Введение к работе
Актуальность работы.
Полимерные композиционные материалы (ПКМ) и многослойные конструкции из стеклопластиков с легкими заполнителями обладают комплексом уникальных прочностных и электрофизических свойств, что способствует их внедрению в различные области техники. Для снижения массы и регулирования радиотехнических характеристик изделий в качестве композиционных материалов используют многослойные сэндвич - панели из армированного стеклопластика и легкого сферопластика на основе полых стеклянных микросфер (ПСМС) и эпоксидных олигомеров (ЭО). Освоение отечественного производства полых стеклянных микросфер (ПСМС) на ОАО «НПО Стеклопластик» (пос. Андреевка, Московская обл.), способных конкурировать на мировом рынке, позволяет уже сегодня решать практические задачи по созданию ПКМ нового поколения.
Жесткие требования, предъявляемые к комплексу технических характеристик специальных материалов, выдвигают для решения ряд научно-технических задач, направленных на модификацию и создание новых теплостойких (до 250оС) низковязких эпоксидных связующих, оптимизацию составов, параметров структуры и регулирование реологических и реокинетических характеристик сферопластиков.
Направленное регулирование реологических характеристик и температуры размягчения сферопластиков на основе ЭО и их смесей позволяет вести их переработку различными методами и разрабатывать новые технологии получения полуфабрикатов из сферопластиков, многослойных конструкций из стеклопластиков с легкими заполнителями и изделий сложной конфигурации с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Решение данной проблемы является комплексной и актуальной задачей современного полимерного материаловедения и технологии переработки полимерных композиционных материалов в изделия специального назначения.
Цель работы. Разработка новых теплостойких технологичных полимерных связующих на основе полифункциональных эпоксидных олигомеров и технологии получения сферопластиков с регулируемыми реологическими характеристиками, препрегов из сферопластиков на основе полых стеклянных микросфер и многослойных конструкций из стеклопластиков с легкими заполнителями с улучшенными эксплуатационными свойствами.
Достижение поставленной цели требует решения следующих основных задач:
-
Исследование комплекса реологических свойств полимерных связующих на основе полифункциональных эпоксидных олигомеров и их смесей, в присутствии активных разбавителей, аминных отвердителей разной функциональности, низкомолекулярных эпоксидных олигомеров.
-
Изучение реокинетики при отверждении полифункционального эпоксидного олигомера аминными отвердителями разной функциональности в присутствии активных разбавителей.
-
Определение комплекса основных характеристик полых стеклянных микросфер (ПСМС) отечественных промышленных марок и специальных составов с плотной упаковкой частиц, а также расчет параметров дисперсно-наполненной структуры для создания сферопластиков различного применения;
-
Исследование реологических и реокинетических свойств сферопластиков с различными параметрами структуры на основе разработанных эпоксидных связующих;
-
Изучение влияния состава эпоксидных связующих и параметров структуры сферопластика на его температуру размягчения и способы ее регулирования для получения и переработки сферопластика различными методами;
-
Изучение комплекса теплофизических, физико-механических характеристик эпоксидных матриц и сферопластиков от состава эпоксидного связующего, содержания ПСМС и параметров структуры дисперсно-наполненных ПКМ;
-
Оптимизация составов сферопластика с различными реологическими характеристиками и разработка технологий получения многослойных конструкций из стеклопластиков с легким заполнителем на основе теплостойкого эпоксидного связующего и изделий с низкой плотностью, диэлектрической проницаемостью и тангенсом диэлектрических потерь радиотехнического назначения.
Научная новизна работы заключается в разработке теплостойкого низковязкого эпоксидного связующего, сферопластиков с регулируемыми реологическими характеристиками и температурой размягчения, и стеклопластиков с легким заполнителем с улучшенным комплексом эксплуатационных свойств:
показано, что активный разбавитель на основе производных глицидилового эфира и фурфурилового спирта снижает вязкость связующего и повышает температуру стеклования матрицы на основе полифункционального эпоксидного олигомера до 278оС при отверждении системы ароматическим диамином при 170оС;
впервые установлена связь обобщенных параметров (, В и М) структуры сферопластиков с реологическими и диэлектрическими свойствами, предложены уравнения для описания эффективной вязкости и предела текучести систем;
впервые показано, что взаимодействие аминных групп на поверхности аппретированных ПСМС приводит к увеличению скорости отверждения и снижению времени гелеобразования эпоксидных олигомеров;
установлено, что температуру размягчения эпоксидного связующего и сферопластика можно регулировать в интервале 20-120оС путем изменения ММР и ММср ЭО и их смесей, а также введения модификаторов удлинения цепи.
Практическая значимость работы.
В результате проведенных исследований разработаны составы теплостойких (до 280оС) низковязких связующих на основе полифункционального эпоксидного олигомера, модифицированного активным разбавителем, формирование пространственно-сшитой структуры которого завершается при температуре отверждения не более 180оС, что является технологическим достижением при получении теплостойких многослойных стеклопластиков.
Определены и оптимизированы составы сферопластиков на основе ПЭО, ЭО и их смесей с заданными обобщенными параметрами структуры и регулируемыми реологическими свойствами и температурой размягчения, предложены технологические режимы и различные технологические схемы получения препрегов из сферопластиков с разной температурой размягчения.
Разработана технология получения сферопластиков с низкой плотностью (0,4 - 0,6г/см3) и диэлектрической проницаемостью ( 2,0) на основе ПЭО, ЭО и их смесей с прочностью при сжатии от 40 до 60 МПа, модулем упругости при сжатии от 2300 до 2600 МПа для создания стеклопластиков с легким заполнителем.
Разработаны составы и многослойные конструкции из стеклопластиков с легким заполнителем – сферопластиком с низкой плотностью (0,65 – 0,78г/см3), диэлектрической проницаемостью ( 2,0), высокими прочностными характеристиками и водостойкостью для получения облегченных на 25-70% изделий сложной конфигурации радиотехнического назначения.
В ОАО «НПО Стеклопластик» были выпущены опытные партии сферопластика, препрегов с регулируемыми реологическими характеристиками и температурой размягчения, а также стеклопластиков с легкими заполнителями – сферопластиками, на разработанных теплостойких низковязких эпоксидных связующих с улучшенным комплексом эксплуатационных свойств.
Апробация работы. Результаты работы доложены на: XІV Международной конференции «Наукоемкие химические технологии-2012» Тула, 21 - 25 мая, 2012; Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии глубокой переработки сырья – основа инновационного развития экономики России», Москва, ВИАМ, 25-28 июня, 2012; XI Международной конференции по химии и физикохимии олигомеров «Олигомеры-2013», Ярославль, 9-14 сентября, 2013; V Всероссийской научной конференции «Физикохимия процессов переработки полимеров» Иваново, 16-19 сентября, 2013.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 6 статей в рекомендуемых ВАК РФ журналах, тезисы 6 докладов в сборниках материалов конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения; литературного обзора (глава 1); объектов и методов исследования (глава 2) и глав 3 и 4, посвященных изложению основных результатов и их обсуждению; выводов; списка литературы из 130 наименований и 3-х приложений. Объем основного текста диссертации содержит 148 страницы машинописного текста, 30 таблиц и 56 рисунков.1
