Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Информационный анализ 8
1.1. Физическая модификация полимеров 8
1.2. Классификация электромагнитных колебаний 11
1.3. Влияния колебательных воздействий на процессы структурообразования в полимерах 13
1.4. Источники СВЧ колебаний 17
1.5. Влияние СВЧ на различные диэлектрические среды 19
1.6. Конкуренция процессов линейного роста и сшивания 20
1.7. Предварительная обработка СВЧ 21
1.8. Пултрузия 22
1.9. Типы отвердителей 23
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования 25
2.1 Объекты исследования 25
2.2 Методы исследования 31
ГЛАВА 3. Применение СВЧ в технологии термопластов 38
3.1. Изучение влияния кратковременной СВЧ обработки гранул полиэтилена высокого давления на свойства, полученного из них изделия 38
3.2. Изучение влияния кратковременной СВЧ обработки гранул полиамида высокого давления на свойства, полученного из них изделия 44
3.3. Изучение влияния кратковременной СВЧ обработки гранул полиамида стеклонаполненного высокого давления на свойства,
полученного из них изделия 49
3.4. Изучение влияния кратковременной СВЧ обработки гранул полиэтилентерефталата высокого давления на свойства, полученного из них изделия 54
3.5 Изучение влияния кратковременной СВЧ обработки на водопоглощение
3.6. Изучение кинетики упрочнения поликапроамида в результате кратковременной СВЧ обработки исходного материала 64
ГЛАВА 4. Применение СВЧ в технологии армированных реактопластов 80
4.1. Изучение влияния СВЧ обработки на прочностные характеристики ПКМ на основе эпоксидной смолы, армированной капроновыми нитями 80
4.2. Изучение влияния СВЧ обработки на прочностные характеристики ПКМ на основе эпоксидной смолы, армированной стеклянными нитями 87
Глава 5. Оценка технического уровня разработанных полимерных композиционных материалов 94
Глава 6. Описание технологической схемы получения полимерных композиционных материалов 99
Глава 7. Технико-экономическое обоснование эффективности применения новых технологических приемов 103
Заключение 106
Список сокращений и условных обозначений 108
Список использованной литературы
- Влияния колебательных воздействий на процессы структурообразования в полимерах
- Изучение влияния кратковременной СВЧ обработки гранул полиамида высокого давления на свойства, полученного из них изделия
- Изучение влияния кратковременной СВЧ обработки гранул полиэтилентерефталата высокого давления на свойства, полученного из них изделия
- Изучение влияния СВЧ обработки на прочностные характеристики ПКМ на основе эпоксидной смолы, армированной стеклянными нитями
Введение к работе
Актуальность темы исследования. На данный момент, актуальной является проблема совершенствования технологических приемов при получении полимерных композиционных материалов (ПКМ). Исследование технологий, которые базируются на малостадийных с пониженной материалоемкостью процессах, использование новых технологических приемов для придания ПКМ требуемых качественных характеристик, а также созданием новых технологий, отвечающих технологическим, экономическим и экологическим требованиям.
Применение предварительной СВЧ обработки материала является одним из видов физической модификации при получении ПКМ.
Рассматриваемые в работе физические воздействия СВЧ, вызывают протекание в материале сложных физико-химических процессов.
Необходимость в альтернативных технологиях модификации полимеров связана, в некоторых случаях, с многостадийностью традиционных процессов, высокими энерго- и трудовыми затратами, экологической напряженностью производства. Интенсивные исследования по применению электрофизических методов обработки материалов и изделий показали эффективность использования для этой цели энергии сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний.
В связи с этим исследования, направленные на создание модифицированных ПКМ с повышенным комплексом физико-механических характеристик, являются актуальными.
Степень разработанности темы. Применение электромагнитных
колебаний СВЧ в качестве физической модификации в технологии полимерных материалов представлено в работах Лаврентьева В.А., Кузеева И.Р., Морозова Г.А., Архангельского Ю.С, Устиновой Т.П., Калгановой С.Г., Лебедева И.В. и других авторов.
Несмотря на наличие значительного количества исследований по теме
диссертационной работы, решены не все проблемы, связанные с повышением
комплексов свойств путем предварительной обработки материалов
электромагнитным излучением СВЧ.
Цель работы: изучение применения СВЧ колебаний в технологии полимерных материалов на стадии предварительной обработки термопластов и препрегов.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
1. Анализ существующих подходов по применению СВЧ в технологии
полимерных материалов.
2. Разработка методики применения СВЧ в технологии изделий из
полимерных материалов.
-
Применение СВЧ колебаний в технологии переработки термопластов.
-
Применение СВЧ колебаний в технологии армированных реактопластов.
-
Исследование структуры и свойств получаемых материалов.
6. Исследование влияния технологических параметров на свойства
получаемых материалов.
Научная новизна работы заключается в том, что:
– Теоретически обоснована эффективность применения СВЧ модификации на основе сравнительного анализа частот собственных колебаний элементов структуры обрабатываемых полимеров и СВЧ колебаний;
– Изучена кинетика физико-химического процесса упрочнения. Показано, что стабильную температуру можно поддерживать путем варьирования продолжительности и мощности облучения;
– Исследованы физико-химические особенности упрочняющего влияния СВЧ обработки на деформационно-прочностные характеристики композитов на основе исследуемых материалов. Установлен механизм упрочняющего влияния колебаний СВЧ без изменения агрегатных состояний изученных термо- и реактопластов, заключающийся в образовании дополнительного количества водородных связей в модифицированных композитах.
Достоверность и обоснованность научных положений, практических
рекомендаций, обобщенных результатов и выводов подтверждается
экспериментальными данными, полученными с применением комплекса независимых и взаимодополняющих методов исследования. Полученные результаты находятся в соответствии с законами классической физики и не противоречат основам физико-химии полимеров и композитов. Рекомендуемая технология базируется на эффектах, величина которых значительно выше погрешностей в определении параметров оптимизации.
Практическая значимость заключается в разработке метода изготовления
высоконаполненной полимерной арматуры с применением физической
модификации, отвечающей требованиям многих отраслей промышленности, в
частности, строительной индустрии. Предложена технологическая схема
производства высоконаполненной полимерной арматуры. Установлены
технологические параметры производства. Разработанная технология
рекомендуется к внедрению, так как она позволяет получить материал с более высокими эксплуатационными свойствами, а полученные результаты достаточно надежны и воспроизводимы.
Методологической основой диссертационного исследования послужил современный опыт ведущих отечественных и зарубежных исследователей в области применения различных видов физической модификации для улучшения свойств материалов. Исследование проводилось с применением стандартных методов исследования свойств материалов, а также методов инфракрасной спектроскопии (ИКС) на приборе Shimadzy IRTracer-100, оптической микроскопии на приборе Carl Zeiss AG Imager A2m, термогравиметрического анализа на приборе TA Instruments Q600.
Положения, выносимые на защиту:
– Разработка методики применения СВЧ в технологии полимерных материалов (термопластов и реактопластов);
– Разработка нового способа измерения температуры в СВЧ устройстве для
получения заданной температуры материала при различных мощностях и
продолжительностях предварительной обработки;
– Комплексное исследование структуры и свойств получаемых материалов;
– Исследование влияния технологических параметров на свойства получаемых материалов.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность
результатов исследования подтверждается достаточным объемом
экспериментальных данных, полученных с применением широкого спектра
современного экспериментального оборудования, их глубоким анализом и корректной статистической обработкой.
Основные положения и результаты, представленные в диссертационном
исследовании, обсуждались на международных и всероссийских конференциях:
Международной научно-практической конференции «Перспективные технологии
и оборудование для производства и переработки волокнистых и плёночных
материалов» (Могилев, 2011), Международной конференции «Композит-2013»
«Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные
технологии. Переработка. Применение. Экология» (Саратов, 2013),
Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы
развития химии, нефтехимии и нефтепереработки» (Нижнекамск, 2014), VI
Международной научно-инновационной молодежной конференции
«Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент» (Тамбов, 2014).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 11 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ и 1 патент.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, информационного анализа, методической части, экспериментальных частей, заключения, списка использованной литературы и приложений.
Влияния колебательных воздействий на процессы структурообразования в полимерах
Широкий спектр применения полимерных композиционных материалов в нашем обществе связан с тем, что периодически разрабатываются новые методы модификации полимерных материалов. Главное направление развития промышленности пластмасс заключается не только в разработке новых материалов, но и в модификации уже известных полимерных композиционных материалов. Модификацию можно осуществлять на разных стадиях переработки, применения или получения: при синтезе; на стадии переработки полимера в изделие; при обработке готового полимера; при обработке готового изделия. Выбор типа модификации выбирают исходя из строения полимера. Методы физической модификации пригодны практически для всех видов полимерных материалов. За счет воздействия физических факторов (температуры, мощности облучения, давления и т.п.) происходят химические, структурно-физические и другие превращения в структуре полимерного материала [12-16].
В настоящее время помимо расширения ассортимента полимерных изделий и совершенствования технологии их производства, придают значение также способам повышения их качества, обеспечению надежности в условиях длительной эксплуатации, улучшению комплекса физико-механических свойств, модификации и расширению направлений использования.
Все методы модификации принято делить на физические и химические. Нужно отметить, что методы химической модификации полимерных материалов, основанные на замене одних компонентов на другие, изменении состава композиции или введение дополнительных компонентов, себя исчерпали и считаются малоэффективными, а из-за слабых финансовых возможностей предприятий еще и экономически затратные. За счет этого актуальность получили исследования, направленные на поиск методов физической модификации, которые позволили бы улучшить свойства материалов и снизить материалоемкость производства без изменения основного состава. Огромное распространение получили тепловые воздействия, так как они используются в таких процессах как нагрев и сушка. Но в то же время эксперименты, проведенные на органном, клеточном и молекулярном уровне, показывают, что к действию нетепловых электромагнитных колебаний чувствительны живые системы. Почти во всех случаях нагрев любого физического тела происходит за счет теплопроводности, передачей тепла снаружи во внутрь.
Методы физической модификации можно разделить на ориентирующие и энергетически подпитывающие. К ориентирующим относится обработка олигомерсодержащих систем в постоянных магнитных (ПМП) и электрических полях (ПЭП). К энергетически подпитывающим воздействиям можно отнести тепловые обработки и все переменные воздействия: механические и акустические колебания, переменные электрические и магнитные поля, электромагнитные колебания в широком диапазоне с длиной волны от величины порядка ангстрема до дециметров. Например, есть известные электрофизические методы, такие как лазерное излучение, они не вызывают нагрева, но приводят к изменениям физико-механических свойств, а иногда даже к полной модификации.
Эффективным методом модификации является обработка СВЧ излучением (СВЧ). Одно из важнейших целей модификации полимерной арматуры это повышение прочностных характеристик, которое достигается путем модификации армирующих систем или полимерной матрицы [17-19].
Передача тепла происходит за счет тепловодности, конвекции и излучения и из-за этого происходит большой перепад температур от поверхности к глубине материала, причем, чем меньше теплопроводность, тем он больше. Уменьшить его можно, увеличив время обработки. Иногда, избежать перегрева поверхности обрабатываемого материала можно только за счет более медленного нагрева. Примером такого процесса может быть получение полимерных соединений или обжиг керамики.
Энергия СВЧ позволяет не только производить равномерный нагрев диэлектрика по всему его объему, но также получать любое распределение температур. При СВЧ нагреве появляются возможности во много раз ускорить некоторые технологические процессы.
Модификация СВЧ излучением, позволяет не только провести нетепловую обработку но и имеет ряд преимуществ: - объемное проникновение электромагнитной волны в структуру материала позволяет интенсифицировать процесс нетеплового воздействия; - очень высока скорость воздействия; - не загрязняет изделие в процессе воздействия; - возможность точного регулирования мощности СВЧ излучения; - экологически благоприятные условия. Равномерное распространение тепла по объему достигается подбором оптимальной частоты колебаний и параметров камеры, в которой происходит изменение СВЧ энергии в тепловую. Также, отмечается простота подачи СВЧ энергии к любому участку материала. Возможность мгновенного включения и выключения воздействия на обрабатываемое тело (тепловая безынерционность). Благодаря этому большая точность в регулировке процессов нагрева и возможность полного воспроизведения [20]. Главным достоинством СВЧ излучения является высокое преобразование энергии СВЧ в тепловую. Стенки рабочих камер всегда холодные, что позволяет достичь комфортные условия для персонала.
Изучение влияния кратковременной СВЧ обработки гранул полиамида высокого давления на свойства, полученного из них изделия
Электромагнитные колебания приводят к постоянному сдвигу молекул, они выстраиваются согласно силовым линиям, образуя диполи, обладающие дипольным моментом. Из-за того, что поле переменное диполи начинают менять направление, сдвигаясь, молекулы ударяются друг о друга и передают энергию соседним молекулам. А так как температура прямо пропорциональна кинетической энергии движения молекул, то перемешивание увеличивает температуру. Механизм перевода энергии электромагнитного излучения в тепловую энергию называется дипольным сдвигом [49-51].
Дипольный момент наблюдается в основном для тех молекул, где распределение ядерного и электронного зарядов без центра симметрии. Полярность фрагментов молекул или химических связей между двумя атомами определяется как величина, соответственного дипольного момента: чем больше он, тем сильнее полярность. Под действием внешнего электрического поля вещество поляризуется, таким образом, возникает дипольный момент единицы объема. Для веществ, в основном состоящих из полярных молекул, поляризация обусловлена смещением электронной плотности под влиянием поля и ориентацией молекул в поле. Тепловое движение препятствует ориентации молекул, следовательно, определять дипольный момент молекул можно изучая зависимости поляризации от температуры [52-53]. В силу изложенного, полимеры, содержащие полярные группы с большим дипольным моментом (ПЭТФ, ПАН и другие), более подвержены влиянию СВЧ, чем неполярные полимеры [54].
Рассмотрен сравнительный анализ влияния СВЧ излучения на диэлектрические среды. Подразделяют два типа воздействий СВЧ излучения на материал: тепловое воздействие и нетепловое воздействие. Исследования показывают, что есть возможность модификации свойств эпоксидных компаундов в СВЧ поле при нетепловой обработке. И они доказывают эффективность такого способа физической модификации, речь идёт о повышении физико-механических характеристик и улучшении технологических свойств [55].
Полимерные композиционные материалы можно отнести к наиболее эффективным строительным материалам, так как они позволяют существенно уменьшить вес конструкций, имеют комплекс положительных свойств, сокращают трудовые затраты и превосходят традиционные материалы. Исходя из этого, интерес вызывают методы модификации полимерной арматуры. Одним из наиболее эффективных методов, можно назвать, обработку СВЧ излучением препрега для получения полимерной арматуры на основе ЭД-20, отвердителя горячего отверждения ИзоМТГФА и волокна. Повышение прочностных характеристик может быть достигнуто путем модификации полимерной матрицы СВЧ излучением. Наряду с расширением ассортимента полимерных изделий и усовершенствованием технологии их производства всё большее значение придается поиску способов повышения их качества, повышению физико-механических характеристик, расширению областей применения [56-58]. 1.6 Конкуренция процессов линейного роста и сшивания
Основная цепь линейных макромолекул состоит в основном из вторичных атомов углерода, азота или атомов других элементов, входящих в состав основной цепи. Напротив, в сильно разветвленных макромолекулах велико содержание третичных атомов. Известно, что прочность химических связей при вторичных атомах несколько выше, чем при третичных. Следовательно, тепловой эффект Qл образования линейного полимера, рассчитанный на моль продукта, несколько выше теплового эффекта Qc процесса образования разветвленного полимера. В соответствии с соотношением Полани-Семенова E=A+BQ существует линейная связь между тепловым эффектом и энергией активации рассматриваемого процесса, поэтому процесс линейного роста имеет более высокую энергию активации и следовательно, более чувствителен к энергетическим воздействиям, чем процесс синтеза сетчатого полимера. Из изложенного следует, что от волновых воздействий следует ожидать пластифицирующего влияния на прочностные характеристики получаемых материалов, т.е. следует ожидать преимущественного увеличения удельной ударной вязкости по сравнению с увеличением разрушающего напряжения при статическом изгибе. Сделанный вывод касается реактопластов без учета других влияний волновых воздействий: влияния физических обработок на адгезию между связующим и наполнителем и на образование водородных связей в матрице [59]. 1.7 Предварительная обработка СВЧ
При использовании методов физической модификации полимеров большую роль играет место физического воздействия в технологическом процессе. В технологии волокнонаполненных реактопластов перерабатываемый материал можно подвергать физическим обработкам на следующих стадиях технологического процесса: 1) совмещение исходных компонентов [60-61] 2) кратковременная обработка свежепропитанных связующим нитей [62], 3) формование и отверждение изделия, 4) обработка готового изделия. При использовании олигомерных смол вязкость связующего по ходу технологического процесса возрастает, а подвижность олигомерных молекул соответственно снижается в соответствии с соотношением =/E, (5) где – период релаксации олигомерных молекул, E – модуль упругости. Снижение подвижности приводит к увеличению периода релаксации. Следовательно, неотвержденные системы более чувствительны к ориентирующему воздействию, чем отвержденные системы с бесконечно высокой вязкостью. Поэтому применение ориентирующих воздействий на стадии формования и отверждения мало эффективно. Физические обработки готовых изделий издавна применяются в виде термообработок с целью доотверждения и снятия внутренних напряжений (так называемый “отжиг”) и в виде механической обработки поверхности изделия с целью удаления облоев [63-66]. Некоторые физические обработки (УФИ, СВЧ) на стадии формования и отверждения весьма затруднительны, т.к. для этого требуется специальное оборудование [67-68].
Изучение влияния кратковременной СВЧ обработки гранул полиэтилентерефталата высокого давления на свойства, полученного из них изделия
В результате серии опытов по изучению влияния СВЧ обработки на характеристики поликапроамида (табл. 3.10-3.18) можно утверждать, что при увеличении мощности обработки поликапроамида разрушающее напряжение при растяжении растет (раст=+15% при 750 Вт), при изгибе – растет (изг=+10%, при 750 Вт), ударная вязкость – достигает максимума (ауд,=+17%, при 600 Вт), твердость по Бринеллю – падает (НВ=-19% при 750 Вт). В итоге можно утверждать, что наилучших результатов СВЧ обработки можно добиться при мощности 750 Вт. Известно, что ПЭ и ПЭТФ практически не поглощают и не пропускают воду. Наличие в ПА протоно-донорных групп NH, может приводить к образованию водородных связей между атомами водорода в амино- группах, а следовательно и к структурированию материала.
При постоянной мощности (750 Вт) изменялась продолжительность СВЧ обработки. Как видно, наилучшие результаты достигаются только при продолжительности обработки 5 минут. При дальнейшем увеличении продолжительности обработки физико-механические характеристики начинают ухудшаться. 3.3 Изучение влияния кратковременной СВЧ обработки гранул стеклонаполненного поликапроамида на свойства полученного из них изделия
В этом материале массовое содержание метиленовых групп меньше, чем в ненаполненном материале, и зависит от содержания наполнителя.
В результате серии опытов по изучению влияния СВЧ обработки на характеристики стеклонаполненного поликапроамида (табл 3.19-3.27) можно утверждать, что при увеличении мощности обработки стеклонаполненного поликапроамида разрушающее напряжение при растяжении растет (раст=+26% при 750 Вт), при изгибе – растет (изг=+8%, при 750 Вт), ударная вязкость – растет (ауд,=+13%, при 750 Вт), твердость по Бринеллю – растет (НВ=+11% при 750 Вт). В итоге можно утверждать, что наилучших результатов СВЧ обработки можно добиться при мощности 750 Вт. Также нужно отметить что СВЧ обработка оказывает более сильное влияние на поликапроамид наполненный, чем на ненаполненный. Это можно объяснить тем, что в качестве наполнителя использовалась стеклонить. Стекло содержит от 70 до 90% оксида кремния SiO2 являющего протоно-акцепторным соединением, которое способно создавать донорно-акцепторные связи с группами NH в макромалекулах поликапроамида. Скорее всего после СВЧ модификации количество этих связей в полимере увеличивается, следовательно растут и его физико-механические характеристики.
При постоянной мощности (750 Вт) изменялось время СВЧ обработки. Наилучшие результаты достигаются только при продолжительности обработки 5 минут. При дальнейшем увеличении длительности обработки физико-механические характеристики начинают ухудшаться, так же, как и в экспериментах с ПЭ, ПКА и ПЭТФ. Этот момент можно объяснить тем, что при СВЧ-модификации упрочнение происходит за счет создания надмолекулярной структуры, видимо существуют определенные условия обработки (мощность, продолжительность) при которых достигается максимальный эффект от обработки, при увеличении значений мощности и продолжительности эта структура начинает разрушаться.
Изучение влияния кратковременной СВЧ обработки гранул полиэтилентерефталата на свойства полученного из них изделия Еще одним из примеров полимера, содержащего метиленовые группы, является полиэтилентерефталат. Содержание метиленовых групп около 16%. Таблица 3.28 - Физико-механические характеристики ПЭТФ без СВЧ обработки
В результате серии опытов по изучению влияния СВЧ обработки на характеристики полиэтилентерефталата (табл 3.28-3.37) можно утверждать, что при увеличении мощности обработки ПЭТФ разрушающее напряжение при растяжении растет (раст=+24% при 750 Вт), при изгибе – растет (изг=+36%, при 750 Вт), ударная вязкость – растет (ауд,=+32%, при 750 Вт), твердость по Бринеллю – падает (НВ=-19% при 750 Вт). В итоге можно утверждать, что наилучших результатов СВЧ обработки можно добиться при мощности 750 Вт. Также интересно, что как и в случае с полиэтиленом, после СВЧ обработки ПЭТФ снижается твердость. Это может быть связано с большим количеством этиленовых групп (CH2) в полимере. Как было сказано выше частота СВЧ излучения ближе всего стоит к частоте колебания этиленовых групп в макромолекулах полимеров. Группы (CH2) оказывают пластифицирующее влияние, поэтому увеличение их содержания приводит к снижению твердости.
При увеличении продолжительности обработки ПЭТФ разрушающее напряжение при растяжении – растет ( раст=+28%, при 7 мин), при изгибе – растет (изг=+40%, при 7 мин), ударная вязкость – растет (ауд,=+32%, при 9 мин), твердость по Бринеллю – падает (НВ=-26% при 9 мин).
Если сопоставить результаты изучения влияния СВЧ на характеристики рассмотренных выше четырех типов полимеров, то становится очевидным следующее: - при увеличении мощности СВЧ излучения физико-механические характеристики полимерных материалов растут. Это говорит о том, что СВЧ колебания оказывают энергетически - подпитывающее и воздействие. - при увеличении продолжительности обработки все физико механические характеристики достигают максимум при продолжительности обработки 5 минут. При дальнейшем увеличении продолжительности показатели начинают падать. Это указывает на более глубинные изменения в структуре материалов.
Практическое внедрение полученных результатов непосредственно связано с надежностью открытых эффектов влияния предварительной СВЧ обработки на характеристики рассмотренных материалов. Поэтому в данной работе особое внимание уделено статистической обработке результатов эксперимента. Особенно ценными и надежными являются эффекты, величина которых значительно выше абсолютных погрешностей в определении изучаемых характеристик. С этой точки зрения наиболее ценными являются результаты по упрочнению ПЭТФ и полиамидов.
Способность к образованию водородных связей в материале непосредственно связана с гидрофильностью изучаемого материала, поэтому логическим продолжением исследования являлось установление корреляции между упрочняющим влиянием СВЧ и гидрофильностью обрабатываемых материалов. Наименее гидрофильным среди рассматриваемых материалов является ПЭВД (табл. 3.38)
Изучение влияния СВЧ обработки на прочностные характеристики ПКМ на основе эпоксидной смолы, армированной стеклянными нитями
Полученные результаты свидетельствуют о том, что предварительная кратковременная обработка препрегов СВЧ-излучением приводит к понижению ударной вязкости на 5-11% и к повышению разрушающего напряжения при статическом изгибе на 10-15%, при этом эффект модификации увеличивается при повышении мощности излучения.
Анализ приведённых результатов показал, что предварительная кратковременная обработка препрегов СВЧ-излучением приводит к повышению разрушающего напряжения при растяжении на 5-12%, повышению модуля упругости на 8-21%, при этом эффект модификации увеличивается при повышении мощности излучения.
Усреднённые значения, приведённые в таблице 4.12, показали, что предварительная кратковременная обработка препрегов СВЧ-излучением привела к понижение ударной вязкости на 5-11% и к повышению разрушающего напряжения при статическом изгибе на 10-15%, а так же повышению разрушающего напряжения при растяжении на 5-12% и повышению модуля упругости на 8-21% по сравнению с образцами, не подвергнутыми обработке, при этом эффект влияния обработки усиливается с увеличением мощности источника излучения. Продолжительность не может быть меньше 2-3х минут, так как при меньшей продолжительности не достигается равномерный прогрев материала. Дальнейшее увеличение мощности источника более 300 Вт вызывает преждевременное отверждение препрега.
Две главные рассмотренные прочностные характеристики - ауди изг –для сетчатых полимеров являются структурными антиподами: при сокращении средней массы межузловых цепей в процессе отверждения ауд сокращается а изг возрастает. Наблюдаемое в результатах эксперимента понижение ауди повышение изг после обработки СВЧ говорит о том, что обработка СВЧ вызывает дополнительное структурирование материала. Таким образом, волновая СВЧ обработка влияет на конкуренцию процессов сшивания и линейного роста макроцепей при отверждении в сторону ускорения процесса сшивания
Повышение прочностных характеристик может быть также связано с повышением адгезии между наполнителем и связующим. Таблица 4.7 - Влияние СВЧ обработки на прочностные характеристики ПКМ
Возрастание модуля упругости образцов ПКМ в результате кратковременной предварительной обработки препрега СВЧ излучением (табл 4.13) свидетельствует о увеличении степени сшивания связующего то есть о сокращении средней массы меж узловых цепей. Наибольшее увеличение модуля упругости происходит у материала с капроном. Это объясняется тем, что СВЧ вызывает структурирование не только матрицы, но и наполнителя – капрона, что было показано в главе 3.
Как видно из таблицы 4.14, максимальной теплостойкостью обладают стержни со стеклянной нитью, т.к. стекло практически не разлагается при высоких температурах. А наименьшая теплостойкость у стержней с капроновой нитью, т.к. наполнитель капрон, понижает теплостойкость. Сравнивая полученные результаты с известными литературными данными о влиянии УФИ на процесс формирования структуры реактопластов [104], можно отметить следующие различия между влияниями перечисленных двух волновых воздействий: - кратковременная предварительная обработка СВЧ приводит к уменьшению ауди повышению изг, т.е влияние СВЧ связано со структурированием матрицы; - кратковременная предварительная обработка УФИ приводит к преимущественному увеличению ауд, то есть способствует пластификации материала, к сравнительному ускорению процесса линейного роста полимерных цепей.
Перечисленные различия во влиянии указанных волновых излучений обусловлено следующими различиями этих излучений: длина волны и частота СВЧ составляют около 10-1 м и 109 сек-1, для УФИ 10-7 м и 1015 с-1 соответственно, то есть СВЧ является значительно более длинноволновым воздействием. УФИ имеет малую длину волны, соизмеримую с размером олигомерных молекул, и оказывает точечное воздействие, а СВЧ это длинноволновое излучение оказывающее макровоздействие. Матрица отвержденного полиэпоксида является редкосшитой по сравнению с отвержденной фенолоформальдегидной смолой, поэтому частицы полиэпоксида более подвижны (табл 4.1) (их линейные скорости составляют 10-8,10-9 и 2 10-11, 5 10-12м/с соответственно), при этом более подвижные элементы структуры имеют значительно меньшую массу.
УФИ является более высокоэнергетичным излучением и способно придавать подвижность более крупным частицам, чем СВЧ. Волновая энергия полностью не передается материалу, она в значительной степени рассеивается. Преимуществом СВЧ излучения является его более высокая проникающая способность, это излучение влияет на весь объем материала, а УФИ влияет преимущественно на поверхностный слой. Выводы: Волновая предварительная обработка препрега излучением СВЧ приводит, в отличие от обработки УФИ, к увеличению разрушающего напряжения при статическом изгибе и понижению ударной вязкости, то есть к повышенному структурированию матрицы, поэтому обработка СВЧ излучением по своему влиянию на структуру материала занимает промежуточное положение между типичной волновой модификацией ультрафиолетовым излучением и ориентирующими воздействиями (постоянное электрической поле, постоянное магнитное поле).
Термопласты изученных типов являются чрезвычайно распространенными конструкционными материалами, обладающими сравнительно невысокими прочностными характеристиками, которые однако, удовлетворяют требованиям, предъявляемым к большинству изделий широкого потребления. Применение предварительной обработки этих материалов электромагнитным излучением СВЧ заметно повышает три их главные прочностные характеристики: ауд, раст, изг (табл 5.1). Наблюдаемое упрочнение обусловлено, как было показано выше, образованием дополнительного количества водородных связей в структуре полимеров, что подтверждается возрастанием, правда, незначительным, водопоглощения. Возможно, что применение СВЧ снижает разветвленность рассмотренных полимеров, это приводит к снижению твердости образцов, полученных из обработанных материалов без заметного влияния на плотность материалов. В целом можно считать, что применение СВЧ способствует повышению указанных прочностных характеристик над нижним уровнем значений, приводимых для сравнения. В данной работе использовали вторичный ПЭТФ, поэтому, хотя СВЧ и упрочняет этот материал, его характеристики находятся ниже нижнего уровня кондиционного ПЭТФ (табл 5.1). Таблица 5.1 - Сравнение физико-механических характеристик изделий из термопластов