НОВЫЕ ПОЖАРОБЕЗОПАСНЫЕ УГЛЕПЛАСТИКИ С ПОВЫШЕННЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Из конструкционных композиционных материалов наибольшее значение имеют композиты армированные волокнами, так как они вследствие максимальной анизотропии строения обладают рядом экстремальных свойств, в том числе высокими значениями прочности и модуля упругости.

В данной работе для повышения комплекса физико-механических свойств и снижения горючести углеродную ткань вводили в пластифицированную эпоксидную композицию.

Углеродные волокна при низком удельном весе обладает очень высокой прочностью, так как комплексная нить, использованная в производстве лент и тканей состоит из элементарных нитей 5-10 мкм в диаметре. В структуре углеродной нити атомы углерода соединены в кристаллы, выровненные параллельно длинной оси волокна. Выравнивание кристаллов придает материалу высокую прочность на растяжение. Углеткани, как и углеродные волокна, характеризуются устойчивостью к воздействию большинства химически агрессивных реагентов, низкими удельным весом и коэффициентом температурного расширения, что обеспечивает возможность применения ее при производстве сверхпрочных пластиков для нужд авиакосмической, судостроительной и автомобильной промышленности.

Углеродные волокна обладают еще и высокой  термической  и химической  стойкостью и  могут быть использованы для получения углеродных композиционных материалов практически со всеми видами матриц. С полимерными матрицами, в том числе с эпоксидными, они позволяют получать композиционные материалы конструкционного назначения, химически стойкие, с высокими прочностью и теплостойкостью. Эпоксиуглепластики обладают наиболее высокими, в сравнении с другими полимерными матрицами, упруго- прочностными свойствами.

Выбор в качестве пластификаторов трикрезилфосфата (ТКФ) и трихлорэтилфосфата (ТХЭФ) обусловлен наличием в их составе ингибиторов горения (фосфора и хлора в ТХЭФ и фосфора в ТКФ). Как доказано ранее ТХЭФ и ТКФ [1-4], вступают в химическое взаимодействие с эпоксидным олигомером. Наличие в ТХЭФ и ТКФ фосфора способствует при воздействии температур структурированию эпоксидного полимера и увеличению способности к коксообразованию, за счет влияния продуктов их разложения на процессы при деструкции эпоксидной композиции. При этом достигается, как показано на примере образцов с ТХЭФ, снижение потерь массы при горении и повышение кислородного индекса (КИ) до 30 % объём, а также изменяются структура и теплофизические свойства кокса, что способствует усилению его теплозащитных свойств [2-3, 5]. При сгорании образцов, не содержащих в составе ТХЭФ, кокс имеет однородную структуру, не разделяющуюся без разрушения, а образцы, содержащие ТХЭФ при сгорании образуют кокс, на поверхности которого формируется «шапка» пенококса высокой пористости, легко отделяющаяся из-за наличия газовой прослойки между основной частью кокса и пенококсом. Образование газовой прослойки связано с большой вязкостью пиролизующейся модифицированной композиции, затрудняющей выход газов пиролиза.

Углеткань марки УТ-900П (карбонизованная) в количестве от 20 до 50 масс.ч. вводилась в эпоксидный состав, содержащий на 100 масс.ч. ЭД-20 30 масс.ч. пластификатора (ТХЭФ и ТКФ) и 40 масс.ч. отвердителя ПО-300.      Формование углепластика осуществляли двумя способами: пропиткой ткани эпоксидным составом с последующим отверждением в течение 24 часов при комнатной температуре и термообработкой при температуре 90 0С и 150 0С течение 60 мин (модельные образцы) и прямым прессованием при температуре 150 0С и давлении 25 МПа.

При оценке влияния армирующего наполнителя на свойства композита установлено, что введение углеродной ткани в непластифицированную эпоксидную смолу повышает устойчивость к изгибу вдвое, к удару – в 4 раза, (Табл.1).

При увеличении содержания в пластифицированном составе углеродной ткани с 20 до 50 масс.ч. деформационно-прочностные свойства до степени наполнения 40 масс.ч. существенно не изменяются (Табл.1).

   Таблица 1

Свойства эпоксидных композитов, пластифицированных ТКФ

Примечание: Gиз  – разрушающее напряжение при изгибе; ауд   – ударная вязкость; Hв  –  твердость  по Бринеллю; КИ – кислородный индекс; коэффициент вариации по свойствам 5-10%.

Замена пластификатора ТКФ на ТХЭФ (Табл.2), введенного также в количестве 30 масс.ч., обеспечивает существенное повышение физико-механических свойств: ударная вязкость увеличивается с 50 до 162 кДж/м2, образцы при испытаниях на изгиб не разрушаются при значении изгибающего напряжения – 34 МПа.

Свойства эпоксидных композитов, пластифицированных ТХЭФ

Примечание: Gиз – разрушающее  напряжение при изгибе; ауд – ударная вязкость; Hв – твердость  по Бринеллю; КИ – кислородный индекс; коэффициент вариации по свойствам 5-10%, * – образцы не разрушается, прогиб на 1,5 толщины образца; образцы 3,5,6,7 – модельные; 4 – прессованный, 5 – отвержденный при 150 0С.

 Образцы, полученные методом прямого прессования при температуре 1500С, характеризуются более высокой степенью отверждения 90% (Табл.2), что приводит к снижению ударной вязкости со 162 до 91 МПа, но изгибающее напряжение возрастает с 34 до 127 МПа.

Изменение схемы армирования с ортотропной на использование однонаправленных углеродных волокон (образец 6, табл.2) приводит к значительному повышению всего комплекса механических свойств, вследствие возможности максимально реализовать упруго-прочностные свойства армирующего наполнителя.

Разработанные углепластики на воздухе не воспламеняются и по показателю воспламеняемости (кислородному индексу) относятся к классу трудносгораемых материалов и превосходят по уровню свойств промышленные углепластики.

Список литературы

1.     Мостовой А.С., Плакунова Е.В., Панова Л.Г. Разработка составов и исследование свойств пожаробезопасных эпоксидных компаундов // Дизайн. Материалы. Технология. – 2012. – № 5 (25). – C. 135-137.

2.     Мостовой А.С., Панова Л.Г., Санукова А.А., Плакунова Е.В. Исследование процессов при пиролизе и горении модифицированных эпоксидных полимеров // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2013. – № 8.– C. 17-21.

3.     Мостовой А.С., Плакунова Е.В., Панова Л.Г. Разработка огнестойких эпоксидных композиций и исследование их структуры и свойств // Перспективные материалы. – 2014. – № 1. – C. 37-43.

4.     Мостовой А.С. Новые эпоксидные композиции на основе полититанатов калия / А.С. Мостовой, Е.В. Плакунова, Л.Г. Панова // Пластические массы. – 2012. – № 3. – C. 33-35.

5.     Яковлев Е.А. Исследование влияния  физико-химических методов  модификации наполненной  клеевой эпоксидной композиции / Е.А. Яковлев, А.С. Мостовой, Е.В. Плакунова, Л.Г. Панова // Дизайн. Материалы. Технология. – 2013. – № 5 (30). – C. 149-152.