CC BY
43
УДК 678.5/6:677.4:538.12
И.В. Черемухина, В.Н. Студенцов, М.С. Финашкина
КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ
ВОЗДЕЙСТВИЙ ПРИ МОДИФИКАЦИИ АРМИРОВАННЫХ РЕАКТОПЛАСТОВ
Предложен новый параметр для количественной оценки эффективности различных физических обработок в технологии наполненных сетчатых полимеров.
Физические обработки, ультрафиолетовое излучение, вибрация, постоянное электрическое поле, постоянное магнитное поле, сетчатый полимер, полимерный композиционный материал
I.V. Cheremoukhina, V.N. Stoudentsov, M.S. Finashkina
QUANTITATIVE EVALUATION OF VARIOUS PHYSICAL TREATMENTS EFFECTIVENESS IN THE MODIFICATION OF REINFORCED CROSS-LINKED POLYMERS
A new parameter for quantitative effectiveness evaluation of various physical treatments in the technology of filled cross-linked polymers is proposed.
Physical treatments, ultraviolet rays, vibration, constant electric field, constant magnetic field, cross-linked polymer, polymer composite material
Применение различных физических воздействий - вибрации (ВО), ультрафиолетового излучения (УФИ), постоянного электрического (ПЭП) и постоянного магнитного (ПМП) полей - является экономичным и высокоэффективным направлением регулирования и улучшения характеристик армированных реактопластов [1, 2].
При получении образцов полимерных композиционных материалов (ПКМ) в качестве связующего использовали эпоксидиановую смолу ЭД-20 (ГОСТ 10587-93), отверждаемую полиэтиленпо-лиамином (ПЭПА, ТУ 6-02-594-85), а в качестве армирующих наполнителей - полиакрилонитриль-ный жгутик (нитрон), поликапроамидную техническую нить (капрон), вискозную техническую нить (ВН), базальтовую нить (БН), стеклянную нить (СН), углеродную нить (УН). Нити пропитывали связующим, наматывали с большим шагом на проволочное мотовило и полученный препрег помещали в термостат. В качестве источника УФИ применяли облучатель бактерицидный настенный ОБН-150 с лампой ДБ-30 при длине волны 253,7 нм. В данной работе в качестве источников ПМП были использованы постоянные магниты различной формы и электромагнит с прямоугольными наконечниками размером 9x9 см [3]. В качестве источника колебаний с частотой 100 Гц использован бытовой вибратор СВП-1 [4]. Определённые методом золотого сечения промежуточные значения 66-33 Гц обеспечивались электрическим вибратором собственной конструкции. При обработке электрическим полем нить помещали в пропиточную ванну, далее нить проходила через отжимные устройства и подвергалась обработке в постоянном электрическом поле (ПЭП) с безопасным напряжением между электродами. Далее нить помещали в термошкаф для глубокого отверждения. При обработке ультразвуком (УЗ) нить помещали в пропиточную ванну с погружённым в неё источником ультразвука, в качестве которого использовали типовое устройство. В опытах контролировали линейную плотность, г/м исходных и пропитанных нитей и степень превращения X, массовые проценты исходного олигомерного
137
связующего в нерастворимый сетчатый продукт. Величину X определяли методом экстракции золя ацетоном при комнатной температуре. Для сформованных из полученных препрегов материалов по стандартным методикам определяли следующие физико-механические характеристики:
- разрушающее напряжение при статическом изгибе ои, МПа (ГОСТ 4648-93);
- разрушающее напряжение при растяжении ор, (ГОСТ 11262-80 );
- модуль упругости при статическом изгибе Еи, МПа ;
- ударная вязкость Оуд, кДж/м2 (ГОСТ 4647-80) ;
- твердость по Бринеллю HБ, МПа (ГОСТ 4670-77);
- суточное водопоглощение W, % (ГОСТ 4650-80);
- плотность р, кг/м3 (ГОСТ 15139-81).
Физическую модификацию осуществляли либо путём физической обработки на стадии пропитки армирующей нити связующим (при использовании вибрации), либо в виде кратковременного физического воздействия на свежепропитанную связующим нить (при использовании остальных изученных воздействий) с последующим отверждением в традиционных условиях.
Эффективность методов физической модификации можно оценить по влиянию использованного физического воздействия на физико-механические характеристики ПКМ (критерий 1) и по физико-химической активности использованного физического воздействия (критерий 2).
Оценка первого критерия основана на сравнении характеристик образцов ПКМ, полученных без использования и с использованием физической модификации.
Оценка второго критерия основана на сравнении кинетических кривых отверждения (зависимости степени превращения Хсв исходной смолы в сетчатый продукт от продолжительности отверждения т) с использованием и без использования физического воздействия. Рассматриваемый критерий физикохимической активности у находили на основе анализа кинетических кривых отверждения препрегов, подвергнутых и не подвергнутых физической обработке. Предварительная физическая обработка, как правило, вызывает ускорение дальнейшего отверждения препрега по сравнению с отверждением препрега, не подвергнутого физическому воздействию. На основании экспериментально наблюдаемой разности степеней превращения АХ можно оценить среднюю и текущую скорости U дополнительного процесса отверждения, вызванного физическим воздействием. Массовую долю связующего у, принявшего участие в этом дополнительном процессе, находили путём интегрирования скорости U по времени:
т
т кон
у= | U (т^т
0
Таким образом, в данной работе впервые проведена количественная сравнительная оценка эффективности различных способов физической модификации препрегов методом, который ранее применялся для оценки массы связующего, образовавшего переходные слои в системе связующее-наполнитель [5].
Анализ характера влияния физических воздействий на физико-механические характеристики ПКМ показал, что обработка препрегов УФИ обеспечивает стабильное улучшение прочностных характеристик на 10-40%, а вибрационная обработка приводит к менее стабильным результатам, то есть она может приводить не только к улучшению, но и к ухудшению прочностных характеристик вследствие нарушения компактности армирующих технических нитей, при этом значительное улучшение одной характеристики (например, ауд) сопровождается значительным ухудшением другой - ои [1, 2].
Неотверждённые препреги весьма чувствительны к различным физическим воздействиям, которые в определённой степени влияют на последующий химический процесс отверждения (см. таблицу). Увеличение продолжительности физического воздействия приводит к увеличению массовой доли связующего, подвергнутой этому воздействию.
Физико-химическая активность Y различных физических воздействий
Вид воздействия Наполнитель Продолжительность воздействия, с Y, масс. доли связующего
ПЭП Нитрон 5 0,04
ПЭП Нитрон 10 0,26
ПЭП Нитрон 15 0,33
Окончание табл.
Вид воздействия Наполнитель Продолжительность воздействия, с Y, масс. доли связующего
Вибрация Нитрон 5 0,09
Вибрация Нитрон 10 0,19
Вибрация нитрон 15 0,29
ПМП Нитрон 5 0,04
ПМП Нитрон 10 0,18
ПМП Нитрон 15 0,26
УФИ Нитрон 5 0,05
УФИ Нитрон 10 0,27
УФИ Нитрон 15 0,34
УЗ Углеродная нить 10 0,81
Таким образом, от модификации ПКМ ультрафиолетовым излучением, постоянным электрическим полем и ультразвуком следует ожидать более сильного влияния на физико-механические характеристики, чем от влияния вибрации и постоянного магнитного поля.
Выводы
1. Предложена оценка эффективности различных способов физической модификации по величине физико-химической активности изученных физических воздействий, поскольку физическое воздействие неизбежно влияет на скорость последующего химического отверждения.
2. Из пяти рассмотренных способов физической модификации максимальной физикохимической активностью обладают обработки препрегов ультрафиолетовым излучением, ПЭП и ультразвуком.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент РФ № 2280655 Способ получения армированных полимерных композиционных материалов / И.В.Черёмухина, В.Н. Студенцов. Опубл. 27.07.2006. Бюл. №21.
2. Патент РФ № 2324709 Способ получения армированного полимерного композиционного материала / А.Б. Мурадов, И.В. Черёмухина, В.Н. Студенцов, В.А. Кузнецов. Опубл. 20.05.2008. Бюл. № 14.
3. Черемухина И.В. Оценка эффективности методов физической модификации при получении армированных реактопластов / И.В. Черемухина, В.Н. Студенцов, А.Н. Голышев // Химические волокна. 2008. № 6. C. 7-9 .
4. Различные способы физической модификации армированных реактопластов / И.В. Черёмухина, В.Н. Студенцов, А.Б. Мурадов, В.А. Кузнецов // Пластические массы. 2007. № 4. С. 12-16.
5. Студенцов В.Н. Диффузионный механизм отверждения и структура композиционных материалов, армированных химическими волокнами / В.Н. Студенцов // Журнал прикладной химии. 1983. № 9. С .2077-2082.
Черемухина Ирина Вячеславовна - Irina V. Cheryomukhina -
кандидат технических наук доцент кафедры PhD, Associate Professor
«Химическая технология» Энгельсского Department of Chemical Technologies,
технологического института (филиал) Engels Institute of Technology - Branch of
Саратовского государственного технического Yu. Gagarin Saratov State Technical University
университета имени Гагарина Ю.А.
Студенцов Виктор Николаевич - Victor N. Studentsov -
доктор технических наук профессор кафедры Dr. Sc., Professor
«Химическая технология» Энгельсского Department of Chemical Technologies
технологического института (филиала) Engels Institute of Technology - Branch of
Саратовского государственного технического Yu. Gagarin Saratov State Technical University
университета имени Гагарина Ю.А.
Финашкина Марина Сергеевна - Marina S. Finashkina -
аспирантка кафедры «Химическая технология» Postgraduate
Энгельсского технологического института Department of Chemical Technologies,
(филиала) Саратовского государственного Engels Institute of Technology - Branch of
технического университета имени Гагарина Ю.А. Yu. Gagarin Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 17.10.11, принята к опубликованию 15.11.11
