Реферат: Физико-химические основы технологии поликонденсационного наполнения базальто-, стекло- и углепластиков

Физико-механические свойства УП, СП и БП, сформированных по ИТ, практически не изменяются после двухчасового кипячения в дистиллированной воде. Это свидетельствует о плотной структуре композитов, сформированных интеркаляцией мономеров в микродефекты и поры нитей, с образованием при последующем отверждении тонких пленок на их поверхности. При этом происходит ориентация по рельефу поверхности пор и нитей.

Результат исследования ПКМ методом рентгеноструктурного анализа (табл.3) показал, что степень кристалличности и размер кристаллитов ПКМ, полученных по ИТ, по сравнению с традиционно наполненными пластиками уменьшается. Это связано с проникновением в микроструктуру нитей мономеров, которые вызывают разупорядочивание макромолекул как в структуре самих нитей, так и в их объеме. Однако относительно небольшое разупорядочивание не оказывает значительного влияния на прочностные характеристики.

Таблица 2

Сравнительные характеристики ПКМ, полученных по ИТ и традиционному способу на УН, СН и БН

Примечание: В числителе значения по ИТ, в знаменателе – при традиционной пропитке нитей готовой смолой.

Таблица 3

Данные рентгеноструктурного анализа

Примечание: В числителе значения по ИТ, в знаменателе – при традиционной пропитке нитей готовой смолой.

Подтверждением более плотной и более сшитой структуры БП, СП и УП являются данные по термостабильности образцов, изученных термогравиметрическим анализом. По увеличению коксового остатка, снижению скорости термолиза, существенно меньшей потере массы (более чем в 2 раза) вплоть до 6000С/г, значительному возрастанию энергии активации можно утверждать о более полном химическом и физическом взаимодействии функциональных групп ФФО с БН по сравнению с СН. Деструкция образцов, полученных по ИТ, смещается в область более высоких температур по сравнению с традиционно наполненными ПКМ. По возрастанию величины энергии активации изучаемые материалы образуют ряд УП>БП>СП, причем одинаково как для интеркаляционного, так и для традиционного метода формирования изучаемых ПКМ.

Учитывая, что БП и СП представляют собой интерес, для расширения области их применения (в том числе в области повышенных температур) проводили изучение токсичности выделяемых газообразных веществ на хроматографе "Кристалл" (Россия). Полученные результаты при 200С свидетельствуют, что в образцах БП и УП свободный фенол отсутствует. Обнаружено содержание фенола в СП (табл.4); однако эти значения ниже ПДК фенола (0,005мг/м3).

Таблица 4

Показатели газовой хроматографии на хроматографе "Кристалл" при 200С

Дополнительно токсичность газов, выделяемых при высоких температурах, анализировали на хроматографе НР 5890 (США). Для этого все образцы подвергались термической обработке в муфельной печи при 5500С. Выделяющиеся газообразные соединения сорбировались и направлялись в капиллярную колонку хроматографа, где происходила их десорбция. Разделение микропримесей проводили в интервале от 50 до 2800С. Были получены хроматограммы для БП, СП и УП, сформированных по ИТ и традиционной технологии, анализ которых в области времени выхода 1-19 минут показал, что выделение свободного фенола для всех образцов происходило в течение первых 5-6 минут при нагреве термостата колонки до1200С.

Потери массы образцов после термической обработки в муфельной печи хроматографа при Т=5500С больше для ПКМ, полученных по традиционной технологии по сравнению с ИТ (табл.5), что подтверждает химическое взаимодействие функциональных групп в системе нить-ФФО, с образованием плотной структуры ПКМ, сформированных по ИТ.

По результатам исследования обнаружено, что содержание свободного фенола в образцах, сформированных по ИТ ~ в 2 раза меньше, чем в традиционно наполненных ПКМ, что объясняется более полным превращением фенола в процессе поликонденсации в трехмерную структуру в объеме образцов. Кроме того, в образцах обнаружены о-, п- замещенные фенола. Эти данные представляют интерес для расширения области возможного применения БП, СП и УП, полученных по ИТ.

Таблица 5

Потери массы образцов после термической обработки при 5500С

Примечание: В числителе значения по ИТ, в знаменателе – при традиционной пропитке нитей готовой смолой.

Глава 5. Модификация ПКМ, армированных БН, СН и УН

На кафедре химической технологии СГТУ накоплен большой опыт по модификации связующего низкомолекулярными соединениями на стадии синтеза ФФО, что резко улучшает структуру и свойства сформированных ПКМ. Анализ экспериментальных данных (табл.6) свидетельствует о том, что прочностные и физико-химические свойства модифицированных ПКМ, сформированных по ИТ, превышают аналогичные свойства немодифицированных образцов. Это связано с улучшением подвижности, гибкости и текучести образующихся макромолекул ФФО и лучшей их ориентации по рельефу поверхности и, как следствие, формирование более плотной структуры ПКМ.

Таблица 6

Изменение физико-химических и механических свойств УП, СП и БП при модификации

Примечание: В числителе значения для немодифицированных ПКМ, в знаменателе – для модифицированных.

Для БП в качестве модифицирующих добавок применялись лапрол, поливинилбутираль и капролактам. Наиболее эффективной модифицирующей добавкой является лапрол (табл. 7). По данным термогравиметрического анализа определено, что лапрол тормозит деструкцию модифицированных БП за счет формирования более плотной структуры и, следовательно, большей термостойкости. В то же время для БП, модифицированных поливинилбутиралем и капролактамом, термостойкость остается на уровне немодифицированного БП.

Таблица 7

Сравнительные характеристики модифицированных базальтопластиков

Таким образом, полученные результаты доказывают перспективность и целесообразность применения модификации связующего на стадии синтеза для повышения физико-химических и механических характеристик БП, СП и УП.

Одним из путей направленного регулирования свойств ПКМ является использование гибридных волокнистых наполнителей. Представляет интерес сочетание широко распространенных СН с УН, что может обеспечить повышение физико-механических показателей гибридного ПКМ и придать материалу специфические свойства. Полученные экспериментальные данные (табл.8) свидетельствуют о том, что применение гибридных наполнителей позволяет достигнуть эффекта синергизма и формировать ПКМ с необходимым комплексом свойств в соответствии с их функциональным назначением путем варьирования соотношения УН:СН. В пользу гибридных наполнителей свидетельствует и то, что стоимость ПКМ резко сокращается по сравнению с углепластиками.

Сравнительный анализ полученных БП, СП и УП с наиболее часто применяемыми ПКМ на основе БН, СН и УН, выпускаемыми в промышленном масштабе, показал (табл. 9), что разработанные БП, СП и УП не уступают, а по s i и Ei значительно превосходят известные аналоги.

Таблица 8

Сравнительные характеристики ПКМ с гибридными наполнителями

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

§  Впервые разработана принципиально новая технология БП, СП и УП, базирующаяся на интеркаляции мономеров в пористую структуру базальтовых, стеклянных и углеродных нитей с формированием при дальнейшем синтезе и отверждении тонких полиструктур сетчатого полимера в порах, дефектах и на поверхности нитей, что обеспечивает однородность и повышенные свойства получаемым ПКМ. Так, БП, СП и УП, сформированные по интеркаляционной технологии, характеризуются по сравнению с аналогами, полученными по традиционной технологии, более высокими механическими и физико-химическими характеристиками: si на 11-57%, Ei на 47%.

§Определены научные основы интеркаляционной технологии БП, СП и УП. Доказано, что увеличивается адсорбция мономеров, ускоряется реакция синтеза ФФО и его отверждение, увеличивается степень превращения фенола, формируется более термо- и водостойкая структура ПКМ.

§  Определены сорбционные характеристики пористой структуры БН, СН и УН. Применение теории объемного заполнения микропор для описания адсорбционных равновесий в системе нить-фенол-раство-ритель позволило описать процессы адсорбции при различных температурах на БН, СН и УН и рассчитать параметры пористой структуры этих нитей, используя основное уравнение этой теории. По величине пор, предельно адсорбируемым объемам, характеристической энергии изучаемые нити образуют ряд УН > БН > СН.

§   Установлена взаимосвязь структуры и свойств БП, СП и УП, сформированных по интеркаляционной технологии. Методами РЭМ и СТМ подтверждено формирование тонких полимерных прослоек между нитями и их ориентация по рельефу поверхности.

§  Установлено, что гибридизацией армирующей волокнистой системы (СН + 1-3 слоев УН) расширяется ассортимент ПКМ со специфическими свойствами и снижается их стоимость.

§  Доказано, что наиболее эффективной модифицирующей добавкой в производстве БП является лапрол, вводимый в количестве 4% в смесь мономеров.

Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1.  Артеменко С.Е. Альтернативная технология получения углеродного композита / С.Е.Артеменко, Л.Г.Глухова, Н.И.Загоруйко, Ю.А.Кадыкова // Химические волокна. - 2002. - №5. - С.35-37.

2. Кадыкова Ю.А. Полимерные композиционные материалы на основе волокон различной химической природы / Ю.А.Кадыкова, А.Н.Ле-онтьев, О.Г.Васильева, С.Е.Артеменко // Строительные материалы, оборудование, технологии ХХI века. - 2002. - №6. - С.10-11.

3.  Кадыкова Ю.А. Влияние сорбционных характеристик неорганических волокон на свойства полимерных композиционных материалов / Ю.А.Кадыкова, И.С.Родзивилова, С.Е.Артеменко, А.Н.Леонтьев // Строительные материалы, оборудование, технологии ХХI века. - 2002. - №11. - С.42-43.

4.  Артеменко С.Е. Будущее за базальтовыми волокнами и композиционными материалами на их основе / С.Е.Артеменко, О.Г.Васильева, Ю.А.Кадыкова, А.Н.Леонтьев // Стеклопрогресс-ХХI: Доклады первой Междунар. конф. - Саратов, 2002. - С.196-199.

5. Артеменко С.Е. Влияние поверхности углеродных волокон на структурообразование в композиционном материале поликонденсационного способа получения / С.Е.Артеменко, Л.Г.Глухова, Ю.А.Кадыкова, Н.И.Загоруйко // Химволокна-2000: Докл. Междунар. конф. по химическим волокнам, Тверь, 16-19 мая 2000г. - Тверь, 2000. - Т. 2, С. 561-564.

6. Кадыкова Ю.А. Гибридные композиционные материалы / Ю.А.Кадыкова, О.Г.Васильева, С.Е.Артеменко // Композит–2001: Докл. Междунар. конф., Саратов, 3–5 июля 2001г. - Саратов, 2001. - С. 84 - 87.

Научные консультации по применению стекло- и базальтопластиков осуществлялись к.т.н., доцентом Васильевой О.Г.

КАДЫКОВА Юлия Александровна

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНТЕРКАЛЯЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ БАЗАЛЬТО-, СТЕКЛО- И УГЛЕПЛАСТИКОВ

Автореферат

Корректор Л.А.Скворцова

Лицензия ИД № 06268 от 14.11.01

Подписано в печать Формат 60х84 1/16

Бум. тип. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, ул. Политехническая, 77

Копипринтер СГТУ, 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77.