Библиографическое описание:

Бычкова Е. В., Курбатова Е. А., Панова Л. Г. Применение огнезащищенных вискозных нитей в качестве наполнителя полимерматричных композитов // Молодой ученый. — 2015. — №24.1. — С. 9-11.

Применение огнезащищенных вискозных нитей в качестве наполнителя полимерматричных композитов

Бычкова Елена Владимировна, кандидат технических наук, доцент;

Курбатова Екатерина Александровна, студент;

Панова Лидия Григорьевна, доктор химических наук, профессор

Энгельсский технологический институт Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

 

Одной из областей использования химических волокон и нитей является их применение в качестве наполнителей пoлимepныx кoмпoзициoнныx материалов (ПКМ). Данное направление использования волокон способствует решению задачи направленного регулирования структуры и свойств композиционных материалов, то есть обеспечивается возможность в больших пределах изменять хемостойкость, прочность и другие свойства изделий [1].

Для создания полимерматричных композитов пониженной горючести в работе применялись огнезащищенные вискозные нити (ВН), полученные методом пропитки их водными растворами замедлителей горения (ЗГ). В качестве ЗГ были выбраны производные диметилметилфосфоната различных марок (КГ-1, КГ-2, КГ-3, КЛ-5), представляющие собой фосфорорганические соединения, способствующие изменению направления реакций разложения и горения ВН в сторону выделения негорючих газов, снижающих концентрационный предел воспламенения, задерживающих поступление воздуха в зону горения, а также способствующих инициированию процессов дегидратации целлюлозы, обеспечивая повышенный выход карбонизованных структур при воздействии на ВН повышенных температур.

Исследовалось влияние температуры (90-150°С), давления прессования (8 и 30 МПа) и их одновременного воздействия (время прессования 15 мин) на физико-механические свойства немодифицированных и обработанных раствором ЗГ вискозных нитей. Реализация перечисленных интервалов температур и давлений позволит осуществить выбор типа термореактивной матрицы.

Термическая обработка нити осуществлялась без натяжения в сушильном шкафу. В исследовании применялась модельная система, состоящая из пластин сырой резины, которая позволяет достаточно точно моделировать передачу усилия между волокнистым материалом и связующим. Чтобы устранить прилипание нитей к поверхности сырой резины и избежать их повреждения, в качестве антиадгезива использовалась целлофановая пленка. У данной модельной системы имеются недостатки, такие как отсутствие жесткой фиксации наполнителя в матрице и его незащищенность от воздействия кислорода воздуха. Однако эта модельная система позволяет установить общие направления изменения свойств вискозных нитей в условиях переработки.

Вискозные нити нетермопластичны и относятся к сравнительно жесткоцепным полимерам, поэтому при увеличении температуры до 150°С прочность и удлинение нитей при разрыве не изменяются. Деформационно-прочностные свойства модифицированной нити незначительно снижаются в сравнении со свойствами исходной нити, а затем остаются неизменными в температурном диапазоне 90-120°С. Однако проведение термообработки при 150°С приводит к ухудшению свойств  на 40 %. Это, очевидно, объясняется воздействием продуктов деструкции ЗГ, разложение которых начинается при 150°С, на структуру ВН. Выделяющиеся газы не удаляются из зоны реакции, что инициирует разложение нити.

Значения разрывной нагрузки исходной и модифицированной нитей при воздействии на них давления уменьшаются на 10-20 %, что может быть связано с механодеструкцией полимера.

Совместное воздействие давления и температуры в большей степени снижает прочность нити, чем каждое из этих условий по отдельности (таблица 1).

 

Таблица 1

Влияние условий прессования на деформационно-прочностные свойства ВН

Состав пропиточной ванны, % масс.

Условия прессования

Разрывная
нагрузка, Н

Относительное
удлинение, %

температура, °С

давление, МПа

- /20 КГ-3

-

-

61/51

15/13

90

8

55/34

14/9

30

53/34

14/11

120

8

59/27

15/9

30

52/26

15/11

150

8

46/13

13/7

30

40/10

13/7

Примечание: в числителе – свойства исходной нити; в знаменателе – свойства модифицированной нити.

 

На основании полученных результатов установлены оптимальные условия прессования ПКМ, наполненных модифицированными ВН: давление – 8-30 МПа, температура – 90-120°С. При таких режимах прессования могут перерабатываться эпоксидные, мочевино- и меламиноформальдегидные смолы.

В исследованиях применялась эпоксидиановая смола (марка ЭД-20), которая содержит в макромолекуле глицидиловые группы. В качестве отвердителя эпоксидного олигомера использовался полиэтиленполиамин (ПЭПА), являющийся отвердителем низкотемпературного отверждения.

Используемые в исследованиях ЗГ вступают в химическое взаимодействие с ВН, изменяя при этом химический состав и структуру полимера [2,3]. В связи с этим изучалось влияние модификации вискозной нити на способность ее к смачиванию растворами олигомеров. Установлено, что высота капиллярного поднятия у модифицированных нитей выше в сравнении с исходной ВН (рисунок 1). Это объясняется образованием при модификации большого количества гидроксильных групп, которые способны к гидратации.

Рис.1.Зависимость смачиваемости модифицированных ВН 50 %-ным (масс.) раствором олигомера в ацетоне от состава модифицирующей ванны: 1 – ВН немодифицированная; 2- 5 – ВН, модифицированная из ванн с 20 %-ной (масс.) концентрацией ЗГ марок: 2 – КЛ-5; 3 – КГ-2; 4 – КГ-3; 5 – КГ-1

 

Исследовано влияние исходных и модифицированных нитей на изменение температуры в процессе отверждения ЭД-20 полиэтиленполиамином. Установлено, что введение в эпоксидную смолу немодифицированной ВН приводит к снижению теплового эффекта формирования сшитой структуры благодаря теплофизическим свойствам волокнистого полимера, а температурный максимум сдвигается в область низких температур - с 122 до 55°С. Введение в связующее ЗГ марок КГ-3 и КГ-2 с концентрацией
0,9 % масс. от массы ЭД-20, аналогичной их содержанию на нити, снижает температуру отверждения смолы до 78 и 83°С, соответственно. Наполнение композиции модифицированной ВН незначительно повышает температурный максимум отверждения наполненной композиции, и несколько ускоряет процесс ее отверждения, что связано с воздействием замедлителя горения на процесс формирования сетчатой структуры полимера (рисунок 2).

Применение термообработанных, содержащих замедлители горения КГ-2 и КГ-3, вискозных нитей в качестве наполнителя ПКМ способствует повышению кислородного индекса (КИ) материалов, при этом образцы не горят на воздухе и имеют незначительные потери массы (таблица 2). Такие материалы относятся к классу трудносгораемых.

Физико-механические свойства образцов ПКМ пониженной горючести незначительно снижаются (5-10 %) в сравнении с образцами ПКМ, армированными исходными немодифицированными нитями (таблица 3).

 

Рис.2. Влияние наполнения на кинетику отверждения эпоксидных смол полиэтиленполиамином:1-2 – ЭД-20, содержащая 5 % масс. наполнителя: 1 – ВН немодифицированной; 2 – ВН, модифицированной из ванн с 20 %-ной масс. концентрацией КГ-2; 3 – ЭД-20, содержащая 0,9 % масс. КГ-2; 4 – ЭД-20

Таблица 2

Показатели горючести ПКМ, полученных на основе эпоксидных смол,
армированных вискозными нитями при соотношении связующего и наполнителя 50:50

Состав композиции,

% масс.

Потери массы ПКМ при поджигании на воздухе, %

КИ,
% об.

Продолжительность самостоятельного горения образцов ПКМ, с

ЭД-20+15 ПЭПА+ВВ

78

21,5

70

ЭД-20+15 ПЭПА+ +(ВВ+20 КГ-2)

2,7

28,0

0

ЭД-20+15 ПЭПА+ +(ВВ+20 КГ-3)

1,9

28,0

0

 

 

Таблица 3

Свойства ПКМ, полученных на основе эпоксидных смол,
армированных вискозными нитями при соотношении связующего и наполнителя 50:50

Состав композиции,

% масс.

Условия прессования

Разрушающее напряжение, МПа

давление, МПа

температура, °С

при растяжении

при изгибе

ЭД-20+15 ПЭПА+ВВ

8/30

120

63/66

130/145

ЭД-20+15 ПЭПА+(ВВ+20 КГ-2)

8/30

120

61/62

129/133

ЭД-20+15 ПЭПА+(ВВ+20 КГ-3)

8/30

120

61/63

128/134

 

Показатели свойств таких материалов позволяют рекомендовать их для изготовления изделий автомобильной, электротехнической и других отраслей промышленности.

 

Литература:

  1. Технология полимерных материалов: учеб. пособие / Под ред. В.К.Крыжа-новского. - СПб.: Профессия, 2008. – 544 с.
  2. Бычкова, Е. В. Структура и свойства огнезащищенных вискозных волокон, модифицированных производными диметилметилфосфоната / Е. В. Бычкова, Л. Г. Панова // Химические волокна. – 2003. – № 6. – С. 34-36.
  3. Бычкова, Е. В. Взаимодействие замедлителей горения с вискозным волокном / Е. В. Бычкова, Л. Г. Панова // Химические волокна. – 2013. – № 6. – С. 27-32.
Основные термины: вискозных нитей, качестве наполнителя, огнезащищенных вискозных нитей, качестве наполнителя полимерматричных, Применение огнезащищенных вискозных, наполнителя полимерматричных композитов, ЗГ вискозных нитей, модифицированных нитей, свойств вискозных нитей, замедлителей горения, вискозных волокон, качестве наполнителя ПКМ, модифицированной нити незначительно, модифицированной ВН незначительно, модифицированных нитей выше, свойства огнезащищенных вискозных, растворами замедлителей горения, условия прессования ПКМ, горения ВН, ВН повышенных температур

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle