Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ОБРАБОТКИ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЕМ ИСХОДНЫХ ПРЕПРЕГОВ НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНОЙ СМОЛЫ, АРМИРОВАННОЙ РАЗЛИЧНЫМИ НИТЯМИ

Пятаев И.В. 1 Студенцов В.Н. 1
1 Энгельсский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВПО Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
Данная работа посвящена изучению применения СВЧ-колебаний для физической модификации реактопластов на основе эпоксидной смолы, армированной различными нитями. В этих материалах полимерной матрицей является отвержденная эпоксидная смола. Рассмотрено влияние СВЧ на структуру и свойства реактопластов, армированных различными нитями. Для получения полимерной арматуры потребовалось подобрать оптимальное содержание нитей, температурный режим, линейную скорость, продолжительность обработки и мощность источника СВЧ-колебаний. Актуальным направлением технологии модификации полимерной арматуры является повышение прочностных характеристик, которое может быть достигнуто путем кратковременной предварительной обработки исходного препрега излучением СВЧ. Волновая СВЧ-обработка влияет на конкуренцию процессов сшивания и линейного роста макроцепей при отверждении в сторону ускорения процесса сшивания. Такая обработка привела к дополнительному структурированию полимеров и обусловленным этим структурированием изменениям прочностных характеристик.
СВЧ
физическая модификация
капроновое волокно
стеклянное волокно
эпоксидная смола
1. Архангельский Ю.С. Сверхвысокочастотная электротехнология. Саратовская школа электротехнологов // Вестник СГТУ. - 2011. - № 4. – Вып. 3. - 243 с.
2. Ибаев М.О., Студенцов В.Н., Черемухина И.В. Совершенствование технологии полимерной арматуры из реактопластов с применением постоянного электрического поля // Дизайн. Материал. Технология. – 2012. - № 5 (25). - С. 133-135.
3. Мурадов А.Б., Черемухина И.В., Студенцов В.Н., Кузнецов В.А. Применение ультрафиолетового излучения в технологии армированных реактопластов // Вестник СГТУ. – 2007. - № 1. - Вып. 3. - С. 57-62.
4. Справочник по композиционным материалам / под ред. Дж. Любина, Б.Э. Геллера. - М. : Машиностроение, 1988. - Кн. 1. - 448 с.; Кн. 2. - 580 с. - ISBN 5-217-00224-7.
5. Студенцов В.Н., Пятаев И.В. Влияние колебательных воздействий на процессы структурообразования в полимерах // Журнал прикладной химии. - 2014. - Т. 87. - Вып. 3. - С. 389-392.

Волокнонаполненные армированные стержни из реактопластов формовали способом пултрузии. Данный способ обладает высокой производительностью, обеспечивает высокую прочность и однородность изделий. Пултрузию применяют для получения армированных длинными нитями погонных изделий (трубы, стержни) из невысоконаполненных материалов с содержанием наполнителя менее 90% [4].

Рис. 1. Принципиальная схема пултрузионной установки для исследования способов физической модификации армированных реактопластов: 1 - система для подачи волокна; 2 - ванна для совмещения связующего и наполнителя; 3 - устройство для физической обработки препрега; 4 - формующая головка; 5 - тянущее устройство; 6 - отрезная машина

Ранее были проведены исследования по изучению влияния других физических обработок препрегов при формовании стержней [2]. В этой работе способом пултрузии получены высокопрочные полимерные стержни при использовании в качестве связующего смеси эпоксидной смолы ЭД-20 с отвердителем холодного отверждения полиэтиленполиамин (ПЭПА), однако использование ПЭПА в реальном непрерывной производстве не технологично. В данной работе применили смесь эпоксидной смолы ЭД-20 с ангидридным отвердителем горячего отверждения. В качестве армирующих наполнителей использовали стеклянную техническую нить и нить капрон.

Обработка электромагнитными колебаниями СВЧ относится к физическим методам модификации полимерных композиционных материалов (ПКМ). Применение излучений СВЧ в электротехнологических процессах (микроволновые технологии) и для модификации материалов является одним из основных направлений современной технологии [1].

Принципиальное отличие данной работы от известных состоит в том, что обработку СВЧ-излучением обычно применяют для перевода материала в вязкотекучее состояние в процессе формования изделий. В данной работе применяли кратковременную обработку препрега СВЧ-излучением без перевода твердофазных компонентов в вязкотекучее состояние.

В качестве физической модификации применялась СВЧ-обработка препрега. Такая обработка является экономичным приемом для регулирования свойств получаемых изделий.

Преимуществом СВЧ-излучения является его более высокая проникающая способность - это излучение влияет на весь объем материала.

Под влиянием СВЧ-колебаний, как и при нагревании, повышается подвижность структурных элементов полимера, то есть по существу такие воздействия эквивалентны повышению температуры [5].

Для получения полимерной арматуры потребовалось подобрать оптимальное содержание нитей, температурный режим, линейную скорость, мощность и продолжительность обработки.

Оптимальное количество нитей для получения стержней заданного диаметра зависит от толщины используемых нитей: количество нитей растет с уменьшением толщины нитей. От количества нитей зависит содержание связующего в образцах, в данной работе оно составляло 35-45% масс.

Формование и отверждение образцов проводили при повышенных температурах ниже температуры размягчения и плавления армирующих нитей.

Линейная скорость была определена как отношение длины формующей головки к оптимальной продолжительности отверждения. Оптимальная продолжительность определяется временем, необходимым для равномерного прогрева формуемого образца.

Образцы формовали из необработанного препрега и препрега, обработанного при различной мощности источника излучения. Оптимальная мощность источника обеспечивает значительное упрочнение без разрушения волокнистой структуры нитей. Мощность обработки варьировали от 0 до оптимального значения в диапазоне устройства СВЧ. Повышение мощности выше оптимальной приводило к тому, что препрег отверждался непосредственно в камере обработки, а при недостаточной мощности источника СВЧ-обработка слабо влияла на характеристики получаемого материала.

Оптимальная продолжительность обработки препрега обеспечивает равномерный прогрев препрега без изменения агрегатного состояния нитей и увеличение прочностных характеристик получаемых изделий при повышении температуры обработки. При продолжительности меньше оптимальной происходит незначительное улучшение характеристик и недостаточный прогрев, а при продолжительности больше оптимальной происходит преждевременное отверждение связующего.

Отработка параметров оптимального технологического режима позволила проанализировать влияние СВЧ на структуру и свойства получаемых ПКМ.

Полученные образцы подвергали испытаниям для определения следующих характеристик:

σи - разрушающее напряжение при статическом изгибе МПа (ГОСТ 4678-71);

aуд - ударная вязкость, кДж/м2 (ГОСТ 4648-71);

σраст - разрушающее напряжение при растяжении, МПа (ГОСТ 11262-80);

Ep – модуль упругости, МПа (ГОСТ 9550-81).

Таблица 1

Влияние СВЧ-обработки на прочностные характеристики ПКМ

Мощность, Вт

Наполнитель

а уд, кДж/м2

∆ а уд

σ изг, МПа

∆σизг

σ раст, МПа

∆ σраст

Ep, МПа

∆ Ep

0

Капрон

139

-

167

-

95

-

9460

-

СН

223

-

262

-

196

-

16350

-

180

Капрон

124

-0,11

187

+0,11

109

+0,13

10700

+0,17

СН

210

- 0,05

287

+0,10

206

+0,05

17700

+0,08

300

Капрон

121

-0,13

198

+0,16

114

+0,17

12550

+0,25

СН

200

-0,11

301

+0,15

220

+0,12

19880

+0,21

Значения, приведённые в таблице 1, показали, что предварительная кратковременная обработка препрегов СВЧ-излучением привела:

  • к понижению ударной вязкости на 5-11% для ПКМ, армированных стеклянными нитями, и понижению на 11-13% для ПКМ, армированных капроновыми нитями;
  • к повышению разрушающего напряжения при статическом изгибе на 10-15% для ПКМ, армированных стеклянными нитями, и повышению на 11-16% для ПКМ, армированных капроновыми нитями;
  • к повышению разрушающего напряжения при растяжении на 5-12% для ПКМ, армированных стеклянными нитями, и на 13-17% для ПКМ, армированных капроновыми нитями;
  • к повышению модуля упругости на 8-21% для ПКМ, армированных стеклянными нитями, и на 17-21% для ПКМ, армированных капроновыми нитями;

по сравнению с образцами, не подвергнутыми обработке, при этом эффект влияния обработки усиливается с увеличением мощности источника излучения. Продолжительность не может быть меньше 2-3 минут, так как при меньшей продолжительности не достигается равномерный прогрев материала. Дальнейшее увеличение мощности источника более 300 Вт вызывает преждевременное отверждение препрега.

Анализ таблицы 1 показал, что все наблюдаемые эффекты изменения прочностных характеристик с вероятностью 95% превышают максимальные абсолютные погрешности. Наблюдаемые эффекты значительно выше абсолютных погрешностей, то есть является надёжными результатами.

Две главные рассмотренные прочностные характеристики - ауд и σ изг – для сетчатых полимеров являются структурными антиподами: при сокращении средней массы межузловых цепей в процессе отверждения ауд сокращается, а σ изг возрастает. Наблюдаемое в результатах эксперимента понижение ауд и повышение σ изг после обработки СВЧ говорит о том, что обработка СВЧ вызывает дополнительное структурирование материала. Таким образом, волновая СВЧ-обработка влияет на конкуренцию процессов сшивания и линейного роста макроцепей при отверждении в сторону ускорения процесса сшивания в отличие от волновой обработки УФИ, которая приводит к преимущественному увеличению ударной вязкости армированных материалов, то есть способствует усилению направления линейного роста макроцепей [3].

Возрастание модуля упругости образцов ПКМ в результате кратковременной предварительной обработки препрега СВЧ-излучением свидетельствует об увеличении степени сшивания связующего, то есть о сокращении средней массы межузловых цепей. Наибольшее увеличение модуля упругости происходит у материала с капроном.

Упрочнение материала с капроном вследствие обработки СВЧ-излучением обусловлено не только влиянием СВЧ на частоту сшивки связующего. После применяемой обработки возрастает прочность капроновых нитей вследствие образования в поликапроамиде дополнительного количества водородных связей.

Выводы

Существуют три возможные причины упрочняющего влияния обработки препрега СВЧ-излучением:

  • дополнительное сшивание макроцепей полимерной матрицы;
  • упрочняющее влияние СВЧ на армирующие нити;
  • усиление адгезии между связующим и наполнителем.

Рецензенты:

Арзамасцев С.В., д.т.н., профессор, декан технологического факультета Энгельсского технологического института, г. Энгельс;

Клинаев Ю.В., д.ф.-м.н., профессор кафедры технической физики и информационных технологий, г. Энгельс.


Библиографическая ссылка

Пятаев И.В., Студенцов В.Н. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ОБРАБОТКИ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЕМ ИСХОДНЫХ ПРЕПРЕГОВ НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНОЙ СМОЛЫ, АРМИРОВАННОЙ РАЗЛИЧНЫМИ НИТЯМИ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=18218 (дата обращения: 03.03.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074