CC BY
36
УДК 678.5.046:661.18
С. А. Клюшников*, А. И. Кочетков, М. Р. Морозова
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125190, Москва, Миусская площадь, д. 9 * e-mail: [email protected]
ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ТЕРМОСТОЙКИХ И ВЫСОКОПРОЧНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛПМЕТИЛСИЛОКСАНОВОЙ смолы
Исследовано влияние различных дисперсных наполнителей на кремнийорганическое связующее с целью получения высокопрочного и термостойкого композиционного материала.
Ключевые слова: кремнийорганические смолы, полиметилсилоксановая смола, композиционные материалы, наполнители, модификация.
Область применения кремнийорганических соединений весьма обширна и регулярно обновляется и, соответственно, обладая широким спектром ценных свойств, данные соединения представляют большой интерес при получении полимерных композиционных материалов. В связи с непрерывным развитием технологий в различных отраслях промышленности, создание материалов с повышенными прочностными характеристиками и термостойкостью весьма актуально.
Основным объектом исследования была выбрана полиметилсилоксановая смола марки КМ9-К (ПМС), массовая доля нелетучих веществ не менее 95%, растворимость в этиловом спирте-полная, время желатинизации в пределах 1-8 минут. Она обладает достаточно высокой термостойкостью, имеет хорошую химическую стойкость и характеризуется повышенными электроизоляционными свойствами, однако, обладает недостаточно высокими прочностными характеристиками. В качестве наполнителей для приготовления композиций на основе ПМС были взяты следующие вещества: слюда, карбид кремния, корунд, фарфоровый порошок, карбид бора.
Оценка эффективности и концентрации наполнителей на свойства ПМС рассматривалась по их влиянию:
на физико-механические свойства: прочность при сжатии, твердость;
на способность выдерживать высокие температуры без потери свойств.
Варьируя концентрацию добавок при смешении композиций можно проследить, как изменяются свойства в наполненных системах. Полученные образцы были испытаны на прочность при сжатии и была определена их твердость. Прочность при сжатии определялась стандартной методикой, соответствующей ГОСТ-4651-82, а твердость определялась с помощью твердомера ТН-200 по шкале «А» Шора. Данные о составах композиционных материалов и их свойствах содержатся в таблице 1, а зависимость
прочности при сжатии от вида и содержания наполнителя приведена на рисунке 1.
Таблица 1. Составы и свойства композиционных _материалов на основе ПМС
Наполнители о сжати е, МПа Твердость (Шор, А)
- 12,7 87,5
75%nMC+25%SiC 28,1 96,5
50%nMC+50%SiC 21,0 97,2
25%nMC+75%SiC 29,7 93,4
75%ПМС +25%слюда 23,0 96,8
50%ПМС +50%слюда 17,2 87,2
25%ПМС +75%слюда 1,1 98,0
75%ПМС +25%корунд 38,7 85,0
50%ПМС +50%корунд 40,6 93,4
25%ПМС +75% корунд 2,7 79,2
75%ПМС +25% фарф. 9,2 73,3
50%ПМС +50%фарф. 28,3 98,2
25%ПМС +75% фарф. 15,2 85,4
Из графика на рисунке 1 видно, что при повышении содержания слюды и корунда наибольшая прочность получаемых образцов обеспечивается при введении наполнителей в количестве 25-50% .
Прочность образцов, наполненных карбидом кремния, практически не изменяется независимо от его содержания в составе композиции. Наибольшая прочность образцов с фарфоровым порошком обеспечиватся при 50%-м содержании, при меньших и больших концентрациях наполнителя улучшения прочностных
характеристик не наблюдается. Данные мелкодисперсные наполнители оказывают хорошее армирующее действие на связующее и повышение прочностных характеристик обусловлено сродством природы наполнителей и связующего, а также возможной физической адсорбцией или хемосорбцией смолы на поверхности наполнителя.
20 30 50 60 70
Содержание наполнителя, масс.% Рис.1. Зависимость прочности при сжатии от содержания наполнителя
Для повышения прочностных характеристик композиционных материалов было предложено использовать смеси наполнителей, взятых в различных соотношениях. Критериями оценки служили прочность при сжатии, твердость и потеря массы при нагревании образцов.
На основании данных о прочности и твердости образцов были отобраны составы (таблица 2) для проведения дальнейших исследований.
Таблица 2. Составы и свойства композиционных
Наполнители с сжатие, МПа Твердое ть (Шор, А)
15%фарф.+15%корунд+25% слюда 49,6 95,5
25%81С+30%слюда+ 15%фарф. 46,7 84,4
50%корунд 40,6 93,4
35%фарф+40%81С 47,3 82,4
10%81С+15%корунд+ 30%фарф 43,7 76,6
25%БС4+35%8Ю 74,9 76,0
50%фарф+25%81С 51,5 93,7
30%фарф+10слюды+1081С+ 20БС4 39,0 96,2
Наиболее высокий показатель прочности был получен у образцов, наполненных смесью карбидов бора и кремния, однако показатель твердости у этих образцов заметно ниже, чем у всех остальных. Это можно объяснить недостаточной степенью наполнения в виду практической невозможности получения высоконаполненных образцов на основе ПМС без использования разбавителей или растворителей.
Термостойкость образцов определяли путем их нагревания в муфельной печи до 700-800 оС со скоростью 25 оС в минуту. Каждый раз при повышении температуры в печи на 100 оС производили выемку образцов и определяли потерю массы. При достижении 800 оС образцы подверглись выдержке при данной температуре в течение 2 часов, однако существенных изменений массы образцов не наблюдалось. Полученные данные представлены на рисунке 2.
Из рисунка 2 видно, что, независимо от вида наполнителей, их введение в виде смесей в состав композиционных материалов привело к значительному повышению термостойкости. Это обусловлено тем, что в работе применялись термостойкие наполнители. К тому же использование в качестве связующего реакционноспособной полиметилсилоксановой смолы, вероятно, привело к ее физической адсорбции или хемосорбции на поверхности наполнителей, что способствовало повышению как прочностных свойств, так и термостойкости композиционных материалов.
s »
кмм;
КМ9К4. ЗДврф/г-змииоя
КМЖ»35«фЧ)ф.+ 1',-í.S.;
КМ9К+1 CftiSjC-*- 13?4»;орунд+30? офарФ
D ICO iOQ 300 4Ш 50Ü 600 ?00 ВГО 900
Теыпература,
Рис. 2. Термогравиметрические кривые композиций
Таким образом, проведенные исследования позволили установить положительное влияние термостойких дисперсных наполнителей на свойства ПМС и определить наиболее перспективные составы наполнителей для получения термостойких композиционных материалов с высокими прочностными характеристиками. В ходе дальнейшей работы планируется более детальное изучение механизма взаимодействия ПМС с выбранными наполнителями, а также подбор эффективных модифицирующих добавок для создания высокопрочного термостойкого связующего и композиционных материалов на основе полиметилсилоксановой смолы.
Клюшников Сергей Александрович, магистрант кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Кочетков Александр Иванович, аспирант кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Морозова Марина Романовна, студентка кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Андрианов К.А. Кремнийорганические соединения. - М.: ГНТИХЛ, 1955. - 520 с.
2. Берлин А. А. Современные полимерные композиционные материалы (ПКМ) //Сталь. - 1995. - Т. 35. - С. 2.
3. Воробьев А. Кремнийорганические смолы //Компоненты и технологии. - 2004. - №. 37. - С. 174-175.
4. Солнцев С. С., Гращенков Д. В., Исаева Н. В. Высокотемпературные композиционные материалы для перспективных изделий авиа-и машиностроения //Конверсия в машиностроении. - 2004. - №. 4. - С. 6064.
Klyushnikov Sergey Aleksandrovich*, Kochetkov Aleksandr Ivanovich, MorozovaMarinaRomanovna D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]
OPTIMIZATION OF DISPERSED PHASE COMPOSITION TO CREATE HEAT-RESISTANT AND HIGH-STRENGHT COMPOSITES BASED ON POLYMETHYLSILOXANE RESIN Abstract
The effect of various dispersed fillers on organosilicon binder to obtain a heat-resistant and high-strength composite material has been investigated.
Key words: polymethylsiloxane resin, composite materials, fillers, modification.
