Полимерные композиционные материалы на основе волокон различной химической природы Обустройство квартиры. Подбор мебели. Материалы для ремонта кватиры.

Полимерные композиционные материалы на основе волокон различной химической природы. Перспективны для ответственных конструкций ПКМ на основе термореактивных смол, армированных различными волокнами: базальтовыми (БВ), стеклянными (СВ). Широко применяемые смесевые традиционные технологические процессы ПКМ характеризуются многостадийностью: на одном предприятии синтезируют олигомеры (смолы), затем на другом проводят ими пропитку волокнистых материалов, сушку, подготовку пресс-пакета для прессования, который снова нагревают и затем прессуют изделие. Такие технологии крайне трудоемки, энергетически затратны, с пониженными характеристиками получаемого материала и экологически напряженными условиями труда. Прорыв в новые области знаний, технологий, создание изделий с требуемыми свойствами, резкое улучшение экономических показателей, обретение технико-экономической независимости вследствие отказа от использования традиционно приемлемых материалов - все это возможно только благодаря новым полимерным композиционным материалам (ПКМ). Этот метод представляет, по сути, внедрение «гостя» - органического полимера в структуру «хозяина» - неорганического волокна. Локализацию, концентрацию и пространственное расположение «гостей» определяют топология, химическая природа и реакционная способность внутренней и внешней поверхности «хозяина». В Саратовском государственном техническом университете разработан метод поликонденсационного наполнения (ПКН) путем пропитки волокнистого наполнителя композицией из мономеров с последующим синтезом полимера в структуре и на поверхности волокна, что повышает прочностные и физико-химические характеристики ПКМ сокращает число стадий процесса, снижает энерго- и трудозатраты, а также экологическую напряженность производства. Включение молекул мономеров в поры волокон с их последующим контролируемым превращением как в порах, так и на их поверхности обеспечивает получение ПКМ с повышенными характеристиками. В данной работе представлены результаты исследования ряда эффектов, сопутствующих процессам формирования таких ПКМ на основе СВ и БВ и фенолформальдегидной матрицы. БВ, полученные из базальта, представляют перспективный армирующий материал, на основе которого могут быть созданы высокопрочные, теплостойкие и химостойкие ПКМ. Последнюю можно активировать различными химическими и физическими методами, которые позволяют поры «хозяина» адаптировать к размерам молекул мономеров. Таблица Химический состав базальта и бесщелочного стекла Окислы Базальт Стекло Окислы Базальт Стекло Содержание окислов, % Содержание окислов, % SiO2 48,88 54,52 FeO+Fe2O, 13,32 . Производство базальтовых волокон увеличивается, так как сырьем служат горные породы, а формование осуществляется подобно СВ фильерным способом в широком ассортименте: штапельное волокно, нити, ровинги, холсты, ткани и маты. Химический состав в зависимости от месторождения изменяется незначительно и характеризуется содержанием компонентов, представленных в таблице 1. Таблица Физико-механические свойства стеклянных и базальтовых волокон Волокно базальтовое стеклянное Диаметр волокон, мк 13-17 13-15 Плотность,кг/м3 3000 2500 Предел прочности при растяжении, кгс/мм2 80-115 85-105 Синтез фенолформальдегидных олигомеров (ФФО) проводили по следующей методике: реакционной смесью (из фенола, формальдегида и NaOH в качестве катализатора) пропитывали подготовленные волокна, уложенные в специальные ячейки для синтеза; реакцию проводили при Т=900С, продолжительность синтеза варьировали в пределах 5-120 мин. Аl2О, 15,61 13,45 ТiО2 1,62 - СаО 10,02 16,12 MnO 0,10 - MgO 3,23 4,27 Na2O+K2O 2,22 1,79 В2О3 9,85 В исследованиях использовались базальтовые и стеклянные нити со следующими характеристиками (табл.2). Выход золь-гель фракций определяли по стандартной методике в аппарате Сокслета. За ходом процесса следили по изменению массы реакционной смеси и по способности синтезированных олигомеров к формированию сетчатых структур при следующих условиях: Т = 1550С, Р = 25 МПа, 1=15 минут. При дальнейшем синтезе при 900С и отверждении при 1550С образуются микропленки полимерной матрицы с ориентированной структурой по рельефу поверхности пор и волокон. При проведении реакции по описанной методике молекулы мономера, соизмеримые с порами волокон, внедряются в последние и сорбируются самой поверхностью волокна. Это экспериментально показано для ПКМ, армированных углеродным волокном. Наблюдаемое замедление процесса синтеза ФФО в присутствии СВ, связано со взаимодействием синтезируемых олигомеров с гидроксильными группами на поверхности стекловолокна и исключением их из сферы реакции. Отмеченное замедление реакции поликонденсации на ранних стадиях (10-40 минут) процесса для системы с базальтовым волокном может объясняться также взаимодействием, которое характерно для СВ. Обнаруженное повышение интенсивности процесса на последующих стадиях (40-70 минут), очевидно, связано с упорядочением молекул олигомеров в структуре и на поверхности БВ и более активным их участием в реакции. В итоге при поликонденсации создаются так называемые полиструктуры, что значительно повышает комплекс свойств получаемых ПКМ. % через 15 минут от начала реакции). Способность ФФО к формированию сетчатых структур оценивали по выходу гель-фракций через определенные промежутки времени от начала реакции синтеза. Как видно из рисунка 2, ФФО, синтезируемые в присутствии БВ (кривая 1), начинают проявлять способность к формированию сетчатых структур на ранних стадиях реакции (39 масс. %. В то время как для контрольной (ненаполненной) системы (рис.2, кривая 3) этот показатель составляет менее 5 масс.%. Способность к формированию сетчатых структур для наполненной и ненаполненной систем на завершающей стадии процесса синтеза выравнивается; выход гель-фракции через 90 минут от начала реакции синтеза составляет 94-96 масс. Так, выход гель-фракции через 40 минут составляет лишь 38 масс.% и только через 120 минут от начала реакции -95 масс. ФФО, синтезируемые в присутствии СВ, медленнее проявляют способность к формированию сшитых структур. Для обеспечения требуемой степени удаления низкомолекулярных соединений до остаточного содержания 6% проводилась сушка препрегов (таблица 3). % Полученные данные позволили выбрать основные параметры синтеза ФФО в структуре СВ и БВ с учетом их влияния на процесс поликонденсационного наполнения, обеспечивающие получение олигомеров, способных к формированию сетчатых структур в процессе отверждения препрегов. 1 . Наполнение БВ 90 30 2. Таблица Параметры синтеза ФФО в присутствии волокон Условия синтеза ФФО Продолжительность синтеза, мин. Продолжительность сушки, мин. Ненаполненная система 90 60 Оптимальная продолжительность синтеза и сушки композиции с СВ оказывается выше, по сравнению с синтезом композиции с БВ. Наполнение СВ 120 45 3. Таблица 4. Это доказывает замедляющее действие СВ на процесс реакции. Экспериментальные данные о влиянии условий синтеза на физико-механические свойства ПКМ представлены в таблице 4 и на рисунке 3. По результатам работы можно заключить, что в условиях поликонденсационного наполнения при пропитке волокна реакционной системой из мономеров улучшается взаимодействие мономеров и синтезированных олигомеров с волокнами, в отличии от традиционной технологии получения ПКМ, что проявляется в получении более высоких свойств композитов на основе исследуемых волокон. Проведенными исследованиями доказана возможность получения базальтопластов по технологии поликонденсационного наполнения с повышенной прочностью при изгибе по сравнению со стеклопластиками (635 и 400 МПа соответственно). Сравнительные характеристики ПКМ, полученные поликонденсационным и традиционным способом Вид наполнителя (длина 120 мм) Твердость по Бринеллю, МПа Разрушающее напряжение при сдвиге, МПа Разрушающее напряжение при изгибе, МПа Плотность, кг/м3 БВ 156/132 26/22 635/520 1710 СВ 176/155 28/24 400/206 1650 Примечание: В числителе значения для ПКН, в знаменателе - для традиционного наполнения.