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.
Автор: Кордикова Е.И., кандидат технических наук, доцент кафедры механики материалов и конструкций БГТУ
Источник: Композиционные материалы: Лабораторный практикум, 2007 год
Дата в источнике: 2007 год