Химия и химические технологии / 1. Пластмассы, полимерные и синтетические ма­те­риалы, каучуки, резино-технические изделия, шины и их производство

К.т.н. Чигвинцева О.П., Клименко Е.В.

Днепропетровский государственный аграрный университет, Украина

УГЛЕПЛАСТИКИ НА ОСНОВЕ

ПОЛИЭФИРНОГО СВЯЗУЮЩЕГО

 

Современное развитие различных отраслей промышленности  невозможно без широкого применения поли­мерных композиционных  материалов (ПКМ) конструкционно­го назначения. Детали и изделия из ПКМ широко используются для замены продукции из нержавеющей стали, цвет­ных металлов и их сплавов, чугуна, реактопластов и керамики. В связи с интенсивным развитием техники значительно возрастают и требования, предъявляемые к изделиям из ПКМ. Важной проблемой в настоящее время является не только повышение эксплуатационных характеристик ПКМ, но и сохранение их в широком интервале температур.

Благодаря оптималь­ному комплексу физико-механичес­ких свойств весьма перспективными конструкционными материалами являются ПКМ, армированные углеродными волокнами (УВ) –  углепластики (УП). По модулю упругости и разрушающему на­пряжению при растяжении УП приближа­ются к алюминиевым сплавам при меньшей на 30 % массе. По удельной прочности и жесткости УП превосходят практически все наиболее ши­роко используемые конструкционные полимерные и металлические материалы [1].

С целью создания новых УП конструкционного назначения сложный ароматический полиэфир полиарилат (ПАР) армировали низкомодульным УВ марки Грален в количестве 5-35 мас. %. Изучение основных теплофизических и физико-механических свойств УП осуществлялось согласно существующим ГОСТам для пластмасс.

Результаты теплофизических исследований (рис.1 а, б)  свидетельствуют о том, что армирование полиэфирного связующего УВ существенно влияет на изменение его удельной теплоемкости (Ср) и коэффициента теплопроводности (l). В частности, установлено, что интервале температур 323-648 К теплоемкость  УП снижается по сравнению с неармированным ПАР в среднем на       14-17 %, а теплопроводность  –  возрастает  в 1,6-1,8 раз.  Характер   изменения

а

б

Рис. 1. Температурные зависимости удельной теплоемкости (а)

и коэффициента теплопроводности (б) углепластиков на основе полиарилата

 

температурних кривих связующего и УП имеют идентичный характер: в стеклообразном состоянии наблюдается линейное повышение теплоемкости, что происходит за счет поглощения энергии, вызванного увеличением подвижности кинетических элементов макромолекул при нагревании. Известно [3], что процесс нагревания полимера в стеклообразном состоянии неизбежно сопровождается  увеличением гибкости его цепных макромолекул, которое  приводит к повышению теплоемкости. Далее, при переходе полимеров из стеклообразного в высокоэластическое состояние (более 523 К) наблюдается скачок теплоемкости, величина которого существенно снижается с возрастанием степени армирования ПАР. Если для полиэфирного связующего величина скачка теплоемкости составила 0,76, то для УП она снижалась в среднем до 0,6-0,46 кДж/кг · К. Снижение величины скачка теплоемкости при стекловании можно объяснить исключением некоторой части макромолекул в аморфных областях из участия в процессе стеклования. В этом случае наблюдается изменение структуры аморфной фазы армированных полимеров по сравнению с неармированными, что обусловлено  появлением  в системе граничных областей полимера вблизи поверхности волокнистого наполнителя, подвижность  макромолекул в которых в значительной степени подавлена [4]. 

Важным теплофизическим показателем является температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР). Изучение температурной зависимости ТКЛР (рис. 2) позволяет изучить процессы перестройки молекулярной структуры, стеклования полимеров, а величина ТКЛР характеризует степень термических напряжений и деформаций в элементах конструкций  под  влиянием температуры [2]. Особый интерес представляло то обстоятельство, что разработанные УП имеют ТКЛР на 35-86 % ниже, чем у исходного полимера.

Изменение физико-механических показателей УП на основе ПАР (рис. 3) определялось процентным содержанием волокнистого наполнителя. Плотность УП находилась в пределах 1,28-1,33 г/см3 и была выше, чем у связующего    (1,24 г/см3). Обращает на себя внимание тот факт, что увеличение степени армирования ПАР Граленом  приводит к повышению прочностных характеристик УП. В частности, для УП, содержащих  5-35 мас. % УВ предел текучести при сжатии выше, чем у исходного полимера на 9-42 МПа (рис. 3, кривая 1).  Учитывая тот факт, что низкомодульные УВ отличаются ломкостью и хрупкостью, а также имеют тенденцию  к повреждению  в  процессе  переработки,  получить

Рис. 2. Зависимость температурного коэффициента линейного расширения

от температуры  полиарилата (1) и углепластика на его основе,

армированного 25 мас. % волокна Грален (2)

ударостойкие изделия из УП не удалось. Так, если для исходного полимера ударная вязкость составляла 111,5 кДж, то для УП, армированных 5-35 мас. % волокна Грален,  она находилась в пределах 71,3-11,5 кДж (рис. 3, кривая 3).

Рис. 3. Влияние содержания волокна Грален на предел текучести

при сжатии (1),  плотность (2), ударную вязкость (3)

и относительное удлинение (4)  полиарилата

Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что армирование сложного полиэфира ПАР волокном марки Грален позволяет улучшить основные теплофизические и физико-механические характеристики УП, что позволяет существенно расширить области применения разработанных материалов.

Литература:

[1] Композиционные материалы на основе углеродных волокон и полимерных материалов // Обзорная информация. Серия: Промышленность химических волокон. – М. : НИИТЭХИМ, 1979. – 55 с.

[2] Бартенев Г.М., Зеленев Ю.В. Физика и механика полимеров. М.: Высшая школа, 1983. – 391 с.

[3] Пивень А.Н., Гречаная Н.А., Чернобыльский И.И. Теплофизические свойства полимерных материалов К.: Вища школа, 1976. – 180 с.

[4] Липатов Ю.С.  Физическая химия наполненных полимеров. М.: Химии. – 1977.