Результат интеллектуальной деятельности: Эпоксидное связующее

Изобретение относится к области создания эпоксидных связующих для полимерных композиционных материалов конструкционного назначения на основе волокнистых армирующих наполнителей, которые могут быть использованы в авиационной, ракетно-космической и машиностроительной отраслях промышленности.

Для разработки перспективных изделий необходимо повышение уровня физико-механических характеристик (ФМХ) углепластиков, изготавливаемых на основе эпоксидных связующих и волокнистых армирующих наполнителей (углеродных тканей) при межслойном сдвиге и сжатии.

Наиболее близким по технологической сути к предлагаемому изобретению, принятым за прототип, является эпоксидное связующее ЭДТ-10П (ОСТ 92-0957-74), включающее эпоксидную модифицированную смолу КДА (ТУ 2225-611-11131395-2005), поверхностно-активное вещество продукт АДЭ-3, отвердитель триэтаноламинотитанат ТЭАТ-1 (ТУ 6-09-11-2119-93), спирто-ацетоновый растворитель при следующем содержании компонентов, (мас. ч.):

Связующее получают путем предварительного смешивания в реакторе или иной емкости смолы КДА (100 мас. ч.) с отвердителем ТЭАТ-1 (10 мас. ч.) в течение от 30 до 45 мин при их нагреве до температуры (50+10)°С, далее смесь смолы и отвердителя растворяется в спирто-ацетоновом растворителе (16,33 мас. ч этилового спирта и 33,66 мас. ч. ацетона) при постоянном перемешивании в течение 45 мин, затем в полученный раствор вводится поверхностно-активное вещество АДЭ-3 (3 мас. ч.) и все связующее перемешивается в течение 15 мин.

Недостатком известного эпоксидного связующего являются невысокие прочностные свойства углепластика при сжатии и межслойном сдвиге относительно прочности при растяжении.

Технической проблемой является устранение указанных недостатков, то есть создание эпоксидного связующего для углепластиков с повышенными физико-механическими характеристиками при сжатии и межслойном сдвиге при сохранении исходной прочности при растяжении, а также технологичности его применения.

Технический результат заключается в повышении качества эпоксидного связующего для углепластиков с повышенными физико-механическими характеристиками при сжатии и межслойном сдвиге.

Технический результат достигается тем, что эпоксидное связующее, содержащее эпоксидную смолу КДА, поверхностно-активное вещество продукт АДЭ-3, отвердитель триэтанолтитанат, спирто-ацетоновый растворитель, дополнительно содержит ультрадисперсный алюминий (УДА) при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:

Отличительные признаки изобретения являются существенными.

Ультрадисперсный алюминий обладает в отличие от других рассматриваемых в рамках проведенных исследований неорганических наполнителей (аэросил, оксид железа, карбид кремния, карбонитрид титана) повышенной реакционной способностью.

Для определения критической концентрации УДА в составе эпоксидного связующего, положительно влияющей на физико-механические характеристики композиционного материала на основе углеродной ткани УРАЛ Т-22 Р ЭХО А, были проведены экспериментальные исследования рецептур с различными концентрациями УДА в составе эпоксидного связующего ЭДТ-10П относительно массы смолы КДА.

Результат исследований представлен в таблице 1.

Анализ результатов показал, что оптимальное повышение ФМХ углепластика, предела прочности при сжатии и предела прочности при межслойном сдвиге достигается при модификации эпоксидного связующего ЭДТ-10П ультрадисперсным алюминием при концентрации в количестве от 3 до 7 мас. ч. относительно массы смолы КДА.

Введение УДА с концентрациями в количестве от 3 до 7 мас. ч. обеспечивает повышение адгезии по всей площади границы раздела волокно-связующее, что подтверждают результаты испытаний образцов.

Эпоксидное связующее, содержащее УДА, количество концентрации которого составляет менее 3 мас. ч. относительно массы смолы КДА, приводит к резкому снижению прочности углепластика, величина которой практически равна прочности углепластика, изготовленного со связующим ЭДТ-10П без введения УДА.

Снижение прочности углепластика (σ_сжатия и σ _{межслойного сдвига}) при концентрации УДА в количестве более 7 мас. ч. относительно массы смолы КДА обусловлено тем, что при повышении концентрации УДА в связующем происходит повышение жесткости полимерной сетки.

Варианты испытанных рецептур составов эпоксидного связующего с добавкой ультрадисперсного алюминия приведены в таблице 2.

Далее приведен пример приготовления эпоксидного связующего с добавлением УДА в количестве 5 мас. ч.

Модифицированное связующее получают путем предварительного смешивания смолы КДА (95 мас. ч) с отвердителем ТЭАТ-1 (10 мас. ч.) в течение от 30 до 45 мин при нагреве до (50+10)°С, далее в полученную смесь вводится предварительно диспергированная в малом объеме эпоксидной смолы КДА (5 мас. ч.) необходимая масса УДА (5 мас. ч.) и перемешивается в течение 30 мин. Далее смесь смолы, отвердителя и УДА растворяется в спирто-ацетоновом растворителе (16,33 мас. ч этилового спирта и 33,66 мас. ч. ацетона) при постоянном перемешивании в течение 45 мин, затем в полученный раствор вводится поверхностно-активное вещество АДЭ-3 (3 мас. ч.) и все связующее перемешивается в течение 15 мин.

Для определения влияния концентраций УДА в составе связующего ЭДТ-10П на физико-механические характеристики композиционного материала на основе угольной ткани Урал Т-22 Р ЭХО А были изготовлены плиты углепластика размером 250×250×10 мм методом закрытого прессования пакета из слоев пропитанной углеткани (препрега).

Из полученных плит изготовлены (вырезаны) образцы для определения предела прочности при растяжении (235×15×4 мм) по ОСТ 92-1459-77, при межслойном сдвиге (сколе, 80×8×8 мм) по ОСТ 92-1472-78, при сжатии (15×10×10 мм) по ОСТ 92-1460-77. Результаты испытаний образцов представлены в таблице 1.

С целью оценки технологичности применения связующего ЭДТ-10П с введенным УДА (3-7 мас. ч.), была определена его вязкость по вискозиметру ВЗ-246 с диаметром сопла 6 мм в течение всей жизнеспособности (3 суток согласно ОСТ 92-0957). Результаты определения вязкости модифицированного связующего в сравнении со связующим ЭДТ-10П занесены в таблицу 3.

Анализ таблицы 3 показал, что введение УДА в состав эпоксидного связующего практически не изменяет величину вязкости связующего во всем периоде его жизнеспособности и не оказывает влияния на технологию пропитки армирующего волокнистого наполнителя.

Сравнительные данные таблиц 1 и 3 показывают, что разработанное связующее обеспечивает по сравнению с прототипом повышение предела прочности углепластика при сжатии до 50% и межслойном сдвиге до 12% при сохранении предела прочности при растяжении и технологических свойств связующего (вязкости) на штатном уровне.

Изобретение позволяет создать эпоксидное связующее для изготовления углепластиков с повышенными ФМХ при сжатии и межслойном сдвиге при сохранении предела прочности углепластика при растяжении.