На правах рукописи
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНТЕРКАЛЯЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ БАЗАЛЬТО-, СТЕКЛО- И УГЛЕПЛАСТИКОВ
Специальность 05.17.06 -
Технология и переработка полимеров и композитов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов 2003
Работа выполнена в Технологическом институте Саратовского государственного технического университета.
Научный руководитель:доктор технических наук, профессор Артеменко Серафима Ефимовна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Иващенко Юрий Григорьевич
кандидат технических наук Решетникова Лариса Васильевна
Ведущая организация Саратовский государственный университет имени Н.Г.Чернышевского
Защита состоится «20» июня 2003 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.09 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 413100, г.Энгельс, Саратовской обл., пл.Свободы, 17, Технологический институт Саратовского государственного технического университета, ауд. 237.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета.
Автореферат разослан « » мая 2003 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Ефанова В. В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) в последние 50 лет так глубоко проникли в различные сферы промышленности, транспорта, бытового сектора, что степень их использования стала критерием уровня научно-технического прогресса любой страны. Применение их позволяет резко снизить расход остродефицитных материалов (титана, алюминия, бериллия, нержавеющей стали и других), повысить грузоподъемность и обеспечить значительную экономию топлива за счет уменьшения массы конструкций.
Особое место среди них занимают угле- (УП) и стеклопластики (СП), а в последние годы и базальтопластики (БП). Именно базальтопластики являются важными и значимыми в плане создания и развития производств ПКМ большой мощности с выпуском широкого ассортимента продукции, доступной по цене разным отраслям промышленности. Для этого наша страна обладает огромными запасами горных пород габбро-базальтовой группы и разработанными технологиями переработки их в высококачественные минеральные волокна, нити, ровинги, нетканые холсты, сетки и другой ассортимент.
Будущее за базальтопластиками еще и потому, что углеродные волокна очень дороги и количество их ограничено, производство стеклянных и органических (химических) волокон в Российской Федерации не удовлетворяет потребности промышленности. Поэтому разработка современной технологии базальтопластиков является актуальной проблемой.
Целью работы является разработка научных основ интеркаляционной технологии базальто-, стекло- и углепластиков поликонденсационным способом наполнения на основе фенолформальдегидного связующего и базальтовой, стеклянной и углеродной нитей.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
· установление закономерностей и параметров интеркаляционной технологии (ИТ);
· изучение особенностей адсорбции фенола поверхностью базальтовых (БН), стеклянных (СН) и углеродных (УН) нитей;
· установление взаимосвязи структура - свойства ПКМ на основе БН, СН и УН, полученных по интеркаляционной технологии;
· определение физико-химических и механических свойств исходных и модифицированных ПКМ на основе БН, СН и УН.
Научная новизна работы состоит в следующем:
· доказана эффективность получения ПКМ на основе БН, СН и УН и фенолформальдегидного связующего по ИТ;
· изучены свойства ПКМ на основе БН, СН и УН, и показана возможность их регулирования различными способами модификации;
· взаимодополняющими методами исследования установлено, что на основе неорганических нитей по ИТ формируется плотная и сшитая структура БП, СП и УП, обеспечивающая высокие прочностные и физико-химические характеристики материала.
Практическая значимость работы заключается в том, что установлена технико-экономическая эффективность использования ИТ для получения БП, СП и УП, а также эффективность модификации фенолформальдегидного олигомера (ФФО) на стадии синтеза связующего и гибридизации СН с УН.
На защиту выносятся следующие основные положения:
· результаты комплексных исследований влияния наполнителей на формирование структуры, механических и физико-химических свойств ПКМ;
· результаты исследования влияния модифицирующих добавок на свойства БП, СП и УП, сформированных по ИТ и достижения синергизма при гибридизации СН и УН.
Достоверность и обоснованность результатов исследования подтверждается комплексом независимых и взаимодополняющих методов исследования: термогравиметрического, рентгеноструктурного анализа, оптической, сканирующей туннельной и растровой электронной микроскопии, газовой и пиролитической хроматографии, методами определения физико-химических и механических свойств материалов.
Апробация результатов работы. Результаты работы доложены на 8 Международных и Всероссийских конференциях, в том числе: Международной конференции «Композит-98» (Саратов, 1998), I Всероссийской научной конференции "Физико-химия процессов переработки полимеров" (Иваново, 1999), Международной конференции «Современные технологии в образовании и науке. Высшая школа–99» (Саратов, 1999), Международной конференции по химии и химической технологии «МКХТ-2000» (Москва, 2000), Международной конференции по химическим волокнам "Химволокна-2000" (Тверь, 2000), ХХХI Научно-технической конференции "Актуальные проблемы современного строительства" (Пенза, 2001), Международной конференции «Композит–2001» (Саратов, 2001), Международной конференции "Стеклопрогресс-ХХI" (Саратов, 2002).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе три статьи в центральных изданиях.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит обоснование актуальности темы, цели и задачи исследований, научную новизну и практическую значимость работы.
Глава 1. Литературный обзор
Проведен анализ литературы по современному состоянию проблемы использования БН, СН и УН и ПКМ на их основе. Анализ и обобщение литературных данных свидетельствуют об эффективности применения поликонденсационного способа наполнения, разработанного на кафедре СГТУ (Пат. №1616930; №2021301, РФ), для повышения физико-химичес-ких и механических характеристик ПКМ; о практической целесообразности и эффективности производства БП, СП и УП, однако отсутствуют сведения о результативности использования БН и СН для ПКМ, сформированных поликонденсационным способом наполнения по ИТ; о технико-экономической эффективности применения модификации БП, СП и УП.
Глава 2. Объекты, методики и методы исследования
Представлены характеристики используемых материалов, методы и методики испытаний. В качестве исходных мономеров использовались: формальдегид (40%-й водный раствор) ГОСТ 1625-89, фенол ГОСТ 23519-93 и щелочной катализатор NаОН ГОСТ 11078-78. Для сравнения синтезировали в лабораторных условиях фенолформальдегидную смолу (ФФС). В качестве наполнителей использовали базальтовую нить (производства Украины), стеклянную нить (ЭЗ-200, ГОСТ 19907-83), углеродную нить (УКН –2,5/П). В качестве модифицирующих добавок применялись вторичный поливинилбутираль ("Solutia company", Бельгия), капролактам (ГОСТ 7850-86), лапрол (ТУ 2226-023-104880-57-95).
Основное содержание экспериментальной части
Глава 3. Физико-химические основы технологии поликонденсационного наполнения базальто-, стекло- и углепластиков
Сущность процесса поликонденсационного наполнения заключается в том, что для формирования полимерной матрицы пропитка нитей осуществляется не ФФС (традиционный способ), а смесью мономеров–фенола с формальдегидом и катализатором NaОН. Речь идет о принципиально новом процессе взаимодействия полимерное связующее-армирующие нити, основанного на интеркаляции (внедрении) смеси мономеров в структуру нитей с последующим синтезом олигомеров в виде ультратонких по-листруктур в порах, дефектах, трещинах и на поверхности нитей, что обеспечивает формирование плотной структуры и повышенные свойства ПКМ. Такая технология получила название интеркаляционной.
Пористая структура нитей определяет их сорбционные свойства, а также кинетические и динамические характеристики сорбционных процессов. В исследованиях для изучения сорбционных свойств БН, СН и УН использовали теорию объемного заполнения микропор (ТОЗМ), которая описывается уравнением lg nil = lg ni0l–(0,434/En)*An, где nil, ni0l –факти-ческая и предельная величина адсорбции, ммоль/г; E–характеристическая энергия, Дж/моль; A=RTlnCS/C–дифференциальная мольная работа адсорбции, Дж/моль; n–ранг уравнения ТОЗМ.
Применение ТОЗМ для описания адсорбционных равновесий в системе нить-фенол-растворитель дало возможность описать процессы адсорбции при различных температурах на УН, БН и СН и рассчитать параметры пористой структуры этих нитей (табл.1), используя основное уравнение этой теории. По величине пор, предельно адсорбируемым объемам и характеристической энергии изучаемые нити образуют ряд УН>БН>СН.
| Нить | Температура, 0С | nil, ммоль/г | Е, кДж/моль | W0, см3/г | X, 0А |
| УН | 20 | 0,150 | 13,130 | 0,0107 | 9,34 |
| 30 | 0,156 | 13,290 | 0,1165 | 10,74 | |
| 40 | 0,158 | 13,430 | 0,0134 | 10,96 | |
| ССН | 20 | 0,07 | 12,000 | 0,0072 | 3,24 |
| 30 | 0,10 | 12,100 | 0,0089 | 3,78 | |
| 40 | 0,11 | 12,120 | 0,0089 | 3,88 | |
| ББН | 20 | 0,08 | 12,120 | 0,0081 | 3,88 |
| 30 | 0,10 | 12,130 | 0,0113 | 3,94 | |
| 40 | 0,11 | 12,136 | 0,0113 | 3,97 |
Примечание: nil - предельная величина адсорбции, W0 - предельно адсорбируемый объем, Е - характеристическая энергия адсорбции, Х - полуширина поры для всех исследуемых нитей.