CC BY
362
Список литературы
1. Трение и износ. 1980. Т. 1, №2. С. 197-208.
2. Трение и износ. 1989. Т. 10, №2. С. 257-261.
N. Melnichenko
Tribolayer structure formation in steels dry friction
The characteristics of the surface layer Structure Formation in Surfaces frictional seizure is descrited.
Key words: Sliding friction, actual platforms of contact, tribostructure, oxides, a white layer, cogesive explosions, welding.
Получено 02.11.10
УДК 691.342:691.175.2 - 022.532 Е.Н. Прудков, канд. техн. наук, доц.,
(4872) 35-60-88, [email protected],
С.В. Кузьмина, асп., (4872) 35-60-88, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ЭПОКСИДНЫХ КОМПОЗИТОВ
Изложены основы структурообразования эпоксидных композитов, приготовленных на основе эпоксидных смол, включающих бой стекла в качестве наполнителя, Для дисперсного армирования применяли полипропиленовые волокна-фибры, а также углеродные нанотрубки. Исследовано влияние этих компонентов, а также их соотношения на прочность, линейную усадку и светопроницаемость материала.
Ключевые слова: композит, дисперсное армирование, фиброволокно, нанотрубки, оптимальная структура.
Полимерные композиционные материалы (ПКМ) в строительстве применяются достаточно широко как для производства строительных изделий и конструкций, так и для защиты их от агрессивного воздействия внешней среды.
При выборе материала и обосновании целесообразности применения в строительных конструкциях учитывают его способность сопротивляться реальным нагрузкам без нарушения сплошности и размеров. Одновременно необходимо, чтобы материал проявлял достаточную стойкость к воздействию физических и химических факторов.
Для производства ПКМ часто используются эпоксидные смолы, применение которых позволяет получить материалы с высокими физикомеханическими свойствами. Однако они имеют недостатки - повышенную усадку, ползучесть, температурные деформации, старение, относительно высокую стоимость.
В связи с расширением области применения ПКМ актуальными являются исследования по созданию эпоксидных композитов с улучшенным комплексом свойств, путем использования для наполнения и модификации дисперсные материалы и отходы производства. Такой подход позволит не только значительно снизить стоимость эпоксидных композитов, но в определенной степени решить экологическую проблему утилизации отходов.
Одним из методов управления свойствами высокопрочных материалов является модифицирование их структуры наноразмерными частицами различных форм. Управление структурой, модифицирование и совершенствование структуры материала достигается комплексным подбором химического состава, введением новых структурных элементов на соответствующих уровнях структуры. Главный акцент сделан на решающую роль многочисленных поверхностей раздела в наноматериалах как основе для существенного изменения структурных свойств твердых тел путем модификации структуры.
Четко выраженная закономерная взаимосвязь структурочувствительных свойств проявляется при оптимальных структурах. Экстремумы числовых значений этих свойств размещаются практически на одной прямой линии в плоскостной системе координат «свойства - структурный показатель», образуя общий створ из экстремумов свойств. Такую закономерность называют законом створа.
Одному и тому же показателю свойств, например пределу прочности при сжатии, могут соответствовать различные микро- и макроструктуры материалов, а одному и тому же структурному показателю - различные прочностные и другие свойства. Результаты испытаний при так называемых «равных» условиях опыта значительно различаются между собой. Чтобы установить прямую или обратную взаимозависимость (корреляцию) между качественными и структурными показателями, необходимо сравнивать их не при «равных» условиях, а соответственных, когда структуры -оптимальные, а материалы становятся подобными.
Характер оптимальной структуры зависит от состава и технологии изготовления конгломерата. Строительным материалам с оптимальной структурой присущи определенные закономерности формирования и сохранения структурочувствительных свойств. Это законы оптимальных структур.
Законы оптимальных структур выражают внутреннюю связь и взаимообусловленность свойств и структурных параметров материала.
Они распространяются на разнородные по составу и технологии изготовления материалы и имеют объективный характер.
Основой таких исследований является полиструктурная и термоактивационная теории. Сущность полиструктурной теории состоит в том, что композиционный материал - это соединение, в единой макроструктуре которого выделены взаимосвязанные отдельные подструктуры, «прорастающие» одна в другую («структура в структуре» или «композит в композите»). В этой теории определены основные факторы структурообразования, получены зависимости свойств композитов от этих факторов. Полиструк-турная теория позволяет объяснить нелинейный характер упрочнения материала, учитывая его значительную неоднородность [4]. С позиции тер-мофлуктуационной концепции рассматривается влияние химически инертных добавок (наполнителей), изменения их размера и ориентации, технологии переработки на термофлуктуационные константы, характеризующие работоспособность материала [1].
Целью работы было изучение процесса структурообразования эпоксидных композитов с применением в качестве наполнителя стеклобоя, дисперсного армирования и нанотрубок, а также исследование совместного влияния наполнителя и дисперсного армирования на прочность, линейную усадку и светопроницаемость полимерных композитов на основе эпоксидных смол.
Принято считать, что прочность полимерных композитов определяется в основном прочностью полимерной матрицы [2]. Эпоксидные смолы - это сетчатые пространственно-сшитые двухфазные системы, состоящие из глобул и межкристаллической аморфной фазы. То есть полимерная матрица - двухфазный молекулярный композит. Сетчатые полимеры при изгибе и растяжении разрушаются со сравнительно малыми пластическими деформациями. При сжатии и сдвиге эти деформации растут [3].
Для исследований использовалась разработанная авторами эпоксидная композиция - светопрозрачный дисперсно-армированный полимербетон (СДАП), содержащий связующее, отвердитель, наполнитель, мелкий заполнитель, дисперсно-армирующий компонент. Связующим являлась эпоксидно-диановая смола ЭД-20 (ГОСТ 10587), отверждаемая по-лиэтиленполиамином (ПЭПА) (ТУ 2413-357-00203447-99). Для наполнения использовали молотый стеклобой с размером частиц менее 0,16 мм. Удельная поверхность наполнителя находилась в пределах от 2300 до 2500 см /г. В качестве мелкого заполнителя использовали стеклобой с размером частиц до 5 мм. Модуль крупности мелкого заполнителя в пределах от 2 до 2,3. В качестве дисперсно-армирующего компонента применяли полимерное фиброволокно. Длина волокна - 6 мм, толщина - 18 мкм.
Для улучшения структуры полимерной матрицы, повышения прочностных и деформативных свойств в состав эпоксидных компонентов вводились углеродные нанотрубки. Углеродные трубки представляют собой
полые трубки из одного или нескольких слоев атомов углерода. Они имеют диаметр от 1 до нескольких нанометров и длину от нескольких диаметров до нескольких микрометров. Таким образом, они по сути являются полыми волокнами, имеющими запредельную прочность, превышающую сотни гигапаскалей, и абсолютно инертны как по отношению к любым кислотам, так и к щелочам. Введенные в состав композитов до 0,03 % от массы полимера нанотрубки армируют полимерную матрицу, превращая ее в композиционный материал и повышая его прочность. Эффект повышения прочности возникает не только за счет непосредственного армирования, которое действительно ничтожной, за счет направленного регулирования кристаллизационных процессов.
В эпоксидных полимерах наряду с кристаллической фазой существует и аморфная. Относительное содержание этих фаз зависит от формы, длины цепи, величины межмолекулярных сил и внешних условий. Нанотрубки ведут себя в полимере как «зародыши» кристаллов и, поскольку они имеют не точечную, а протяженную форму, кристаллы образуются вытянутые. Образование кристаллов приводит к потере полимером эластичности, к увеличению жесткости, прочности и уменьшению способности деформации.
Данный метод позволяет на 40...60 % увеличить прочность полимерной матрицы.
Введение небольших количеств дисперсного армирующего компонента - полимерного волокна, имеющего гофрированную структуру, способствует формированию более прочной структуры, повышению предела прочности при сжатии и растяжению при изгибе. Но в силу того, что сам дисперсный армирующий материал обладает низкой светопроницаемостью, введение его в состав снижает этот показатель у эпоксидных композитов. Следует отметить, что коэффициент светопроницаемости определяли на образцах толщиной 20 мм.
По результатам исследований установлено, что введение в состав эпоксидных композитов дисперсного армирующего компонента увеличивает предел прочности при сжатии (рис. 1) и особенно на растяжение при изгибе (рис. 2).
На прочность и светопроницаемость эпоксидных композитов существенное влияние оказывают дисперсность и форма зерен наполнителя (рис. 1 - 4). Последнее оказывает существенное влияние на светопроницаемость эпоксидных композитов так, что при введении в состав зерен стекла угловатой формы светопроницаемость ниже, чем при введении гранулированного стекла (окатанной формы). Прочность композита с применением боя стекла угловатой формы выше, ввиду лучшего адгезионного и когезионного сцепления зерен наполнителя со связующим. Также установлено, что прочность снижается при соизмеримых размерах частиц наполнителя и кристаллов матрицы. То есть высокая дисперсность наполнителя
нежелательна [3]. Она способствует до взаимодействия наполнителя с матрицей его агрегации и снижению механической прочности из-за «сухого» капсулирования.
Поскольку прочность эпоксидных композитов снижается при введении наполнителя свыше его оптимального расхода, то этот недостаток можно компенсировать, повысив дисперсность или путем введения дисперсного армирования и углеродных нанотрубок. Задача исследований состояла в том, чтобы добиться оптимального соотношения наполнителя, дисперсного армирования, нанотрубок для повышения прочностных и деформационных свойств без значительной потери светопроницаемости. Для испытаний использовались следующие составы: расход эпоксидной смолы и мелкого заполнителя - стеклобоя - принимался постоянным, 12 и 68 % по массе соответственно. Результаты испытаний сведены в таблицу.
Рис. 1. Влияние введения фиброволокна и нанотрубок на предел прочности при сжатии ПКМ
Рис. 2. Влияние введения фиброволокна и нанотрубок на предел прочности на растяжение при изгибе ПКМ
Рис. 3. Влияние введения фиброволокна и нанотрубок на величину линейной усадки ПКМ
Рис. 4. Влияние введения фиброволокна и нанотрубок на коэффициент светопроницаемости ПКМ
Исследуемые составы и результаты определения основных
свойств ПКМ
Показатели Ед. изм. Составы ПКМ (наполнитель (стеклобой) 1,25 -0,16 мм / дисперсное армирование / нано-трубки), % по массе
21/0/0 21/0,4/0 23/0,4/0,02 24/0,4/0,03
Предел прочности на сжатие МПа б2 б7 91 95
Предел прочности на растяжение при изгибе МПа 1S 25 35 3б
Линейная усадка мм 0,044 0,014 0,012 0,009
Коэффициент светопроницаемости % 45 42 41 40
По результатам испытаний установлено, что оптимальное содержание наполнителя (стеклобоя) и армирующего компонента (Фибрина) - полипропиленовых дисперсных волокон, углеродных нанотрубок составляет 23; 0,4 и 0,02 % по массе соответственно.
Предел прочности при сжатии дисперсно-армированных фиброво-локном полимербетонов выше на 5.. .8 %, предел прочности на растяжение при изгибе - на 40 %, чем прочность полимербетонов без дисперсного армирования (см. рис. 1, 2). Введение фиброволокна и нанотрубок увеличивает предел прочности при сжатии на 48.53 %, а предел прочности при изгибе на 95.100 % по сравнению с ПКМ без дисперсного армирования и наноматериалов.
Применение дисперсного армирования и нанотрубок существенно влияет на показатели линейной усадки эпоксидных композитов как в ранние, так и в более поздние сроки (см. рис. 3).
В результате проведенных исследований установили, что существует оптимальное содержание дисперсного армирования, армирования углеродными нанотрубками и наполнителя композиционных эпоксидных полимеров, позволяющее получить прочный светопрозрачный эпоксидный композит с достаточно высокой характеристикой по светопроницаемости. Данные эпоксидные композиты предназначены для изготовления светопрозрачных конструкций и элементов (для обустройства подземных переходов, складов, помещений общественных зданий и др.), работающих в условиях химически агрессивных сред, а также светопрозрачных элементов, элементов для технологического оборудования, баковой аппаратуры (технологических ванн, баков, кислотохранилищ, отстойников) и т.д.
Список литературы
1. Бобрышев А.Н., Коромазов В.Н., Лохно А.В. Прочность и долговечность полимерных композиционных материалов. Липецк: РПГФ
«Юлис». 2006. 170 с.
2. Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполнения полимеров. М.: Химия. 1991. 260 с.
3. Прудков Е.Н., Кузьмин С.В. Светопрозрачные дисперсно-армированные полимербетоны для ремонта и отделки помещений // Стройпрофиль. 2006. №1(47). С.94 - 95.
4. Соломатов В.И., Бобрышев А.Н., Химмлер К.Г. Полимерные композиционные материалы в строительстве. М.: Стройиздат.1988. 308 с.
5. Рыбьев И. А. Строительное материаловедение: учеб. пособие для строит. спец. вузов. М.: Высшая школа. 2004. 701с.
S. Kuzmina, E. Prudkov
Optimization composition and research of the features modified epoxide kompozitov
The bases of the structurization epoxide composite material, prepared on base of the epoxies, including fighting flow as filler, for dispersion fittings used a filament-fibres from polypropilen, as well as nanopips from carbon are proposed. The influence these component, as well as their correlations, on toughness, linear shrinkage and permeability of the light material is explored.
Key words: composite material, dispersion fittings, filament-fibres, nanopips, optimum structure.
Получено 02.11.10
