОЙНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Изучены физико-механические характеристики базальтопластика, входящего в состав нагревательного элемента многослойной строительной панели, носителем тепловой энергии в которой являются углеродные нити. Показана методика получения базальтопластика, в состав которого входит базальтовая ткань, пропитанная эпоксидной композицией. Отработаны режимы структурирования термореактивной матрицы эпоксидной составляющей базальтопластика.

Базальтовая ткань, базальтопластик, эпоксидный компаунд, многослойный композит, модификация, адгезия

M.V. Ponomarev, G.P. Ponomareva, О.М. Sladkov, A.A. Artemenko DEFINING MECHANICAL AND PHYSICAL PROPERTIES OF THE CARRYING LAYER IN MULTILAYER COMPOSITE MATERIALS

The authors have studied the mechanical and physical properties of the basalt plastic used as a heating component in multilayer building panels where carbon strings provide thermal energy. The technique for obtaining basalt plastic including basalt fabric

impregnated by epoxides is demonstrated. The modes for structurizing thermoset matrixes of basalt plastic components have been worked out.

Basalt fabric, basalt plastic, epoxide compound, multilayer composite, updating, adhesion

В современных строительных технологиях все чаще используются высокотехнологичные материалы и блочные конструктивные элементы, позволяющие в оптимальные сроки возводить готовые к эксплуатации объекты. Значительное место среди них занимают слоистые полимерные композиционные материалы (ПКМ), в состав которых входит изоляционная прослойка, и наружные слои. В качестве наружных (несущих) слоев может быть использована базальтовая ткань.

Авторами разработана многослойная конструкция на основе пенополиуретана (ППУ) и базальтопластика (БП) [1], наружными слоями которой служит композиционный материал (КМ), состоящий из базальтовой ткани (БТ), пропитанной эпоксидным связующим.

Отверждение эпоксидной композиции по рекомендации производителей осуществляется при температуре 18-250С. Известно, что при повышении температуры структурирование ускоряется [2], поэтому была поставлена задача изучения влияния температуры на время и степень отверждения БП.

Исследования влияния повышенной температуры на структурирование эпоксидного компаунда, позволили создать многослойную композицию, обладающую тепловым эффектом. Такое решение дает возможность обогрева внутреннего пространства. БП используется в качестве основания для нагревательного элемента и несущим слоем многослойной тепловой конструкции [3]. В качестве токопроводящего элемента использовали углеродные нити (УН), обладающие полупроводниковыми свойствами.

Для изготовления опытных образцов использовали эпоксидный компаунд Этал 146М ГОСТ 10587-93, базальтовую ткань БТ-13 ТУ5952-003-43734304-2006.

Эпоксидную смолу, соединенную с отвердителем в соотношении 2:1, интенсивно перемешивали с целью достижения однородности. Полученную композицию наносили на заготовки из базальтовой ткани.

Для создания многослойных композиций соединяли несколько слоев с нанесенной на них смолой. Для образцов с токопроводящими элементами между слоями базальтопластика в определенном порядке укладывали углеродные нити. Количество эпоксидной смолы в базальтопластике не превышало 50 %.

Структурирование эпоксидного компаунда для образцов без углеродных нитей первоначально осуществляли при температуре 25°С, с последующим ее повышением, для этого помещали образцы в термокамеру. При отработке режима отверждения наряду с изменением температуры увеличивали время пребывания образца в термокамере. Начальную температуру принимали, основываясь на результатах ранних исследований. Температуру увеличивали с шагом 100С, а время - 0,5 часа.

Для образцов с токопроводящими элементами структурирование композиции осуществляли в температурном режиме под действием теплового поля электрического тока. Для этого пропускали электрический ток по углеродным нитям. Температура варьировалась от 50-700С, сила тока - (0,3-0,4) А, время - 0,5 и 1 ч.

Анализ результатов отверждения эпоксидного компаунда в различных режимах (табл. 1) показал, что все физико-механические характеристики БП улучшаются с повышением до определенных пределов температуры структурирования и времени выдержки.

Таблица 1

Физико-механические характеристики БП при различных режимах отверждения

Режим отверждения Степень отверждения, % Разрушающее напряжение при растяжении, ^раст,МПа Разрушающее усилие при расслаивании, Р рассл, Н м

время,ч температура, °С

168 25 91 126 108

* З ч /144 ч 60/25 74 105 719

0,5 82 105 938

1 90 123 988

1,5 91 133 999

2 70 92 163 1172

2,5 93 177 1519

3 94 178 1758

4 94 177 1757

1 2 3 80 90 91 94 58 65 87 630 664 691

Примечание: *Для этого образца отверждение проходило в два этапа, сначала его выдерживали в течение 3 часов при температуре 600С, а затем в течение 144 часов при температуре 250С. В числителе время отверждения при 600С, в знаменателе время отверждения при 250С.

На основании анализа экспериментальных данных выявлена зависимость степени отверждения от времени выдержки (рис. 1). Сравнительный анализ показал, что при 1=70°С наблюдается более интенсивное структурирование, о чем свидетельствует кривая во временном интервале от 0,5 до 1 часа. Степень отверждения достигает своего почти максимального значения 93% за 2,5 часа при 1= 700С, а при 1=800С эта же степень 93% достигается за 3 часа, тогда как при 1=250С процесс структурирования до степени 93% занимает 168 часов.

В интервале от 0 до 1 часа идет интенсивное сшивание макромолекул эпоксидного олигомера, а в интервале от 1 до 3 часов образование полимерной сетки практически завершается.

Таким образом, эпоксидный олигомер в составе БП достигает оптимального отверждения 9394% при температуре 700С в течение 2,5 часа.

0,0 1,0 2,0 3,0 ьо Время отдержденин час

Рис. 1. Зависимость степени отверждения от времени отверждения:

1 - при 1 = 700С; 2 - при 1 = 800С

Зависимость прочности от степени отверждения описывается плавным возрастанием до степени отверждения 90% и резким возрастанием прочности в интервале от 90 до 94% (рис. 1). Однако для образцов, отвержденных при 1=700С, с одинаковыми показателями степени сшивания прочность гораздо выше, чем у образцов, структурированных при 1=800С. Так, при степени отверждения 90% у образцов, структурированных при 1=700С, разрушающее напряжение при растяжении больше на 39%, а при степени отверждения 94% - на 49%.

Прочность на отрыв слоев увеличивается с увеличением времени выдержки при всех температурах. Так, при 1= 700С разрушающее усилие при расслаивании возрастает на 15,7%, при выдержке 1 ч по сравнению с усилием при выдержке 2 часа, тогда как при 1=80 С в этом же временном интервале прочность возросла на 5%. Во временном интервале от 2 до 3 ч при 1= 700С адгезионная прочность возросла на 33,3%, а при 1=800С - на 3,9%.

Следовательно, при повышении температуры до 80°С степень отверждения не изменяется, а адгезионная прочность БП уменьшается почти в два раза.

Это объясняется, вероятно, тем, что дальнейшее повышение температуры приводит к образованию границы раздела между связующим и наполнителем за счет различия в термическом коэффициенте расширения эпоксидного связующего и базальтовой ткани, что приводит к нарушению сплошности композиции. При увеличении температуры повышается и хрупкость композиционного материала, что приводит к значительному уменьшению прочности между слоями при одинаковом времени отверждения. При сравнении прочности сцепления слоев с выдержкой в 3 ч замечено, что у БП, структурирование эпоксидного компаунда в котором происходило при 1 = 70 0С, адгезионная прочность между слоями выше на 60%, чем в БП в режиме структурирования при 1 = 80 0С, а прочность при растяжении больше на 51% соответственно.

На основании вышеизложенного можем отметить, что отверждение смолы в оптимальном температурном режиме 1= 700С в течение 1 часа недостаточно, а более трех часов - не является эффективным, т.к. дальнейшее увеличение времени отверждения приводит к незначительному увеличе-

нию прочности. Следовательно, оптимальный интервал времени отверждения - от 2 до 3 часов при 1= 700С в зависимости от заданной прочности.

Результаты испытаний образцов БП, полученных по термоэлектической технологии структурирования эпоксидного компаунда (табл. 2) свидетельствуют об улучшении физико-механических свойств композиции по сравнению с КМ, отвержденным в термокамере. Наблюдается рост разрушающей нагрузки при растяжении в зависимости от силы тока при выдержке 1 час на 11,3%, а адгезионная прочность увеличивается на 4% в том же режиме.

Таблица 2

Физико-механические характеристики БП при отверждении по электротехнической технологии

Время, ч Сила тока, А Температура отверждения, °С Степень отверждения, % Разрушающее напряжение при растяжении, Фрасп МПа Разрушающее усилие при расслаивании, Р рас^ Н м

0,5 0,3 50 83 41 739

1 0,4 70 91 117 946

1 0,5 60 93 132 987

Таким образом, степень отверждения 93 % достигается при комнатной температуре в течение 168 часов, в термокамере в течение 2,5 часа, под действием тепловой энергии электрического поля с силой тока 0,5 А потребуется 1 час, что говорит о преимуществе использования тепловой энергии, создаваемой электрическим током, проходящим по углеродным нитям, проложенным между слоями БП, при структурировании эпоксидного компаунда в БП. Степень отверждения 93 % по термоэлектрической технологии достигается в три раза быстрее, чем в термокамере.

Анализ физико-механических характеристик БП в зависимости от количества слоев БТ (рис. 2, 3) показал, что с увеличением слоев увеличивается прочность БП при испытании на растяжение и твердость при продавливании индентором.

Рис. 2. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении от количества слоев: 1 - абсолютное значение; 2 - в пересчете на один слой

На рис. 2, 3 показана зависимость физико-механических характеристик от количества слоев. Абсолютная прочность при растяжении двухслойного образца увеличилась на 20% и трехслойного -на 38% по отношению к однослойному. Абсолютная прочность при продавливании возросла на 56% и 73% соответственно. Однако в пересчете на один слой твердость возросла на 1,3 и 1,8%, а при растяжении прочность снижается на 38% для двухслойного и на 46% для трехслойного композита по отношению к однослойному.

га

а

60 50 40 . 30 20 10 0

1

2

количество слоев, n

1

2

3

Ряді

Ряд2

Рис. 3. Зависимость разрушающего усилия при продавливании от количества слоев:

1 - абсолютное значение; 2 - в пересчете на один слой

Выводы

Таким образом, разработанный композиционный материал на основе базальтовой ткани и эпоксидной композиции Этал 146 достигает оптимального отверждения 93-94% при температуре 700С в течение 2-3 часов. При этом БП обладает улучшенными механическими характеристиками, которые зависят от количества слоев и методики отверждения.

Полученные результаты физико-механических характеристик БП, отвержденного под действием электрического тока, также свидетельствуют об увеличении прочностных характеристик. Степень отверждения 93 % по термоэлектрической технологии достигается в три раза быстрее, чем при отверждении в термокамере.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пономарева Г.П. Энергосберегающая сэндвич-конструкция из слоистого пластика / Г.П. Пономарева, А.А. Артеменко, О.М. Сладков // Вестник СГТУ. 2010. № 1 (25). Вып. 2. С. 46-50.

2. Чернин И.З. Эпоксидные полимеры и композиции: учеб. / И.З. Чернин, Ф.М. Смехов, Ю.В. Жердев. М.: Химия, 1982. 230 с.

3. Пат. 2402663 РФ МПК Е 04С 1/40 Многослойный конструкционный материал и способы его получения / Артеменко А.А., Пономарева Г.П., Сладков О.М.; заявитель, патентообладатель Артеменко А. А., Пономарева Г.П., Сладков О.М. №2008145250; заявл. 17.11.2008 г. опубл. 27.10. 2010 Бюл. №30. С. 6.

Пономарев Максим Валентинович -

аспирант кафедры «Материаловедение» Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Maksim V. Ponomarev -

Postgraduate

Department of Materials Science Gagarin Saratov State Technical University

Пономарева Галина Павловна -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Начертательная геометрия. Инженерная графика» Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Galina P. Ponomareva -

Ph. D., Senior Lecturer

Department of Descriptive Geometry &

Engineering Graphics

Engels Institute of Technology of

Gagarin Saratov State Technical University

Сладков Олег Михайлович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Химическая технология» Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Артёменко Александр Александрович -

доктор технических наук, профессор заведующий кафедрой «Материаловедение» Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Oleg M. Sladkov -

Ph. D., Senior Lecturer Department of Chemical Technology Engels Institute of Technology of Gagarin Saratov State Technical University

Aleksandr A. Artemenko -

Dr. Sc., Professor Department of Materials Science Engels Institute of Technology of Gagarin Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 17.02.12, принята к опубликованию 04.06.12