СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ
METHOD OF PRODUCING POLYMERIC COMPOSITE MATERIAL FOR MANUFACTURING ITEMS

Изобретение относится к полимерным композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении различных изделий производственно-технического назначения, работающих в условиях воздействия агрессивной рабочей среды.
Известны композиционные материалы (композиты), полученные из полимерной матрицы и стеклоармирующих материалов в виде тканей, матов и т.п. [1]. Недостатком таких материалов являются усредненные и недостаточные эксплуатационные показатели свойств изделий, изготовленных из этих материалов.
Известно, что для придания изделию из композита дополнительных свойств, которые требуются от него по условиям эксплуатации (например, прочность, огнестойкость, химическая стойкость и т.п.), в композиционный материал вводят специальные наполнители [2].
Недостатком подобного подхода к изменению свойств композита являются весьма обобщенные рекомендации по применению того или иного вида наполнителя в гранулометрическом и объемном соотношениях, не позволяющие оптимизировать структуру композита под конкретные эксплуатационные параметры изделия.
Известны приемы оптимизации структуры композита для изготовления конкретных видов изделий в увязке со способами их изготовления [3, 4, 5, 6], однако они не затрагивают наиболее часто встречающийся случай работы изделий производственно-технического назначения, работающих в условиях воздействия агрессивной рабочей среды, а именно при повышенных механических нагрузках, а также при наличии химического и абразивного факторов производственных процессов.
Задача настоящего изобретения заключается в создании полимерного композиционного материала для изготовления изделий производственно-технического назначения, работающих при повышенных механических нагрузках, а также при наличии химического и абразивного факторов производственных процессов.
Для этого предложен способ получения полимерного композиционного материала для изготовления изделий, включающий смешивание полимерного связующего, стеклоармирующего материала и наполнителя, при этом в качестве полимерного связующего используют химстойкую органическую смолу, в качестве стеклоармирующего материала - материал со стеклом марки «С», а в качестве наполнителя - дисперсный кварц с размером частиц 0,008 и 0,025 мм, при этом стеклоармирующий материал используют в количестве 30-50% от объема изготавливаемого изделия, кварц с размером частиц 0,008 мм - в количестве 10-20%, а кварц с размером частиц 0,025 мм - в количестве 10-50% от объема изготавливаемого изделия.
Известно, что дисперсный кварц обладает высокой химической стойкостью, высокой твердостью, теплостойкостью, электроизоляционными свойствами, а также отличной совместимостью с полимерной матрицей при его низкой стоимости и доступности. Исследования показали, что свойства композита зависят от фракции и объема введенного в него минерального наполнителя в виде кварца. Важно, чтобы при введении наполнителей не менялась вязкость связующего, влияющая на эффективность пропитки связующим стеклоармирующего материала (т.н. «ламинирование»), поскольку от качества пропитки зависит и качество изделия, полученного из композиционного материала. Поскольку вязкость связующего при введении наполнителя зависит от его гранулометрического состава, учтено, что при уменьшении размера частиц наполнителя вязкость системы повышается, что можно объяснить увеличением активной площади наполнителя и взаимодействием материалов на молекулярном уровне. Исследования влияния объемного наполнения кварцем связующего композита показало, что при увеличении размеров частиц наполнителя возрастает прочность композита. Однако наилучшие результаты с точки зрения минимизации изменения свойств связующего (изменение вязкости, времени полимеризации), оптимизации физико-механических свойств (прочности, твердости), повышения теплостойкости и получения эффекта негорючести композита достигаются при комбинации гранулометрического состава и объемного наполнения, а именно когда в химстойкую органическую смолу вводят дисперсный кварц с размером частиц 0,008 в количестве 10-20% и кварц с размером частиц 0,025 мм - в количестве 10-50% от объема изготавливаемого изделия.
Кварц с размером частиц 0,008 мм в количестве 10-20% от объема изготавливаемого изделия работает как загуститель смолы, незначительно повышая ее вязкость и плотность. Введение в смолу кварца с размером частиц 0,025 мм в количестве 10-50% от объема смолы повышает химстойкость, теплопроводность и абразивостойкость композита. За счет того что введением кварца с размером частиц 0,008 мм была повышена вязкость и плотность смолы, осаждение более крупного кварца не произойдет и модифицированная смола будет долго сохранять гомогенный состав и стабильные технологические свойства. Этот фактор важен при длительном хранении модифицированной смолы перед ее применением на производстве.
Такая комбинация гранулометрического состава и объемного наполнения кварцем позволяет оптимизировать свойства изделий производственно-технического назначения из полимерных композиционных материалов, эксплуатируемых в условиях воздействия агрессивной рабочей среды.
Выбор химстойкой органической смолы в качестве связующего для получения полимерного композиционного материала для изготовления изделий обусловлен тем, что эти смолы обладают наилучшим набором потребительских качеств, таких как химстойкость, технологичность переработки, термостойкость, цена и качество готового изделия.
Все компоненты получаемого композиционного материала должны обладать высокой химической стойкостью во избежание деструкции изготовленного из него изделия при эксплуатации в агрессивной рабочей среде, поэтому в качестве стеклоармирующего материала применяют материал со стеклом марки «С», обладающим наивысшей стойкостью в указанных средах по сравнению с другими марками стеклоармирующих материалов, в количестве не менее 30% от объема изготавливаемого изделия.
Новый технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в повышении прочности, твердости, теплостойкости, износостойкости и огнестойкости полученного композиционного материала.
Для реализации заявленного способа в качестве матрицы могут быть использованы специальные химстойкие органические смолы, например винилэфирные, фумаровые, фурановые и т.п. (например "DION" компании Reichhold); в качестве армирующих материалов могут использоваться различные виды стеклоармирующих материалов (ткани, маты, ровинги, рогожи и пр.), выполненные из стекла марки «С», например компании "AHLSTROM paper group"; в качестве дисперсного кварца - кварц пылевидный ГОСТ 9072-82.
Способ иллюстрируется следующими примерами реализации
Пример 1. Для изготовления химстойкого композиционного листа, предназначенного для изготовления химстойкой вентиляционной системы, использовали модифицированную химстойкую бисфенольную эпоксивинилэфирную смолу DION-9700 компании Reichhold, стеклоармирующий материал - стекломат компании AHLSTROM, в качестве дисперсного кварца - кварцевый песок, предоставленный ОАО «Кыштымский ГОК», соответствующий ГОСТ 9072-82, обладающий следующими характеристиками:
- массовая доля основной фракции - 97%;
- размер частиц - 0,008; 0,025 мм.
В смолу вначале вводили кварц с размером частиц 0,008 мм в количестве 10% от объема изготавливаемого листа, который определяется при проектировании этого изделия, и тщательно перемешивали. Далее в смолу вводили дисперсный кварц с размером частиц 0,025 мм в количестве 20% от объема изготавливаемого листа и также тщательно перемешивали. Объем смолы с дисперсным наполнителем составил 60% от объема изделия, остальные 40% - армирующий материал. Из полученного композиционного материала методом контактного формования изготовили стеклопластиковый лист со следующими характеристиками:
- размеры листа 2000×1500×1,3 мм;
- химстойкость листа (по данным лабораторных исследований ГОСТ 12020) - стойкий в фтористоводородной концентрированной кислоте;
- прочность листа (по данным сравнительных испытаний) на 30% выше аналога из чистого стеклопластика;
- теплостойкость листа достигла +300°С.
Пример 2. Для изготовления химстойкой футеровки фильтра методом «мокрого ламинирования», входящего в состав технологического оборудования химического комбината, использовали бисфинольно-фумаровую смолу DION-6694 (Reichhold) и стекломат из стекла марки «С», в качестве дисперсного кварца - кварцевый песок, предоставленный ОАО «Кыштымский ГОК» (см. пример 1).
В смолу вначале вводили кварц с размером частиц 0,008 мм в количестве 20% от объема изготавливаемой футеровки фильтра, который определяется при проектировании этого изделия, и тщательно перемешивали. Полученной модифицированной смолой пропитывали стекломат при его нанесении на защищаемую поверхность фильтра. Объем стекломата составил 50% от объема футеровки фильтра. За счет увеличения вязкости смолы достигли эффекта тиксотропности, когда смола не стекала с вертикальных стенок фильтра и ламинат получался ровным и качественным. В последний слой футеровочного покрытия в смолу вводили дисперсный кварц с размером частиц 0,025 мм в количестве 10% от объема изготавливаемой футеровки фильтра и также тщательно перемешивали. Указанной модификацией смолы нанесли завершающий наружный слой футеровочного покрытия. Получили усиленный химстойкий слой с абразивостойким эффектом, т.н. «химстойкую рубашку».
Пример 3. Для изготовления износостойкой и химстойкой втулки методом прессования использовали новолачную эпоскивинилэфирную смолу DION-9400 (Reichhold), в качестве стеклоармирующего материала применили рубленый ровинг с длиной частиц волокна 5-10 мм, в качестве дисперсного кварца - кварцевый песок, предоставленный ОАО «Кыштымский ГОК» (см. пример 1).
В смолу, количество которой составляло 10% от объема изделия, который определяется при его проектировании, вначале вводили кварц с размером частиц 0,008 мм в количестве 10% от объема изготавливаемой втулки и тщательно перемешивали. Далее в смолу вводили рубленый стеклоровинг в объеме 30% от объема изготавливаемой втулки и перемешивали со смолой. Последним компонентом вводили дисперсный кварц с размером частиц 0,025 мм в количестве 50% от объема втулки и также тщательно перемешивали. Из полученного композиционного материала (премикса) методом прессования в форме изготовили износохимстойкую втулку с функциями подшипника скольжения, используемого в погружных насосах на откачке грунтовых вод.
Таким образом, заявленный способ позволяет получать полимерный композиционный материал для изготовления изделий производственно-технического назначения, работающих при повышенных механических нагрузках, а также при наличии химического и абразивного факторов производственных процессов.
Источники информации
1. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие / М.Л. Кербер и др.; под ред. А.А. Берлина. - СПб.: Профессия, 2008. - 560 с.
2. Функциональные наполнители для пластмасс / под ред. М. Ксантоса. - СПб.: НОТ, 2010. - 462 с.
3. Патент RU 2570027, опубл. 10.12.2015, МПК C08L 77/00.
4. Патент RU 269551, опубл. 10.02.2006, МПК C08L 63/10.
5. Патент RU 2246503, опубл. 20.02.2005, МПК C08J 5/16.
6. Патент RU 2516500, опубл. 20.05.2014, МПК C08J 5/00.