ПОЛИМЕРНЫЙ КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
POLYMER STRUCTURAL MATERIAL AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Область техники
Заявляемое изобретение относится к слоистым изделиям, содержащим в основном синтетические смолы. Точнее к слоистым изделиям, где в качестве пропитывающего, связывающего вещества использована эпоксикремнийорганическая смола, а в качестве наполнителя - арамидная ткань.
Изобретение может быть использовано в качестве материала для броне- и теплозащиты или деталей теплоотсечки в авиационной промышленности, ракето- и машиностроении. Там, где требуется сохранение работоспособности материала при многократном воздействии температуры порядка +250°С.
Предшествующий уровень техники
Известен аналог полимерного конструкционного материала, приведенный в заявке РФ №2001112342/042001112342/04, «Теплостойкие полимерные матрицы для изготовления слоистых композиционных материалов на основе стекло-, угле-, боро- и органических волокон»; МПК C08L 63/00, В32В 27/38, C08J 5/24; приоритет 04.05.2001; опубликовано 10.07.2003; авторы Симонов В.Ф., Урмансов Ф.Ф., Биткин В.Е., Сухих О.Н.
Теплостойкие эпоксикремнийорганические матрицы для создания слоистых композиционных материалов на основе стекло-, угле-, боро- и органических волокон с температурой эксплуатации от -15 до +200°С и низким коэффициентом линейного температурного расширения (КЛТР).
Недостатками данного полимерного композиционного материала является его недостаточно высокая рабочая температура.
Известен аналог, в котором описан способ изготовления полимерного конструкционного материала, приведенный в патенте РФ №2405675 «Способ получения конструкционного композиционного материала», МПК: В29С 51/10, В32В 27/12, C08J 5/00; приоритет 15.07.2009, опубликовано: 10.12.2010, патентообладатели Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России), Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ").
Способ включает сборку пакета из слоев арамидной ткани и полимерного связующего и формование его при повышенной температуре и давлении. Сборку пакета осуществляют из слоев арамидной ткани и полимерного связующего в количестве (40-55) масс. %, а перед формованием собранный пакет помещают в гермочехол, подключают к вакуумной системе, вакуумируют до остаточного давления (0,07-0,09) МПа и выдерживают при температуре (70-120)°С не менее 30 минут. В качестве связующего используют модифицированное каучуком, полисульфоном или диапластом эпоксидное связующее.
Недостатками данного способа являются необходимость операции вакуумирования перед формованием, повышенная температура формования.
В качестве прототипа для полимерного конструкционного материала был выбран препрег, приведенный в патенте РФ №2264295 «Препрег и изделие, выполненное из него»; МПК В32В 27/2, В32В 5/24, C08J 5/24; приоритет 25.06.2004; опубликовано 20.11.2005; авторы Е.Н. Каблов, В.В. Кривонос, Н.П. Кувшинов и др.
Препрег, включающий полимерное связующее и арамидный наполнитель, отличающийся тем, что в качестве наполнителя он содержит арамидный наполнитель из нейтральных арамидных нитей Русар с номинальной линейной плотностью 14,3; 29,4; 58,8 текс, удельной разрывной нагрузкой не менее 210 сН/текс и удлинением при разрыве не менее 2,6% при следующем соотношении компонентов, масс. %: наполнитель (45-65) масс. %, связующее (35-55) масс. %.
Недостатками данного препрега являются повышенный расход связующего (до 55 масс. %), недостаточно высокие теплоизоляционные свойства при высоких рабочих температурах.
В качестве прототипа для способа изготовления полимерного конструкционного материала (ПКМ) был выбран способ, приведенный в патенте РФ №2264295 «Препрег и изделие, выполненное из него»; МПК В32В 27/2, В32В 5/24, C08J 5/24; приоритет 25.06.2004; опубликовано 20.11.2005; авторы Е.Н. Каблов, В.В. Кривонос, Н.П. Кувшинов и др.
уд
В процессе изготовления ПКМ отвердитель наносят на ткань, сушат при комнатной температуре. На предварительно подготовленную поверхность пресс-формы выкладывают слои препрега и формуют в автоклаве по ступенчатому режиму с минимальной температурой нагрева 140°С при удельном давлении Р=5 атм.
Недостатками данного способа являются использование дополнительного сложного и дорогостоящего оборудования (намоточного станка и автоклава), повышенная температура формования и сложность последующей механической обработки заготовки.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка теплоизоляционного материала, обладающего одновременно бронезащитными свойствами и малой массой.
Технический результат заключается в выборе и соотношении исходных материалов, оптимизации технологических режимов формования, повышающих броне - и теплозащитные характеристики.
Технический результат в полимерном конструкционном материале достигается тем, что в полимерном конструкционном материал Органит К, содержащем в составе полимерное связующее и органический волокнистый наполнитель в виде ткани из арамидных нитей, согласно изобретению, в качестве полимерного связующего использовано эпоксикремнийорганическое связующее, состоящее из 71,4 массовых долей смолы эпоксикремнийорганической и 28,6 массовых долей полиаминного отвердителя. Связующе взято в количестве (35-40) масс. %, которым пропитана арамидная ткань в количестве (65-60) масс. % при соотношении масс связующего и ткани на 100 масс. % Органита К.
2
2
Технический результат в способе изготовления ПКМ Органит К достигается тем, что наносят на слои арамидной ткани эпоксидное связующее, размещают их в пресс-форме и затем формуют, согласно изобретению, предварительно поверхности пресс-формы обрабатывают раствором силоксанового каучука технического назначения в толуоле (СКТН), наносят на слои ткани эпоксидное связующее на основе эпоксикремнийорганической смолы. Далее собирают пакет из необходимого количества слоев ткани, чередуя пропитанный слой с непропитанным. После чего формуют слои в гидравлическом прессе при температуре +23°С, не менее 24 часов, и удельном давлении 50-60 кгс/см, затем при температуре +75°С не менее 3 часов и удельном давлении 15-20 кгс/см.
Совокупность существенных признаков обеспечивает получение технического результата, заключающегося в выборе и соотношении исходных материалов, оптимизации технологических режимов формования, повышающих броне - и теплозащитные характеристики. Это позволяет решить задачу разработки бронезащитного материала, обладающего высокими теплоизоляционными свойствами, работоспособного при многократном воздействии температуры 250°С.
Варианты осуществления изобретения
Для получения полимерного конструкционного материала Органит К готовят полимерное связующее. В качестве полимерного связующего используют состав, включающий 71,4 массовых долей эпоксикремнийорганической смолы, и 28,6 массовых долей полиаминного отвердителя.
Такое соотношение компонентов позволяет получить эпоксикремнийорганическое связующее, обладающее высокими теплозащитными свойствами и высокой рабочей температурой не менее +250°С.
Полученным эпоксикремнийорганическим связующим пропитывают арамидную ткань при следующем соотношении масс связующего и ткани на 100% Органита К:
эпоксикремнийорганическое связующее
35-40 масс. %,
арамидная ткань
65-60 масс. %.
Соотношение компонентов и тип связующего дает снижение максимальной температуры формования до +75°С по сравнению с минимальной температурой +140°С в прототипе. Соотношение ткань - связующее в полимерном конструкционном материале Органит К придает тепло- и бронезащитные свойства материалу. Бронезащитные свойства характеризуются пределом прочности при сдвиге и пределом прочности при разрыве.
В результате проведенных экспериментов был установлен диапазон масс. % эпоксикремнийорганического связующего и арамидной ткани. Результаты приведены в таблице 1 на фиг. 1.
Как видно из таблицы 1, при содержании связующего в композиционном материале менее 30 масс. % получаемый материал не обладает необходимой прочностью.
При увеличении массового содержания связующего больше 40% вместе с прочностными характеристиками увеличивается плотность и масса полученного материала. Это не соответствует требованиям, предъявляемым к деталям из Органита К.
Поэтому были выбраны диапазоны соотношения связующего и ткани, позволяющие при низкой массе полученного материала сохранить необходимые тепло- и бронезащитные свойства.
Полимерный конструкционный материал Органит К получают следующим образом.
Для уменьшения адгезии образца к поверхностям пресс-формы поверхности пресс-формы предварительно обрабатывают раствором силоксанового каучука технического назначения (СКТН) в толуоле.
Закрепляют слои ткани на твердой и ровной поверхности. При помощи шпателя или валика равномерно наносят на слои ткани эпоксидное связующее на основе эпоксикремнийорганической смолы.
Далее собирают пакет из необходимого количества слоев ткани, чередуя пропитанный слой с непропитанным. Сочетание пропитанных слоев с непропитанными и усилия прессования позволяет снизить расход связующего при улучшении теплоизоляционных и бронезащитных характеристик по сравнению с прототипом. В то же время чередование слоев не приводит к ухудшению вышеуказанных характеристик по сравнению со сплошной пропиткой всех слоев ткани. Результат проведенных исследований представлен в таблице 2 на фиг. 2.
Это позволяет решить задачу разработки бронезащитного материала, обладающего высокими теплоизоляционными свойствами.
2
2
Затем помещают пакет в пресс-форму, проложив между пакетом и пресс-формой полиэтиленовую пленку. После этого формуют слои в гидравлическом прессе сначала при температуре 23°С, и удельном давлении (50-60) кгс/см в течение не менее 24 часов. Затем при температуре 75°С и удельном давлении (15-20) кгс/см в течение не менее 3 часов.
В предлагаемом способе отверждение происходит при максимальной температуре +75°С по сравнению с минимальной температурой +140°С в прототипе. Это позволяет исключить применение автоклава при формовании. Броне- и теплозащитные свойства полученного материала сохраняются.
В результате проведенных экспериментов было установлено, что полученный полимерный конструкционный материал Органит К обладает высокими теплоизоляционными свойствами, представленными в таблице 3 на фиг. 3. То есть при высоких рабочих температурах Органит К обладает низкой тепло- и температуропроводностью, а так же высокой теплоемкостью.
Достигаемый результат обеспечивается не только наличием известных отличительных признаков, но и зависит от взаимодействия его с другими существенными признаками заявляемого способа, что позволяет ему расширить свои функциональные возможности и обеспечить высокий технический результат, заключающийся в выборе и соотношении исходных материалов, оптимизации технологических режимов формования, повышающих броне - и теплозащитные характеристики.
Расширенная функция, обеспечиваемая отличительными признаками, и получение неожиданного результата от использования этих признаков в совокупности с другими признаками, свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень".
При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявлении источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Промышленная применимость
Предлагаемое техническое решение обеспечивает возможность изготовления бронезащитного материала, обладающего высокими теплоизоляционными свойствами на существующем оборудовании. Это подтверждает промышленную применимость предлагаемого материала. Предложенный способ может быть использован в машиностроении, авиастроении и космической технике, там, где предъявляются высокие требования по обеспечению термостойкости и теплоизоляции элементов изделий. Предложенный вариант осуществления способа может быть реализован на существующем в настоящее время оборудовании с использованием имеющихся материалов. Это доказывает работоспособность и подтверждает промышленную применимость способа.