Вибропоглощающая эпоксидная композиция
Владельцы патента RU 2258720:
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова (АлтГТУ) (RU)
Изобретение относится к способу получения вибропоглощающей эпоксидной композиции, которая может быть использована в различных отраслях промышленности, в частности для установки турбогенераторов, судовых двигателей, лебедок и другого оборудования. Композиция содержит следующее соотношение компонентов, мас.%: 20,7-40,8 эпоксидной диановой смолы, 5,8-10,2 активного разбавителя, 41,8-62,4 минерального наполнителя, 7,2-11,1 аминного отвердителя. В качестве минерального наполнителя используют волластонит с содержанием игольчатой фракции не менее 30% при соотношении длины к толщине иголки 5:1 и длине иголки не более 63 мкм. Изобретение позволяет получать композицию с повышенными механическими характеристиками и высокими демпфирующими свойствами. 2 табл.
Изобретение относится к синтетическим конструкционным композициям, используемым в качестве вибропоглощающих материалов в различных отраслях промышленности, в частности для установки турбогенераторов, судовых двигателей, лебедок и другого оборудования.
Известна высоконаполненная композиция для получения композиционного материала, содержащая эпоксидную диановую смолу, активный разбавитель, минеральный наполнитель и аминный отвердитель. В качестве минерального наполнителя использована твердокаменная порода фракций 0,063-0,315 мм и 0,63-100 мм (см. авторское свидетельство СССР №1240772, кл. С 08 L 63/00).
Основными недостатками вышеописанной высоконаполненной композиции являются исключение возможности использования ее в качестве вибропоглощающей композиции вследствие отсутствия демпфирующих свойств, а также низкие характеристики прочности (порядка 30 МПа).
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технологической сущности (прототип) является вибропоглощающая эпоксидная композиция, содержащая в мас.ч. 36-40 эпоксидной диановой смолы, 7-8 аминного отвердителя, 25-27 активного разбавителя и 15-20 минерального наполнителя - асбест (патент RU 2196795 от 20.01.2003 г.).
Основными недостатками этой композиции являются низкие характеристики прочности, твердости и модуля упругости. Она как любой клей не может быть применена в толщинах порядка десятков миллиметров, что необходимо, например, при создании вибропоглащающей прокладки под судовыми и другими мощными двигателями. Кроме того, применяемый в качестве минерального наполнителя асбест обладает высокой токсичностью.
Предлагаемым изобретением решается задача получения вибропоглощающей эпоксидной композиции с повышенными характеристиками прочности, твердости, упругости, высокими демпфирующими свойствами, которую можно применять в толщинах слоя порядка нескольких десятков миллиметров.
Для достижения данного технического результата вибропоглощающая эпоксидная композиция, содержащая эпоксидную диановую смолу, активный разбавитель, минеральный наполнитель и аминный отвердитель, содержит в качестве минерального наполнителя волластонит при следующем соотношении компонентов, мас.%: эпоксидная диановая смола - 20,7-40,8; активный разбавитель - 5,8-10,2; волластонит - 41,8-62,4; аминный отвердитель - 7,2-11,1. Волластонит использован с содержанием не менее 30% мас. игольчатой фракции с длиной иголки не более 63 мкм и соотношении длины к толщине иголки 5:1.
Волластонит может быть использован аппретированным γ-аминопропилтриэтоксисиланом в количестве 0,2-1,0% от массы волластонита.
Получение вибропоглощающей эпоксидной композиции с повышенными характеристиками прочности, твердости, упругости, высокими демпфирующими свойствами обеспечивается, во-первых, высокой степенью наполнения материала - при отверждении композиции частицы минерального наполнителя образуют кластерную структуру, которая препятствует распространению движения микротрещин и движению дислокации в материале; во-вторых, аппретированием минерального наполнителя перед созданием материала γ-аминопропилтриэтоксисиланом, являясь поверхностно-активным веществом, γ-аминопропилтриэтоксисилан улучшает взаимодействие на границе раздела эпоксидная диановая смола - наполнитель; в-третьих, игольчатой формой частиц волластонита, которая способствует увеличению механических свойств по сравнению с частицами другой формы.
Содержание в вибропоглощающей эпоксидной композиции волластонита 41,8-62,4 мас.% является оптимальным, так как при данной степени наполнения образуется необходимая кластерная структура материала.
При содержании волластонита в вибропоглощающей эпоксидной композиции менее 41,8 мас.% частицы волластонита в материале распределяются независимо друг от друга и не образуют кластерной структуры, что снижает прочностные и деформативные характеристики материала.
При содержании волластонита в вибропоглощающей эпоксидной композиции более 62,4 мас.% эпоксидная диановая смола уже не может обеспечить смачивание всех частиц волластонита. При этом появляются частицы, не связанные граничным слоем со смолой, что существенно снижает прочностные и деформативные характеристики материала.
Содержание в композиции эпоксидной диановой смолы зависит от содержания минерального наполнителя. При увеличении содержания волластонита содержание эпоксидной диановой смолы уменьшается, а при уменьшении содержания волластонита содержание эпоксидной диановой смолы увеличивается.
Содержание аминного отвердителя в количестве 7,2-11,1 мас.% к общей массе композиции является оптимальным и рассчитывается в зависимости от количества эпоксидной диановой смолы (см. Кардашов Д.А. Конструкционные клеи. - М., Химия, 1980).
Оптимальное содержание активного разбавителя составляет 5,8-10,2 мас.% и рассчитывается в зависимости от количества эпоксидной диановой смолы и содержания волластонита (см. Кардашов Д.А. Конструкционные клеи. - М., Химия, 1980).
Аппретированние волластонита γ-аминопропилтриэтоксисиланом позволяет улучшить взаимодействие на границе раздела эпоксидная диановая смола - минеральный наполнитель. Аппрет создает на поверхности минерального наполнителя оболочку, содержащую активные группы, которые при взаимодействии с активными группами эпоксидной диановой смолы образуют прочные связи.
Количество γ-аминопропилтриэтоксисилана, составляющее 0,2-1,0% от массы волластонита, является оптимальным, что подтверждается литературными данными (см. Принципы создания композиционных материалов / А.А.Берлин, С.А.Вольфсон, Н.С.Еникополов - М., Химия, 1990. - 240 с.).
При содержании в композиции γ-аминопропилтриэтоксисилана менее 0,2% от массы волластонита не обеспечиваются условия для образования достаточного количества активных групп на поверхности минерального наполнителя, что снижает прочность связи по границе раздела.
При использовании γ-аминопропилтриэтоксисилана в количестве более 1,0% от массы волластонита сокращается время отверждения композиции, что исключает возможность ее хранения.
Предлагаемое изобретение поясняется таблицей 1, в которой приведены составы образцов из вибропоглощающей эпоксидной композиции, и таблицей 2, в которой приведены показатели механических характеристик образцов из вибропоглощающей композиции.
В таблицу 1 внесены следующие дополнительные обозначения:
"Вол" - волластонит непрокаленный, неаппретированный;
"Вол а" - волластонит непрокаленный, аппретированный γ-аминопропилтриэтоксисиланом;
"Вол с" - волластонит прокаленный при 300°С в течение трех часов, аппретированный γ-аминопропилтриэтоксисиланом;
активный разбавитель №1 - фенилглицидиловый эфир;
активный разбавитель №2 - бутилглицидиловый эфир;
активный разбавитель №3 - крезилглицидиловый эфир;
ТЭТА - триэтилентетраамин;
ДЭТА - диэтилентриамин.
Пример. В качестве исходных компонентов вибропоглощающей эпосидной композиции использовали эпоксидные диановые смолы типов ЭД-16, ЭД-20 и активные разбавители: бутилглицидиловый эфир, крезилглицидиловый эфир, фенилглицидиловый эфир; волластонит с содержанием игольчатой фракции не менее 30 мас.% при соотношении длины к толщине иголки 5:1 и длине иголки не более 63 мкм, причем содержание волластонита составило 41,8-62,4 мас.%; аминный отвердитель - алифатические амины этиленового ряда типа диэтилентриамина (ДЭТА), триэтилентетраамина (ТЭТА), причем содержание аминного отвердителя составило 7,2-11,1 мас.%. Использовали волластонит неаппретированный и аппретированный γ-аминопропилтриэтоксисиланом в количестве 0,2-1,0% от массы волластонита.
Вибропоглощающую эпоксидную композицию приготовляли следующим образом. Сначала 70 мас.% эпоксидной диановой смолы разбавляли 100% активного разбавителя. Затем разбавленную эпоксидную диановую смолу перетирали с волластонитом. После этого добавляли оставшиеся 30 мас.% эпоксидной диановой смолы и производили дальнейшее перемешивание. Далее добавляли аминный отвердитель и перемешивали полученную массу.
Отверждение происходило в течение 12 часов при нормальных условиях. Полученную композицию можно использовать через 28 часов.
Образцы из вибропоглощающей эпоксидной композиции заявляемого состава, как следует из приведенных в таблицах 1 и 2 данных, имеют повышенные механические характеристики: предел прочности при сжатии от 108 до 156 МПа, модуль упругости при сжатии от 2240 до 3790 МПа, коэффициент вибропоглощения η от 0,35 до 0,44, твердость НВ 27-35.
Увеличение содержания волластонита от 41,8 до 62,4 мас.% приводит к увеличению механических характеристик композиции.
Применение волластонита с содержанием игольчатой фракции менее 30% приводит к тому, что прочность композиции становится равной прочности ненаполненного полимера, то есть прочности матрицы, в результате чего пропадает смысл наполнения с целью упрочнения. Применение волластонита с длиной игл более 63 мкм вызывает возникновение масштабного фактора, который заключается в росте дисперсии прочности по длине иглы, в результате чего увеличивается доля дефектных областей, что приводит к снижению прочности композиционного материала. При применении волластонита с соотношением длины игл к их толщине менее чем 5:1 эффект упрочнения не возникнет, так как форма частицы становится близкой к округлой, что снижает ее упрочняющую способность. При больше чем 5:1 напряжение в волокне превышают предел его прочности, что приведет к динамическому разрушению материала.
Таким образом, использование волластонита в качестве минерального наполнителя в совокупности с остальными компонентами композиции позволяет ее использовать в качестве вибропоглощающего материала с повышенными механическими характеристиками.
Вибропоглощающая эпоксидная композиция
| Таблица 1 Составы образцов из вибропоглощающей эпоксидной композиции | ||||||||
| № состава | Эпоксидиановая смола | Минеральный наполнитель | Аминный отвердитель | Активный разбавитель | ||||
| тип | масс. % | тип | мас.% | тип | мас.% | тип | мас.% | |
| 1 | ЭД-20 | 40,8 | Вол | 41,8 | ТЭТА | 7,2 | №2 | 10,2 |
| 2 | ЭД-20 | 40,8 | Вол а | 41,8 | ДЭТА | 7,2 | №1 | 10,2 |
| 3 | ЭД-20 | 36,4 | Вол а | 45,4 | ДЭТА | 9,1 | №2 | 9,1 |
| 4 | ЭД-20 | 36,6 | Вол с | 45,7 | ДЭТА | 8,6 | №1 | 9,1 |
| 5 | ЭД-16 | 36,5 | Вол с | 45,6 | ТЭТА | 8,8 | №1 | 9,1 |
| 6 | ЭД-16 | 37,1 | Вол | 46,4 | ТЭТА | 7,2 | №1 | 9,3 |
| 7 | ЭД-20 | 33,4 | Вол с | 51,0 | ТЭТА | 7,2 | №1 | 8,4 |
| 8 | ЭД-20 | 33,4 | Вол с | 51,0 | ДЭТА | 7,2 | №2 | 8,4 |
| 9 | ЭД-20 | 31,0 | Вол с | 54,6 | ДЭТА | 8,9 | №2 | 5,5 |
| 10 | ЭД-20 | 31,0 | Вол с | 54,6 | ДЭТА | 8,9 | №1 | 5,5 |
| 11 | ЭД-20 | 31,0 | Вол с | 54,6 | ДЭТА | 8,9 | №2 | 5,5 |
| 12 | ЭД-20 | 20,7 | Вол с | 62,4 | ДЭТА | 11,1 | №1 | 5,8 |
| 13 | ЭД-20 | 20,7 | Вол с | 62,4 | ДЭТА | 11,1 | №2 | 5,8 |
| Таблица 2 Показатели механических характеристик образцов из вибропоглощающей эпоксидной композиции | ||||
| № состава | Предел прочности при сжатии, МПа | Предел прочности при сдвиге, МПа | Модуль упругости, МПа | Твердость НВ |
| 1 | 132 | 31 | 2280 | 31 |
| 2 | 132 | 31 | 2900 | 33 |
| 3 | 108 | 25 | 2660 | 33 |
| 4 | 125 | 29 | 2240 | 27 |
| 5 | 119 | 28 | 3080 | 27 |
| 6 | 138 | 32 | 2270 | 32 |
| 7 | 141 | 33 | 2390 | 35 |
| 8 | 138 | 32 | 2270 | 32 |
| 9 | 128 | 30 | 3060 | 29 |
| 10 | 150 | 35 | 3600 | 33 |
| 11 | 130 | 30 | 3100 | 35 |
| 12 | 156 | 37 | 3790 | 33 |
| 13 | 150 | 35 | 3570 | 35 |
| Прототип | (σотр=25) | 15-17 | - | - |
1. Вибропоглощающая эпоксидная композиция, содержащая эпоксидную диановую смолу, активный разбавитель, минеральный наполнитель и аминный отвердитель, отличающаяся тем, что в качестве минерального наполнителя содержит волластонит с содержанием игольчатой фракции не менее 30% при соотношении длины к толщине иголки 5:1 и длине иголки не более 63 мкм, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Эпоксидная диановая смола | 20,7-40,8 |
| Активный разбавитель | 5,8-10,2 |
| Вышеуказанный волластонит | 41,8-62,4 |
| Аминный отвердитель | 7,2-11,1 |
2. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что волластонит использован аппретированным γ-аминопропилтриэтоксисиланом в количестве 0,2-1,0% от массы волластонита.
