Способ регулирования качества композиционных материалов

 

Использование: определение прочностных характеристик полимерных композиционных материалов путем исследования их пористости. Сущность изобретения: способ регулирования качества композиционных материалов путем оптимизации процесса их получения включает изготовление образцов композиционного материала, и исследование их свойств. Изготовляют два и более образцов, причем второй и следующие образцы с использованием одного или нескольких известных технологических приемов, влияющих на свойства материала. В готовых образцах определяют пористость (П, объемная доля), содержание низкомолекулярн,ых продуктов (л, мас.%) и рассчитывают относительную прочность (оът) по уравнению: оът 1 - Alg (Л + 1) (1 - П)п, где А и П - постоянные для данного материала, при этом относительную прочность (аот) первого образца используют для сравнения. 2 табл. ел с

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

PFСПУВЛИК

IsI)s 6 01 N 3/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) -5ВФ

5ИМИОТВКА

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4882659/05 (22) 22.08.90 (46) 23.01.93. Бюл, N. 3 (71) Институт химической физики им. Н.Н.

Семенова (72) Н.Л. Александрова и Л.Н. Рудакова (56) Манин В,Н., Громов А.Н„Григорьев Е.П.

Дефектность и эксплуатационные свойства полимерных материалов, — Л.: Химия, 1986.

Бергман Х, Углеродные волокна и углекомпозиты. — М.: Мир, 1988, с. 214.

Макаров В,Г„Перлин С.М. Антонов А.А.

ВМС Б-25, N 3,,с. 182, 1983.

Кортен X.Т. Разрушение армированных пластиков. — М.: Химия, 1967.

Колосов Н.Е., Каримов А.А., Репелис

И.А., Хозин В.Г., Клявин В.В. Пропитка волокнистых наполнителей полимерными связующими, Механика компоэ, материалов, 1989, N. 4, с. 724 — 731, Авторское свидетельство СССР

N 1656411, кл. G 01 N 3/00, 1988.

Изобретение относится к области исследования свойств материалов, в частности, к способам определения прочностных характеристик полимеров путем исследова- . ния их пористости, и может быть использовано в технологии получения композиционных материалов (КМ).

Нестабильность прочностных свойств

КМ и разница между достижимой и реальной прочностью тел — следствие их поврежденности (1, 2). последняя в основном определяется наличием пор и низкомолекулярных продуктов (летучих) в материале.Со,„,!Ы „„1789905 А1 (54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (57) Использование: определение прочностных характеристик полимерных композиционных материалов путем исследования их пористости. Сущность изобретения: способ регулирования качества композиционных материалов путем оптимизации процесса их получения включает изготовление образцов композиционного материала и исследование их свойств. Изготовляют два и более образцов, причем второй и следующие образцы с использованием одного или нескольких известных технологических приемов, влияющих на свойства материала.

В готовых образцах определяют пористость (П, объемная доля), содержание ниэкомолекулярных продуктов (n, мас. ) и рассчитывают относительную прочность (о т) по уравнению: о т =(1-А!9(Л+1)) (1-П)", где

А и П вЂ” постоянные для данного материала, при этом относительную прочность(о,) первого образца используют для сравнения. 2 табл. гласно (3), пористость снижает прочность стеклопластика пропорционально четвертой степени доли твердой фазы, а по (4)— пропорционально квадрату. Прочность КМ существенно зависит и от пористости и от присутствия в материале низкомолекулярных продуктов, но описать влияние на прочность количественно пока не удавалось, В то же время экономически весьма выгодно более полное использование потенциальной прочности материала. Стабильное повышение надежности материалов и изделий требуют количественного описания прочно1789905

O„= Р - М9(Л + 1)) (1 - П)", где А и ri — постоянные для данного материала, при этом относительную прочность (гто>) первого образца используют для сравнения, 55 сти KM как функции поврежден ности (пористости и наличия летучих продуктов), но до настоящего времени такие работы не известны, Широко практикуется регулирование качества KM путем измерения параметров про4есса,, получения и изменения прочно4 4, стных характер4истик материала стандартными методами." Fo, такие методы определяют реальную (кажущуюся) прочно- 10 сть и не позволяют судить о потенциальной прочности.

Наиболее близким к предлагаемому является способ регулирования качества КМ, включающий ультразвуковое воздействие "5 при формовании стекло- и органопластиков, и испытание на прочность стандартными метОдами при различных видах нагружения.

Оптимизацию процесса проводили на основании исследования зависимостей величин 20 прочности от параметров ультразвуковой обработки. Достигнуто максимальное повышение прочности, например, при изгибе и сжатии до 20%, Эффект ультразвуковой модификации при получении КМ обеспечивается за счет повышения структурной однородности и снижения воздушных включений. Однако не определяется пористость материала и не приводится никакая зависимость, связывающая прочность и пори- З0 стость материала, следовательно, не проводится оптимизация материала по пористости, и поэтому, как и в других известных способах, не могут гарантироваться достижения максимально возможной проч- З5 ности данного материала.

Целью изобретения является повышение прочности композиционных материалов.

Поставленная цель достигается предла- 40 гаемым способом регулирования качества

КМ путем оптимизации процесса их получения, включающим изготовление образцов

КМ и исследование их свойств, в котором изготавливают два или более образцов КМ, причем второй и следующий образец с использованием одного или нескольких иэвестйъФ технологических приемов, влияющих на свойства материала, в готовых образцах определяют пористость (П, об. доля), содер- 50 жание низкомолекулярных продуктов (Л, мас.%) и рассчитывают относительную прочность (о„) по уравнению:

Главным отличием предлагаемого способа от известного (5) является количественное описание прочности материала как функции пористости и наличия летучих продуктов в материале, что позволяет выявить влияние различных технологических приемов не только на прочность, но также на пористость и содержание летучих продуктов в KM. Кроме того, установленная нами зависимость прочности от поврежденности позволяет определять относительную прочность, по которой можно судить, насколько свойства материала близки к максимально достижимым.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Изготавливают первый образец КМ любым известным способом: формование, мокрой или сухой намоткой, прессованием и др. по выбранному температурному режиму. Все компоненты связующего и армирующий наполнитель соответствуют ГОСТ.

Получают исходный контрольный образец

КМ, Второй образец КМ изготавливают тем же способом и по тому же температурному режиму, что и первый, но с применением операции очистки исходных компонентов материала, Для чего компоненты связующего освобождают от низкомолекулярных (летучих) продуктов, не вступающих в реакцию полимерообразования и/или образующих в процессе отверждения поры, любым способом, например, вакуумной отгонкой, продувкой инертным газом при повышенной температуре, армирующий наполнитель выдерживают при повышенной температуре и/или пониженном давлении в течение определенного времени, или, например, обрабатывают подходящим реагентом.

Третий и следующие образцы изготавливают как первый или второй, но применяют дополнительный технологический прием, например, вибрацию или ультразвуковую пропитку, или процесс формования и отверждения ведут в среде, исключающей захват низкомолекулярных продуктов (влаги) или газов, или изменяют количественный состав исходных компонентов.

В полученных образцах определяют пористость и содержание низкомолекулярных продуктов. Пористость материала определяют гидростатическим методом (6), включающим сушку образца до постоянного веса, нахождение начального объема гидростатическим взвешиванием, выдержку образца в жидкости при повышенной температуре, взвешивание образца в жидкости и на воздухе через определенные интервалы времени и расчет пористости по количеству

1789905 жидкости, заполняющей поры. Методом гидростатического взвешивания (6) по плотности рассчитывают содержание армирующего наполнителя (Рв). Рв может определяться и другими независимыми методами. Определяют содержание низкомолекулярных продуктов (Л) в образцах путем сушки образца в вакууме до постоянного веса, либо методом экстракции из образца в подходящем растворителе(ацетоне, спирте и др.).

Рассчитывают относительную прочность (00,) каждого образца по уравнению (1):

0.,=(1-а9(Л+1)) (1 - П)" (1) и сравнивают полученные данные с данными для первого образца (контрольного).

При разработке предлагаемого способа нами экспериментально установлено, что

15 реальная прочность композитов и ее снижение за счет пор и летучих продуктов описы- 20 вается уравнением (2);

CJon =Go PB (1 — А!9(Л + 1)l (1 — П)", (2) где Goo — опытная прочность, кгс/мм2;

0 — предельная (достижимая) прочность материала, не содержащего пор и летучих, при объемной доле волокна PB = 1;

fl — летучие, мас. ;

П вЂ” объемная доля пор;

А и и — экспериментальные постоянные материала.

ОТНОШЕНИЕ CJoo/Îo Рв = 0от ОТНОСИтельная прочность, и поэтому уравнение (2) получают форму

Oo = (1 lg(fl + 1)) . (1 fl)ï (1) 35 ::--:-Коэффициенты и и А определяются последовательно по результатам стандартных испытаний на прочность серий образцов материала, Установлено, что для органо- и углекомпозита коэффициент и = 3. Для определения коэффициента и используют образцы, содержащие одинаковое или близкое относительное количество низкомолекулярных продуктов. причем различия в пористости могут быть вызваны при изготовлении образцов введением порообразователей, Коэффициент А определяется из . графика п„п/Р, . (1. — П)" — Ig(fl + 1) как tg наклона прямой. Экспериментами установлено, что для органокомпозита А = 0,43 для углекомпозита А = 1,2, Исследованиями органо- и угольных КМ и изделий, в том числе промышленных, ус-. тановлено, что их относительная прочность составляет 40 — 70 от достижимой из-за наличия пор и летучих продуктов.

Нами показано, что наличие летучих низкомолекулярных продуктов в исходных компонентов существенно снижает прочностные характеристики КМ, И для получения изделий из КМ с повышенными прочностными свойствами и стабильной надежностью операции предварительного контролируемого удаления из исходных компонентов летучих продуктов являются весьма ответственными: использование только операций очистки исходных компонентов позволяет повысить относительную прочность получаемых КМ до 90-",ь.

Кроме того, обнаружено, что прочность

КМ имеет максимальную величину при определенном содержании армирующего волокна (Р ), что стало возможно установить благодаря учету влияния поврежденности (см. табл. 1).

Из табл, 1 видно, что по прочности оп тимум содержания волокна лежит в пределах 0,6 < Ре < 0,67, по экономичности оптимум составляет P> = 0,63. Таким образом. с целью выбора оптимальной плотности армирования (Р,) угольного композита, экспериментально по образцам и уравнению (1) определяют максимальную прочность материала в зависимости от объемной доли волокНа.

Пример 1. Для изготовления первого (контрольного) образца органокомпозита жгуты из арамидных волокон пропитывают связующим ЭДТ-10, состоящим из 10 частей эпоксидной смолы ЭД-20, 1 ч. триэтаноламинотитаната (ТЭАТ) и 1 ч. диглицидного эфира диэтиленгликоля (ДЭГ-1). Все компоненты связующего соответствуют ГОСТам.

Намоткой жгутов на оправку получают плиту однонаправленного органокомпозита толщиной 5 мм. Заготовку — плиту прессуют при давлении 0,2-0.5 Mfla и ступенчато нагревают: 10 — 12 ч при 160 С, затем 10 — 12 ч при

100 С и охлаждают до 20 С за 24 ч. По методике (6) гидростатическим взвешиванием определяют пористость П = 0,183 об.долей.

Экстракцией размельченного образца спиртом при кипячении в течение 30 ч с обратным холодильником и последующей сушкой установлено, что образец содержит летучих продуктов Л = 3,6 мас,%.

Рассчитывается относительная прочность образца контрольного по формуле (1)

0от = (1 - 0,43lg(1 + 3,6)) (1 — 0,183) = 0,4, Для органокомпозита n = 3 и (А) — 0,43.

Пример 2. Для изготовления второго образца однонаправленного органокомпозита берут исходные вещества те же, что и в примере 1. С тем отличием, что берут арамидное волокно СВМ, обработанное в течение 3 час при 250 С и давлении 3 — 4 торр.

Берут связующее ЭДТ- 1 О, состоящее из очищенных компонентов: 1) эпоксидной смолы

1789905

ЭД-20, очищенной продувкой инертного газа при 130 С в течение 4 ч при давлении 5—

8 торр; 2) продукта ЖЭГ-1, очищенного продувкой инертного газа при 95 С в течение 3 . ч при давлении.10 — 20 торр; 3) ТЭАТ, дега- 5 зированного при давлении 6-8 торр и температуре 100 — 120 С. Компоненты 1-3 смешивают в соотношении 10:1:1 мас,ч. Из очищенных волокон СВМ и связующего

ЭДТ-10 изготовляют намоткой заготовку од- 10 нонаправленного композита толщиной 5 мм,.Заготовку прессуют при давлении 0,2

0,5 МПа и отверждают, как указано в примере 1.

По методике {6) определяют П = 0,028 15 об. долей экстракцией спиртом в течение 30 ч и.последующей сушкой найдено, что Л =

=0,18 мас,%, Относительная прочность образца по уравнению (1) составляет o< > = 0,89, 20

Пример 3, Образец 3. Для изготовления образца органокомпозита берут исходные вещества, что и в примере 2. Из очищенных волокон СВМ и связующего с применением вибрации получают плиту од- 25 нонаправленного органокомпозита толщиной 5 мм. Плиту выдерживают при давлении

10 — 15 торр 20 — 30 мин и далее под давлением 0,2 — 0,5 МПа ступенчато нагревают как. в примере 1, 30

По методике (6) определяют П = 0,012 об. долей; экстракцией спиртом. — Л = 0,18 мас.%.

Относительная прочность по уравнению (1) составляет ц„= 0,93. 35

Пример 4, Контрольный образец углекомпо зита.

Жгут из углеродных волокон пропитывают раствором эпоксидной смолы ЭХД с ангидридным отвердителем (Мзо — MTI ФА). 40

Формула изобретения

Способ регулирования качества композиционных материалов путем оптимизации процесса их получения, включающий изготовление образцов композиционного материала и исследование их свойств, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения прочности материала, изготавливают два и более образца, причем второй и следующие образцы с использованием одного или нескольких известных технологических приПосле высушивания из жгутов на оправке диаметром 146 мм формуют кольцевые заготовки. Далее заготовки под давлением до 3

МПа отверждают по режиму, описанному в примере 1.

В полученном КМ по методике (6) определяют П = 0,051 об.долей; экстракцией спиртом определяют количество летучих продуктов в образце Л = 1,72 мас.%.

Рассчитывают по уравнению (1) относительную прочность образца аот = (1 — 1,2lg(1,72 — I)) (1 — 0,051) = 0,41.

Для углекомпозита ранее установлено, что и =3, А=1,2, Пример 5. Второй образец углеком-. позита. Как и в примере 4, изготовляют KM из углеродных волокон, пропитанных раствором эпоксидной смолы ЭХД, отверждаемой изо-МТГФА, но в отличие от процедуры, описанной в примере 4, высушивание жгутов ведут в течение 2 ч в вакууме при давлении 5 — 8 торр. Перед отверждением заготовку вакуумируют при остаточном давлении 3-4 торр и 80 С в течение 10 мин, и отверждают как в примере 1, В полученном образце по методике (6) определяют П = 0,017 об.долей, экстракцией определяют количество летучих Л = 0,6 мас.и по уравнению (1) рассчитывают о„=

=0,66, Таким образом, предлагаемый способ позволяет выявить и разделить влияние параметров различных технологических при-. емов на качество получаемых КМ и тем самым, используя тот или иной технологический прием, регулировать качество материала. Как видно из приведенных примеров предлагаемый способ позволяет достичь практически максимально возможной прочности КМ, емов, влияющих на свойства материала. в готовых образцах определяют пористость и содержание низкомолекулярных продуктов и рассчитывают относительную прочность

% по уравнению o„= (1 — AIg(JI + 1))х х (1 — П)", где П вЂ” пористость, об. доля; Л— содержание низкомолекулярных продуктов, мас.%; А и п — постоянные для данного материала, при этом относительную прочность первого образца используют для сравнения, 10

1789905

Таблица 1

Влияние содержания углеволокон (Р ) на прочность и стоимость углекомпозита (YK) *Плотность волокна — 1,77 т/м, плотность связующ. — 1,22 т/м; з з, ** Прочность неповрежденного УК;

*+* Стоимость углеволокно — 300 руб/кг, связующее — 40 руб/кг;

Таблица 2

Составитель В.Чистякова

Техред М.Моргентал Корректор Т.Палий

Редактор Т.Иванова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 346 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5