Эпоксидные стеклопластики с улучшенной влагои водостойкостью

УДК 678.8

М.И. Мелёхина, Н.С. Кавун, В.П. Ракитина

ЭПОКСИДНЫЕ СТЕКЛОПЛАСТИКИ С УЛУЧШЕННОЙ ВЛАГО- И ВОДОСТОЙКОСТЬЮ

Приведены исследования свойств стеклотекстолитов на основе эпоксидных связующих и различных структур стеклянных наполнителей с использованием новых замасливателей. Изучено влияние состава стекла на прочностные характеристики стеклотекстолитов, а также водо- и влагопоглощение.

Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, стеклотекстолиты, эпоксидные связующие, водостойкость, прочностные характеристики.

Research ofproperties offiberglass plastics based on epoxy resins and different structures of glass fillers with new finishing mixtures is described in this article. An effect of glass fiber composition on strength characteristics of fiberglass plastics and also water- and moisture absorption was studied.

Key words: polymer matrix composites, fiberglass plastics, epoxy resins, water resistance, strength characteristics.

Композиционные материалы на основе стеклянных наполнителей широко применяются для изготовления изделий авиационной и ракетной техники. В последние годы к стеклотекстолитам предъявляются все более высокие требования по прочности и эксплуатационной надежности в различных климатических условиях.

Разработкой и исследованием ПКМ на основе стеклянных наполнителей для авиационной промышленности занимаются как в России, так и в ряде зарубежных стран. В отечественном авиастроении значительное место в области их создания традиционно занимает ВИАМ. Широко используются стеклотекстолиты на основе стеклотканей из алюмоборосиликатного стекла марки Е и силанового замасливателя №80. Разработанный в институте стеклотекстолит на основе стеклоткани сатинового переплетения Т-10-80 (из алюмоборосиликатного стекла марки Е) и эпоксидного связующего имеет недостаточные модуль упругости и прочность при растяжении: Е=35 ГПа, св=650 МПа, что ограничивает их применение в авиационных конструкциях. К тому же в настоящее время замасливатель №80 не рекомендуется к применению из-за его токсичности, вместо него предлагаются стеклянные наполнители с прямым силановым замасливателем №14 (стеклоткань Т-10-14). Однако стеклотекстолиты на этих наполнителях имеют меньшую прочность и климатическую стойкость. В то же время, зарубежный стеклотекстолит на основе стеклоткани из стекла S2 и эпоксидного связующего фирмы Cytec 934 имеет Е=38 ГПа, св=850 МПа. В связи с этим было целесообразно проведение исследований по созданию стеклотекстолитов на основе новых стеклянных наполнителей с повышенными прочностными характеристиками и улучшенной климатической стойкостью (пониженным влаго- и водопоглощением) [1, 2].

Исследованы стеклотекстолиты на основе стеклянных наполнителей алюмомагнийсиликат-ного состава (типа ВМП) и новых замасливателей, обеспечивающих создание ПКМ с повышенной прочностью, улучшенной водостойкостью и сохраняющих стабильные механические свойства при использовании в изделиях авиационной техники на весь ресурс эксплуатации во всех климатических условиях.

Волокна типа ВМП обладают прочностью при растяжении 4500-5000 МПа, что в 1,4—1,5 раза выше прочности волокна марки Е (св=3500 МПа), модуль упругости волокна ВМП составляет 95000 МПа, что также больше, чем у волокна Е (£=70000 МПа). Стеклянное волокно ВМП имеет и меньшее значение диэлектрической проницаемости е=5,8 вместо е=6,2 у стекла Е, что позволяет улучшить тактико-технические характеристики изделий радиотехнического назначения. С целью повышения водостойкости стеклотекстолитов в их составе исследовались наполнители на новом активном силановом замас-ливателе №4с [3, 4].

В ходе проведения исследований: модуль упругости при растяжении определялся по ГОСТ 9550-81, прочность при растяжении по ГОСТ 11262-80, прочность при изгибе по ГОСТ 4648-71, водо- и влагопоглощение по ГОСТ 4650-90.

Для получения стеклотекстолитов с повышенной прочностью исследованы образцы ПКМ на основе: эпоксидного связующего и стеклянных наполнителей — стеклоткани сатиновой структуры марок Т-10(ВМП)-14 и Т-10(ВМП)-4с на основе высокомодульного алюмомагнийсиликатного стекла типа ВМП (аналог применяемого за рубежом стекла S2) и замасливателей №14 и №4с; а также для сравнения - из стеклоткани марки Т-10-14 на основе алюмоборосиликатного стекла марки Е.

Исследован комплекс физико-механических свойств стеклотекстолитов в исходном состоянии и после кипячения в воде в течение 2 ч. Результаты испытаний представлены в табл. 1.

Использование в качестве армирующего наполнителя стеклоткани на основе алюмомаг-нийсиликатного стекла (типа ВМП) в составе стеклотекстолита позволило повысить прочностные характеристики на 15-40%. Применение нового активного силанового замасливателя №4с вместо прямого замасливателя №14 привело к увеличению механической прочности дополнительно на 10%, а также позволило уменьшить во-допоглощение образцов стеклотекстолита на 10-20%.

Исследованы физико-механические свойства стеклотекстолита на эпоксидном связующем и стеклоткани Т-10(ВМП)-4с после тепловлажност-ного воздействия. Выдержка образцов проводилась при температуре 70°С и ф=98% в течение 0,5

и 1 мес. Процент сохранения прочности при статическом изгибе составил при температуре 20°С: 88 и 81%; при температуре 80°С: 81 и 77% соответственно [5].

С целью исследования влияния выбранных стеклянных наполнителей на свойства более теплостойких ПКМ с рабочей температурой до 150°С исследован комплекс физико-механических свойств стеклотекстолитов на основе более термостойкого эпоксидного связующего. Свойства полученных стеклотекстолитов представлены в табл. 2.

Исследованы физико-механические свойства стеклотекстолитов в исходном состоянии и после тепловлажностного воздействия. Выдержка образцов проводилась при температуре 60°С и ф=85% в течение 0,5 и 1 мес. Данные по сохранению прочности при статическом изгибе приведены в табл. 3 [6, 7].

Таблица 1

Результаты испытаний образцов стеклотекстолитов

Свойства Условия Температура Значения свойств стеклотекстолитов

испытания испытания, на основе стеклоткани

°С Т-10-14 Т-10(ВМП)-14 Т-10(ВМП)-4с

Прочность при В исходном 20 740 940 1100

статическом изгибе, МПа состоянии 80 655 815 825

150 505 590 605

После 2 ч 20 680 965 1010

кипячения 80 575 755 810

Прочность В исходном 20 530 745 825

при растяжении, МПа состоянии

Модуль упругости То же 20 27,3 37,1 40,8

при растяжении, 1Па

Результаты испытаний образцов стеклотекстолитов

Таблица 2

Свойства Температура Значения свойств стеклотекстолитов

испытания, °С на основе стеклоткани

Т-10-14 Т-10(ВМП)-14 Т-10(ВМП)-4с

Прочность при статическом изгибе, МПа 20 1010 1040 1100

120 754 798 818

170 442 491 553

Прочность при растяжении, МПа 20 652 747 925

Модуль упругости при растяжении, ГПа 20 31,7 35,3 40,7

Таблица 3

Сохранение прочности при статическом изгибе стеклотекстолитов на основе различных стеклотканей после термовлажностного старения

Стеклоткань Продолжительность выдержки, мес Сохранение прочности при статическом изгибе, %, при температуре, °С

20 120

Т-10-14 Т-10(ВМП)-14 0,5 1 0,5 1 0,5 1 82 79 89 84 65 63 71 67 77 74

Т-10(ВМП)-4с 95 93

Проведены сравнительные исследования водо-поглощения образцов стеклотекстолитов на основе выбранных связующих и наполнителей. Результаты испытаний представлены на рисунке.

Из анализа полученных данных следует, что применение стеклоткани Т-10(ВМП)-4с из стекловолокна алюмомагнийсиликатного состава (типа ВМП) и активного силанового замасливателя №4с - по сравнению с армирующим стеклянным наполнителем Т-10-14 из стекловолокна алюмоборосиликатного состава - позволило уменьшить водопоглощение стеклотекстолита на 10% [8].

Для получения ПКМ с повышенными прочностными характеристиками, предназначенных для эксплуатации в условиях повышенной влажности, целесообразно использование армирующих наполнителей на основе высокомодульного, высокопрочного алюмомагнийсиликатного стекла (типа ВМП). Применение стеклянных наполнителей из стекловолокна алюмомагнийсиликатного состава и нового активного силанового замасливателя №4с позволило получить стеклотекстоли-ты с повышенными прочностными характеристиками и улучшенной влаго- и водостойкостью. Эти

стеклотекстолиты могут применяться для изготовления радиотехнических, слабо- и среднена-груженных конструкций (зализы, створки люков и др.) перспективных гражданских пассажирских самолетов, эксплуатирующихся во всеклиматиче-ских условиях.

0,3

1 2 3 4 5 6

Водопоглощение за 1

ЛИТЕРАТУРА

1. Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Стеклопластики - многофункциональные композиционные материалы /В сб.: Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-технич. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»), М.: ВИАМ. 2012. С. 253-260.

2. Душин М.И., Хрульков A.B., Мухаметов P.P., Чурсо-

ва Л.В. Особенности изготовления изделий из ПКМ методом пропитки под давлением //Авиационные материалы и технологии. 2012. №1. С. 18-26.

3. История авиационного материаловедения: ВИАМ -75 лет поиска, творчества, открытий /Под общ. ред. E.H. Каблова. М.: Наука. 2007. 343 с.

4. Физико-химические основы технологии композиционных материалов: Учеб. пособие. М.: МИСиС. 2011. 163 с.

5. Фомин A.B., Ракитина В.П., Кавун Н.С. Стеклопластики конструкционного назначения /В сб.: Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ»

1932-2002 /Под общ. ред. E.H. Каблова. М.: МИСиС. ВИАМ. 2002. С. 291-300.

6. Мухаметов P.P., Ахмадиева K.P., Чурсова Л.В., Коган ДИ Новые полимерные связующие для перспективных методов изготовления конструкционных волокнистых ПКМ //Авиационные материалы и технологии. 2011. №2. С. 38-42.

7. Кириллов В.В., Кавун Н.С., Деев И.С., Ракитина В.П., Ефи-

мов В.А. Исследование влияния тепловлажностного воздействия на свойства эпоксидных стеклотекстолитов //Пластические массы. 2008. №9. С. 14-17.

8. Ракитина В.П., Кавун Н.С., Кириллов В.В., Деев И.С., Топунова Т.Э., Ефимов В.А. Исследование климатической стойкости эпоксидных стеклотекстолитов, применяемых в сотовых и монолитных конструкциях самолетов /В сб. докладов VI научно-технической конференции «Гидросалон-2006». М.: ЦАГИ. 2006. С. 28-32.