Термореактивные полимерные связующие композиционных материалов

При получении композиционных материалов термореактивные полимеры (реактопласты) используют в виде связующего.

Термореактивные полимерные связующие представляют собой двух- или многокомпонентные системы, состоящие из синтетической смолы (полимерной или олигомерной составляющей) и отвердителей или инициаторов, катализаторов, ускорителей отверждения. Часто термореактивные полимерные связующие содержат также пассивные или активные растворители (разбавители), пигменты и красители, пластификаторы, стабилизаторы и другие компоненты, вводимые с целью придания связующим и полимерному композиционному материалу необходимых технологических и эксплуатационных свойств.

Состав связующего зависит от механизма прохождения реакции отверждения и от необходимых механических свойств отвержденного продукта.

Для изготовления композиционного материала наиболее часто применяют полиэфирные, эпоксидные или фенолоформальдегидные связующие, как наиболее эффективные, имеющие достаточно высокие прочностные показатели в отвержденном состоянии и не выделяющие большого количества вредных веществ.

Полиэфирмалеинаты (полиэфирные смолы) в зависимости от состава, химического строения и молекулярной массы представляют собой вязкие жидкости или твердые вещества. Температура и скорость отверждения определяется выбором типа инициатора и ускорителя. Для низкотемпературного отверждения чаще всего используют перекись бензоила или гидроперекись изопропилбензола (гипериз), а для высокотемпературного – трет-бутилпербензоат.

Эффективными ускорителями, применяемыми в сочетании с перекисью бензоила, являются третичные амины, например диметил-, диэтил- и диэтаноламин и т. д.; с гидроперекисями применяют кобальтовые соли нафтеновых и некоторых других кислот, например, нафтенат кобальта, выпускаемый в виде стирольного раствора под названием «ускоритель НК».

Неотвержденные эпоксидные смолы представляют собой растворимые и плавкие вязкие жидкости или хрупкие твердые вещества, характеризующиеся хорошей адгезией ко многим материалам и небольшой усадкой при отверждении. Данные о физическом состоянии некоторых марок эпоксидных смол представлены ниже (табл. 1).

Таблица 1: Физические состояния некоторых эпоксидных смол

Тип смолы Тпл, °С Физич. состояние при 20°С
ЭД-22 –10 Жидкое
ЭД-20 0 Жидкое
ЭД-16 10 Вязкое
ЭД-10 50 Твердое
ЭД-8 70 Хрупкое

 Отвердителями эпоксидных смол могут быть амины (полиэтиленполиамин, гексаметилендиамин, пиридин) – отвердители холодного отверждения, кислотные отвердители (малеиновый и фталевый ангидриды и т. д.) – отвердители горячего отверждения.

Неотвержденные фенолоформальдегидные смолы представляют собой вязкую жидкость или твердую хрупкую прозрачную аморфную массу, легко переходящую в жидкость в интервале температур 60–120°С.


 Приготовление термореактивого связующего в лабораторных условиях и расчет массы компонентов

Полимерное связующее состоит из нескольких компонентов:

  • смолы,
  • отвердителя,
  • катализатора,
  • пластификатора и др.

Для приготовления определенного количества связующего необходимо с достаточной точностью определять массы соответствующих компонентов. Только при точном соблюдении рецептуры и заданного соотношения ингредиентов получают качественные материалы. Состав компонентов определен эмпирически или путем расчетов.

Необходимую массу, с учетом потерь (примерно 10%), принимают равной сумме массовых частей всех компонентов. Расчет компонентов проводят путем составления соответствующих пропорций.

Основные составы связующих, наиболее часто применяемых в промышленности, приведены в таблице 2.

Таблица 2:Состав и режимы отверждения полимерных связующих

№  п/п Смола(мас.ч.) Ускоритель (мас. ч.) Пластификатор (мас. ч.) Отвердитель (мас. ч.) Отверждение 
1 ЭД–20100   ПН-120 ПЭПА10-20 24 часа
2 КЕ100 ДБФ20 ПЭПА10 1 час
3 ЭД–20 (КЕ)100 ПН-120 ТЭАТ10 1,5–2 часа  при 100°С
4 КЕ100 ПН-120 МА20 5 часов
5 ПН–1100 НК8–10 Гипериз3–5 1 час при 60°С
6 ПН–1100 НК0,4–0,5 ПМЭК1 2–2,5 часа при 20°С
7 ПН–1100 НК-11–8 ПМЭК3 2–2,5 часа  при 20°С
8 ФФС100 МА3 Ступенчатое: 1 час при 50 -95°С;90–110°С;105–98°С

Компоненты связующего вводят в смолу постепенно. Все тщательно перемешивают для равномерного распределения по объему. Перемешивание проводят осторожно, чтобы предотвратить образование пузырьков воздуха. Отвердитель вводят в композицию последним.

Высоковязкую смолу при ее использовании вначале подогревают до 80°С и в теплую вводят пластификатор или разбавитель.

Используя связующее, необходимо соблюдать осторожность, так как при прохождении реакции отверждения возможен разогрев композиции до 200°С.

 Оборудование и материалы: компоненты, необходимые для приготовления эпоксидного и полиэфирного связующего, весы, стеклянная палочка, емкость для перемешивания композиции, термошкаф.

Ход работы. Рассчитывают массы компонентов для приготовления 100 г связующего на основе эпоксидной смолы по рецептуре №1 (таблица 2) – ЭД-20 – 100 мас. ч, ПН-1 – 20 мас. ч., ПЭПА – 10 мас. ч.

Определяют массы компонентов, составляя соответствующие пропорции. Масса связующего с учетом потерь равна 110 г, что соответствует 130 мас. ч. связующего (100+20+10).

Тогда 110 г (связующее) – 130 мас. ч, Х1 (ЭД–20) – 100 мас. ч., Х2 (ПН–1) – 10 мас. ч., Х3 (ПЭПА) – 20 мас. ч. Решая пропорции получаем, что для приготовления заданного количества связующего необходимо взять 84,6 г – ЭД-20; 8,4 г – ПН–1; 16,9 г — ПЭПА.

Аналогичным образом проводят расчет компонентов связующих по рецептурам 2–8 из таблицы 2. Для приготовления связующего емкость взвешивают на лабораторных весах с точностью до 0,1 г. Вливают рассчитанное количество смолы, затем постепенно вводят необходимое количество компонентов, тщательно перемешивая композицию.


 

Список литературы: Любин, Дж. Справочник по композиционным материалам: в 2 т. / под ред. Дж. Любина. – М.: Машиностроение, 1989. – 2 т. Смолы эпоксидно-диановые неотвержденные. Технические условия: ГОСТ 10587–93. – Взамен ГОСТ 10587–84; введ. 01.07.1996. – М.: Изд-во стандартов, 1989. – 20 с. Смолы полиэфирные ненасыщенные. Технические условия: ГОСТ 27952–88. – Введен 01.01.1990. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 1996. – 12с. 1. Практикум по полимерному материаловедению / под ред. П. Г. Бабаевского. – М.: Химия, 1980. – 255 с.
Автор:
Источник: Композиционные материалы: Лабораторный практикум, 2007 год
Дата в источнике: 2007 год
Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter