Смекни!
smekni.com

Перспективные композиты XXI века на основе органических и неорганических полимеров и новые металлические (стр. 1 из 5)

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОМПОЗИТЫ XXI ВЕКА НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ И НЕОРГАНИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРОВ И НОВЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ, ПРИОРИТЕТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА


БАЗАЛЬТОПЛАСТИКИ – ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ XXI ВЕКА

С.Е.Артеменко, Ю.А.Кадыкова, О.Г.Васильева

Энгельсский технологический институт СГТУ

В общемировой структуре производства спрос на конструкционные материалы ежегодно возрастает на 5-6%, в то время как темп прироста мирового валового продукта составляет ~ 2% в год. Особое место в этом классе материалов представляют базальтопластики (БП), сочетающие высокую прочность, термо- и хемостойкость, экологическую чистоту, пожаробезопасность и долговечность. В качестве армирующей основы в БП служат базальтовые нити (БН), связующим - органические полимеры.

По своему химическому составу БН – это многокомпонентная система, содержащая SiO2 – 48-52% и более 36% реакционноспособных окислов металлов. БН обладают специфической гетероструктурой: пористостью с размером пор d = 7,8 Е, которые при нагреве нитей расширяются, шероховатой (кластерной) поверхностью, высокой сорбционной активностью, кристалличностью.

Если для стеклянной нити применяют многокомпонентную шихту, что резко усложняет и удорожает производство, то формование БН осуществляется из расплава базальта (однокомпонентной шихты) при Т=1450-15000С. Химический состав БН и стеклянных нитей различается (табл.1). В зависимости от разновидности горных пород базальта и режима формования на поверхности нитей образуется микрошероховатость, вызванная наличием микроскопических кластеров (размером сотни Е). Шероховатость увеличивает удельную поверхность нитей и влияет на сорбционные свойства и химическую стойкость поверхности.

Кристалличность БН характеризуется реликтовой кристалличностью (связана с многокомпонентностью исходных базальтов) и приобретенной в процессе формования нитей.

Таблица 1

Химический состав базальтовых и стеклянных нитей

Волокно

Содержание окислов, %
SiO2 Al2O3 FeO+Fe2O3 MgO B2O3 MnO CaO TiO2 Р2О5 Na2O K2 O
Базаль-товое 49-54 16,16 12,14 7,34 - 0,2 10,34 1,22 0,25 0,23 2,44
Стеклянное 50-53,4 14,3 0,4 4,0 8,5 - 16,5 0,5 -
4,0

Но рынок базальтовых нитей пока мало изучен и не приобрел еще должного масштаба. Для нашей страны будущее, естественно, за базальтовыми волокнами, так как залежи базальта велики и технологии их переработки в различный ассортимент волокон освоены в разных регионах: Московском, Красноярском, Брянском, Волгоградском и других.

Нами разработана новая интеркаляционная технология (ИТ) базальтопластиков, которая базируется на пропитке БН не готовой термореактивной смолой, как предусматривает традиционная технология, а исходными мономерами. Использовали отечественные, выпускаемые в крупном масштабе, мономеры – фенол и формальдегид в соотношении 1:1,4 и NaOH в качестве катализатора.

Схема включает 4 стадии: пропитка БН смесью мономеров, синтез фенолформальдегидного олигомера при 900С в течение 90 мин, сушка пресс-материала для удаления летучих и формование прямым прессованием изделий различного функционального назначения.

Благодаря высокой активности к физико-химическому взаимодействию с полимерным связующим формируется структура, придающая БП значительно более высокие характеристики по сравнению с традиционными стеклопластиками (табл.2).

Так, прочность и модуль упругости при изгибе БП увеличиваются в 3 раза, а водопоглощение снижается почти вдвое, в сравнении со стеклопластиками, сформованными по традиционной технологии.

На полноту взаимодействия оказывают большое влияние химический состав и количество замасливателя, наносимого на поверхность нити при ее формовании. Замасливатель олеофильный (активный), в отличие от олеофобного (инертного), ускоряет смачивание и не препятствует интеркаляции смеси мономеров в структуру нити и их взаимодействию с поверхностью пор и самой нитью. Инертный замасливатель, наоборот, резко ухудшает эти процессы и в результате физико-механические свойства базальтопластиков значительно уступают БП на базе нитей с активным замасливателем. Для базальтовых нитей, содержащих инертный замасливатель, в схему включается стадия отжига замасливателя при 2500С в течение 1 часа. Из табл. 3 видно, что модифицированные отжигом базальтовые нити обеспечивают повышение физико-химического взаимодействия в системе нить – полимерное связующее, в результате возрастают σi на 23-50% и σсд на 30-70%, твердость на 60%, водопоглощение снижается на 22%.


Таблица 2

Сравнительные характеристики полимерных композиционных материалов (ПКМ), сформованных по ИТ и традиционному способу на основе стеклянных и базальтовых нитей

Вид наполнителя

Твердость по Бринеллю, МПа

Разрушающее напряжение при сдвиге, МПа

Разрушающее напряжение при изгибе, МПа

Модуль упругости при изгибе, ГПа

Плотность, кг/м3

Водопоглощение при 2-часовом кипячении, %

БН 420/376 26/22 635/520 45/37 2030 1710 0,21/0,33
Стеклонить 400/355 28/24 400/206 28/15 1900 1650 0,28/0,38

Примечание: В числителе значения по ИТ, в знаменателе – при традиционной пропитке нитей олигомерами

Представляется перспективной модификация смеси мономеров малой активной добавкой олигооксипропиленгликоля – ООПГ (в количестве 2%) -

CH3 CH3 CH3

ú ú ú

OH ¾ CH ¾ CH2(O ¾ CH ¾CH2)n ¾ CH ¾ CH2 ¾ OH, обеспечивающего повышение взаимодействия фенолформальдегидного олигомера с базальтовой нитью путем образования мостичных химических связей по схеме:

Таблица 3

Сравнительные физико-химические характеристики БП, на основе исходных и термообработанных БН разных производителей

Вид наполнителя (длина 120 мм) Твердость по Бринеллю,МПа Разрушающее напряжение при изгибе, МПа Модуль упругости при изгибе, ГПа Разрушающее напряжение при сдвиге, МПа Удельная ударная вязкость, ауд., кДж/м2 Плотность, ρ, кг/м3 Водопоглощение при 2-часовом кипячении, W, %
БНб с активным замасливателем 420 635 45 26 200 2030 0,21
БН-1 с инертным замасливателем 203 422 32 12 190 1935 0,33
БН-1* 338 518 39 16 210 2000 0,26
БН-2 с инертным замасливателем 196 192 16 7 154 1511 0,44
БН-2* 301 289 22 12 178 1607 0,35

Примечание: * - базальтовая нить, термообработанная в течение 1 часа при 2500С


При этом возрастает текучесть олигомера по поверхности контакта, снижаются напряжение в сформированной трехмерной сетке и различия в усадке матрица – армирующая нить.

Результатом является повышение механических характеристик и водостойкости БП: σi увеличивается на 20%, ударная вязкость - на 25%, водопоглощение при 2-часовом кипячении уменьшается на 35%.

О формировании более термостойкой сшитой структуры модифицированных БП свидетельствуют данные термогравиметрического анализа (табл.4).

Таблица 4

Термостойкость базальтопластиков, модифицированных ООПГ

БП Потери массы, % при температуре 0С Энергия активации, кДж/моль
100 200 400 600 800
Немодифицированный 0,2 1,5 7,5 16,0 21 547,0
Модифицированный 0,1 1,0 5,0 15,0 19 591,0

Для спеццелей экономически эффективно армировать БП гибридной волокнистой системой, состоящей из углеродных и базальтовых нитей. По механическим характеристикам такой материал приближается к углепластикам (табл.5) и в несколько раз снижается его стоимость.

Таблица 5

Сравнительные характеристики гибридных ПКМ на основе УН и БН

Состав наполнителя Твердость по Бринеллю, МПа Разрушающее напряжение при изгибе, МПа Водопоглощение при двухчасовом кипячении, %
УН 840 632 0,39
УН + 10% БН 800 610 0,33
УН + 20% БН 750 590 0,30
УН + 30% БН 720 570 0,27
УН + 40% БН 700 550 0,23
БН 680 420 0,20

Таким образом, разработанная интеркаляционная технология обеспечивает:

- формирование БП с повышенными механическими и физико-химическими характеристиками;

- эффективность модификации БП методами: отжига замасливателя с поверхности базальтовой нити, введением в смесь мономеров малого количества активной добавки и гибридизацией армирующих волокон в разных соотношениях.


СИНТЕЗ НОВОГО ПОЛИМЕРНОГО АНТИОКСИДАНТА РАЗЛИЧНОГО ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

М.Г.Бабаханова