Введение к работе
Актуальность работы. Работа посвящена созданию и исследованию свойств композитных материалов градиентного типа. Формирование градиентной организации в композите позволяет получить плавное изменение механических свойств (модуля упругости, релаксационных процессов, твердости и др.) в пределах единого материала в заданном направлении. Получение композитов такого типа связано с решением как химической проблемы формирования полимерных матриц различного и специфического состава, так и с решением технологических задач формования самих композитов. В настоящем исследовании ставилась задача разработки усовершенствованного процесса, который позволит синтезировать матричные полимеры с заданными структурами на основе олигодиолов, диизоцианатов и эпоксиолигомеров при умеренных температурах непродолжительное время. Решалась задача подбора оптимальных условий структурирования с целью получения наиболее совершенных сеток (вариацией состава реакционной среды, последовательным дополнительным введением компонентов в ходе реакции, изменением температурных и временных условий процесса). Новый метод синтеза основан на всестороннем анализе современными физическими методами и позволяет реализовать в композите уникальные матричные свойства. Решения поставленных задач являются актуальными, поскольку позволяют не только задавать структурные особенности полимерным сеткам, но, и управлять процессом формирования полимерных материалов. Оптимизация процесса получения градиентных композитов позволяет использовать коммерчески доступные реагенты и различные типы армирующих наполнителей, осуществлять сам процесс формования композитов без сложного дополнительного оборудования при низких температурах в течение коротких циклов. В результате в промышленности может быть обеспечен высокий уровень их производства при минимальных затратах. Таким образом, разработанный метод имеет как научное, так и практическое значение. Цель работы заключалась:
-
в создании композитных материалов градиентного типа;
-
в подборе оптимальных условий синтеза матричных полимеров и определении его влияния на молекулярную структуру формирующихся сеток;
-
в изучении влияния условий синтеза и состава исходных компонентов на формирование различных топологических структур полимерных сеток, различающихся химическим строением и количеством изоциануратных циклов;
-
в установлении оптимальных режимов отверждения для получения более совершенных сеток химических связей, и, соответственно максимальных механических свойств композитов;
-
в изучении кинетических закономерностей при структурировании сложной градиентной организации в композите, состоящей из набора различных топологических структур;
-
в выяснении влияния термической предыстории и типа наполнителей на процесс деформирования и разрушения материалов.
Для достижения поставленных целей решались следующие задачи;
I) исследование химизма процесса образования сеток методами ЯМР- и ИК-спектроскопии;
-
изучение закономерностей и химизма процесса формирования сетчатых структур, состоящих из объемистых узлов сшивки и соединяющих их коротких и гибких цепей;
-
изучение влияния строения исходных диолов на топологическую структуру формирующейся сетки и свойства получаемых материалов;
-
изучение влияния полициклотримеризапионного способа на структурирование с учетом модификации условий синтеза;
-
определение оптимальных условий стадий отверждения для получения градиентных полимерных материалов с максимальными механическими (прочностными и релаксационными) свойствами;
-
оценка влияния сформированной сложной градиентной организации, состоящей из набора различных топологических структур, на характер механического релаксационного поведения;
-
установление влияния типа армирующего наполнителя на механические, свойства композитов градиентного типа;
-
установление предельных прочностных и деформационных свойств композитов;
-
определение закономерностей формирования квазиупругих свойств .композитов;
-
оценка состава микрофаз при микрофазовом расслоении на основе данных динамического механического анализа;
-
определение механических свойств исходных и армированных пленочных материалов і широком интервале температур.
Научная новизна заключается:
-
в разработанном методе синтеза сложных разветвленных и сетчатых структур на основі олигодиолов, диизоцианатов и эпоксиолигомеров, которые в процессе термоотверждеши формируются в сложную градиентную организацию в едином материале, состоящую и набора топологических структур различного состава;
-
в установлении оптимальных режимов отверждения всех стадий процесса; найдено, чк гелеобразование в полимерных матрицах осуществляется при комнатной температуре і течение 25-40 мин, а термоформование - до 45С (при структурировании редкой сетки), и Д( 85С при формировании частосетчатых структур в течение коротких временных циклої (разница в температурных и во временных данных зависит от химического строен») компонентов сетки);
-
в найденных оптимальных условиях процесса отверждения, приводящих к получении совершенной структуры сеток при сравнительно низких температурах;
-
в идентификации химического строения полученных сеток;
-
в нахождении оптимальных условий структурирования сложной градиентноі организации, формирующейся в композите;
-
в возможности компьютерного анализа состава микрофаз при микрорасслоенш полимерной системы, проведенного на основе экспериментально определенных температуї фазовых переходов;
-
в получении композитов градиентного типа с высоким уровнем изменения физико механических свойств в заданном направлении материала;
-
в достижении предельного рабочего интервала температур композитов от -60 до 360С;
-
в получении высокопрочных композитов: максимальная удельная ударная вязкость и прочность на изгиб ~ 80 кДж/м2 и - 170 МПа. соответственно;
-
в получении пленочных материалов, которые не проявляют хрупкости вплоть до температуры -100С; предельная деформация при этой температуре составляет 30%. Практическая значимость работы:
-
описанные технологические приемы позволят на практике разработать технологию промышленного получения изделий из градиентных материалов;
-
проблема резкого снижения избыточного давления при гидравлическом ударе может быть решена путем замены элементов трубопроводов композитами градиентного типа, что позволит исключить сложные специальные устройства (это подтверждает проведенный в работе анализ их возможного использования);
-
реализация различной градиентной организации в композите позволит использовать полимерные материалы во многих областях промышленного производства.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих научных конференциях и конгрессах: Фундаментальные и прикладные аспекты» (Судак, Украина 2006); 4-я научно-практическая конференция материаловедческих обществ России (Ершово, 2006); 1-я Международная конференция "Деформация и разрушение материалов" (Москва, 2006); 2-я Международная конференция "Деформация и разрушение материалов" (Москва, 2007); 12-я международная конференция молодых ученых "Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений - IV Кирпичниковские чтения" (Казань, 2008 г); 1-я Международная конференция "Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества" (Суздаль, 2008); 28-я Международная научно-практическая конференция "Композиционные материалы в промышленности" (Ялта, 2008 г); XVII Каргинские чтения, Москва-2010 МГУ; 30-я Юбилейная Международная научно-практическая конференция "Композиционные материалы в промышленности" (Ялта, 2010 г).
Работа отмечена серебряной медалью Международной выставки изобретений "IENA -2007" (Германия, Нюрнберг - 2007); золотой медалью и спец. призом 57-го Всемирного салона инноваций, научных исследований и новых технологий "Брюссель-Иннова-Эврика" (Бельгия, Брюссель - 2008); бронзовой медалью 61-ой Международной выставки изобретений "IENA -2009" (Германия, Нюрнберг - 2009); золотой медалью XVI Международной выставки-конгресса "Высокие технологии. Инновации. Инвестиции" (Hi-Tech) (Россия, Санкт-Петербург - 2010); золотой медалью 38-го Международного салона изобретений и новой техники и медалью за разработку метода получения полимерных материалов (Швейцария, Женева - 2010); дипломом 2-го Международного форума по интеллектуальной собственности"Expopriority-2010" (Москва-2010);золотой медалью 39-го Международного салона изобретений "INVENTIONS GENEVA" и медалью за разработку "Высокопрочные структурированные композиты" (Швейцария, Женева - 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 научных работ, в том числе: 18 статей в рецензируемых научных журналах, 9 тезисов докладов на конференциях.
Личный вклад автора в работы, выполненные в соавторстве и включенные в диссертацию, состоит в выборе цели, постановке задач и методов исследования, личном проведении большей части экспериментальных работ, обработке и интерпретации полученных результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, 3 глав диссертации (12 разделов), выводов и списка цитируемой литературы и приложений; содержит 153 страниц машинописного текста, 89 рисунков, 16 таблиц, список литературы из 113 наименований на 9 страницах.
