RU2655805C1 - Эпоксидное связующее, препрег на его основе и изделие, выполненное из него - Google Patents
Эпоксидное связующее, препрег на его основе и изделие, выполненное из него Download PDFInfo
- Publication number
- RU2655805C1 RU2655805C1 RU2017130861A RU2017130861A RU2655805C1 RU 2655805 C1 RU2655805 C1 RU 2655805C1 RU 2017130861 A RU2017130861 A RU 2017130861A RU 2017130861 A RU2017130861 A RU 2017130861A RU 2655805 C1 RU2655805 C1 RU 2655805C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- epoxy
- binder
- prepreg
- temperature
- epoxy binder
- Prior art date
Links
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 title claims abstract description 67
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 title claims abstract description 51
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims abstract description 21
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims abstract description 21
- 239000004848 polyfunctional curative Substances 0.000 claims abstract description 16
- IISBACLAFKSPIT-UHFFFAOYSA-N bisphenol A Chemical compound C=1C=C(O)C=CC=1C(C)(C)C1=CC=C(O)C=C1 IISBACLAFKSPIT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 claims abstract description 12
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000012765 fibrous filler Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims abstract description 9
- 150000003672 ureas Chemical class 0.000 claims abstract description 9
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims abstract description 8
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 25
- QGBSISYHAICWAH-UHFFFAOYSA-N dicyandiamide Chemical compound NC(N)=NC#N QGBSISYHAICWAH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims description 6
- LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N haloperidol Chemical compound C1CC(O)(C=2C=CC(Cl)=CC=2)CCN1CCCC(=O)C1=CC=C(F)C=C1 LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000004695 Polyether sulfone Substances 0.000 claims description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229920006393 polyether sulfone Polymers 0.000 claims description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 150000002989 phenols Chemical class 0.000 claims description 3
- 229920006287 phenoxy resin Polymers 0.000 claims description 3
- 239000013034 phenoxy resin Substances 0.000 claims description 3
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000004841 bisphenol A epoxy resin Substances 0.000 claims description 2
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 claims description 2
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 11
- 238000004321 preservation Methods 0.000 abstract description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 7
- 238000000465 moulding Methods 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 238000007906 compression Methods 0.000 abstract description 3
- 230000006835 compression Effects 0.000 abstract description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- MQJKPEGWNLWLTK-UHFFFAOYSA-N Dapsone Chemical compound C1=CC(N)=CC=C1S(=O)(=O)C1=CC=C(N)C=C1 MQJKPEGWNLWLTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 8
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 7
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 230000035899 viability Effects 0.000 description 6
- 239000012782 phase change material Substances 0.000 description 4
- 238000002135 phase contrast microscopy Methods 0.000 description 4
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 3
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 3
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- IGALFTFNPPBUDN-UHFFFAOYSA-N phenyl-[2,3,4,5-tetrakis(oxiran-2-ylmethyl)phenyl]methanediamine Chemical compound C=1C(CC2OC2)=C(CC2OC2)C(CC2OC2)=C(CC2OC2)C=1C(N)(N)C1=CC=CC=C1 IGALFTFNPPBUDN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 3
- LXBGSDVWAMZHDD-UHFFFAOYSA-N 2-methyl-1h-imidazole Chemical compound CC1=NC=CN1 LXBGSDVWAMZHDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920003319 Araldite® Polymers 0.000 description 2
- 125000000951 phenoxy group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(O*)C([H])=C1[H] 0.000 description 2
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 2
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- XMTQQYYKAHVGBJ-UHFFFAOYSA-N 3-(3,4-DICHLOROPHENYL)-1,1-DIMETHYLUREA Chemical compound CN(C)C(=O)NC1=CC=C(Cl)C(Cl)=C1 XMTQQYYKAHVGBJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 101000685293 Homo sapiens Seizure 6-like protein 2 Proteins 0.000 description 1
- 101000838578 Homo sapiens Serine/threonine-protein kinase TAO2 Proteins 0.000 description 1
- 102100023161 Seizure 6-like protein 2 Human genes 0.000 description 1
- 229920003291 Ultrason® E Polymers 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000000113 differential scanning calorimetry Methods 0.000 description 1
- CZZYITDELCSZES-UHFFFAOYSA-N diphenylmethane Chemical compound C=1C=CC=CC=1CC1=CC=CC=C1 CZZYITDELCSZES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 125000001495 ethyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920001225 polyester resin Polymers 0.000 description 1
- 239000004645 polyester resin Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 150000003512 tertiary amines Chemical class 0.000 description 1
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000008719 thickening Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L63/00—Compositions of epoxy resins; Compositions of derivatives of epoxy resins
- C08L63/04—Epoxynovolacs
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
- C08G59/00—Polycondensates containing more than one epoxy group per molecule; Macromolecules obtained by polymerising compounds containing more than one epoxy group per molecule using curing agents or catalysts which react with the epoxy groups
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
- C08J5/24—Impregnating materials with prepolymers which can be polymerised in situ, e.g. manufacture of prepregs
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L63/00—Compositions of epoxy resins; Compositions of derivatives of epoxy resins
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Reinforced Plastic Materials (AREA)
- Epoxy Resins (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области создания расплавных эпоксидных связующих для конструкционных полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе волокнистых наполнителей, получаемых по препреговой технологии, с энергоэффективными режимами отверждения, которые могут быть использованы в авиационной, вертолетной, машино-, авто-, судостроительной промышленности и других отраслях техники. Эпоксидное связующее включает следующие компоненты при соотношении их в масс. %: эпоксидная полифункциональная смола 22,0-38,0; эпоксидная смола на основе бисфенола А 40,0-50,0; термопласт 7,0-13,0; латентный отверждающий агент - дициандиамид 3,0-7,0; отвердитель - 4,4'-диаминодифенилсульфон 4,7-15,0; ускоритель - несимметрично дизамещенная мочевина 0,3-3,0. Препрег включает указанное эпоксидное связующее и волокнистый наполнитель при следующем соотношении, масс. %: эпоксидное связующее 30,0-50,0, волокнистый наполнитель 50,0-70,0. Изделие получают путем вакуумного формования препрега. Разработанное эпоксидное связующее и препрег, изготовленный на его основе, демонстрирует улучшенные технологические характеристики, что упрощает процесс получения ПКМ, а также дает возможность получать изделия с более высоким уровнем сохранения физико-механических свойств (предел прочности при сжатии при температуре 20°С) после воздействия негативных эксплуатационных факторов, характеризующиеся низкой пористостью и незначительным разбросом в значениях прочности, что обеспечивает снижение коэффициента вариации физико-механических свойств ПКМ (предел прочности при межслоевом сдвиге при температуре 20°С). 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 табл., 1 пр.
Description
Изобретение относится к области создания расплавных эпоксидных связующих для конструкционных полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе волокнистых наполнителей, получаемых по препреговой технологии, с энергоэффективными режимами отверждения, которые могут быть использованы в авиационной, вертолетной, машино-, авто-, судостроительной промышленности и других отраслях техники.
Из уровня техники известно эпоксидное связующее для получения препрегов, содержащее эпокситрифенольную смолу, низкомолекулярную и высокомолекулярную эпоксидиановые смолы, отвердители дициандиамид (ДЦДА) и бис-(N,N'-диметилкарбамид)дифенилметан, растворитель (смесь этилового, изопропилового спирта и ацетона) и двуокись кремния. Препрег, получаемый по растворной технологии, включает 30-42 мас. % эпоксидного связующего и 58-70 мас. % волокнистого наполнителя. Из созданного препрега путем формования получают крупногабаритные изделия, такие как лонжероны лопастей вертолетов и т.п. (RU 2263690 С1, 10.11.2005 г.).
Основным недостатком этого эпоксидного связующего является содержание в его составе большого количества инертного легколетучего органического растворителя (до 40%), что усложняет технологию получения ПКМ из него и способствует ухудшению экологической и пожарной безопасности процесса его переработки. Удаление летучих продуктов обычно приводит к образованию сильной пористости в изделиях из ПКМ, что сопровождается падением упруго-прочностных свойств.
Формование ПКМ происходит при высоких температурах (последняя ступень до 180°С), что делает процесс их изготовления достаточно энергозатратным.
Известно другое эпоксидное связующее для препрегов, содержащее высокомолекулярную эпоксидиановую смолу, отвердители дициандиамид и 2-метилимидазол, азотсодержащую эпоксидную смолу и сложную полиэфирную смолу. Препрег, изготовленный на основе данного связующего, включает 55-65 мас. % волокнистого наполнителя и 35-45 мас. % связующего. Из полученного препрега изготавливают трехслойную сотовую панель из ПКМ для воздушных судов и других транспортных средств (RU 2559495 С1, 10.08.2015 г.).
Указанное эпоксидное связующее и препреги на его основе ввиду наличия азотсодержащей эпоксидной смолы марки УП-610, характеризующейся повышенной реакционной способностью, а также достаточно активного при комнатной температуре отвердителя 2-метилимидазола, имеют невысокую жизнеспособность при температуре 25°С - не более 5 суток, что усложняет процесс их переработки и требует использования холодильной техники для увеличения сроков их хранения.
Наиболее близкими аналогами, принятыми за прототип, являются:
- эпоксидная композиция, представляющая собой смесь эпоксидных смол: полифункциональной на основе тетраглицидилдиаминодифенилметана: 46,7 масс. % и дифункциональной на основе бисфенола А: 20,0 масс. %, термопласта - полиэфирсульфона: 6,7 масс. %, латентного отверждающего агента дициандиамида (ДЦДА): 2,0 масс. %, отвердителя 4,4'-диаминодифенилсульфона (ДАДФС): 20,0 масс. % и ускорителя несимметричной дизамещенной мочевины: 4,6 масс. %;
- однонаправленный препрег, содержащий указанное эпоксидное связующее и углеродное волокно марки T700G-12K-31E (производитель Toray K.K.), при соотношении компонентов: связующее - 35 масс. %, углеродный волокнистый наполнитель - 65 масс. %;
- изделие из препрега получают методом вакуумного формования при вакууме 0,095 МПа по двухступенчатому режиму: повышение температуры со скоростью 1,5°С/мин до 90°С, выдержка при температуре 90°С - 1,5 ч; повышение температуры со скоростью 1,5°С/мин до 130°С, выдержка при температуре 130°С - 2 ч (US 2013217283 A1, working example 8, 22.08.2013).
Недостатками материалов-прототипов являются:
- низкий уровень технологических характеристик эпоксидного связующего (невысокая степень сохранения реологических характеристик и жизнеспособности в препреге при температуре хранения 25°С);
- образование отвержденной полимерной структуры с низкой степенью превращения олигомеров в полимер (пониженная степень отверждения) при формировании ПКМ, что не обеспечивает их надежную эксплуатационную устойчивость после воздействия негативных факторов (повышенная температура и влага) и может привести к созданию материалов, характеризующихся пониженной влагостойкостью с низким сохранением прочностных характеристик после влагонасыщения;
- низкая технологичность препрегов, так как они созданы на основе эпоксидного связующего с повышенной вязкостью и пониженной текучестью, обладают сниженной липкостью и драпируемостью (гибкостью и эластичностью), что затрудняет и увеличивает трудоемкость процесса их переработки в ПКМ и может приводить к формированию изделий с высокими показателями пористости и большим коэффициентом вариации физико-механических характеристик.
Технической задачей и техническим результатом заявленного изобретения является создание эпоксидного связующего с улучшенными технологическими характеристиками (высокие уровни сохранения реологических характеристик и его жизнеспособности в препреге при температуре хранения 25°С), обеспечивающего высокую степень отверждения и повышение степени сохранения прочностных характеристик (предел прочности при сжатии при 20°С) получаемых ПКМ после экспозиции в тепловлажной камере при температуре 70°С и 85% влажности в течение 30 дней, а также характеризующегося оптимальной вязкостью и текучестью, которые дадут возможность получать высокотехнологичные препреги на его основе, пригодные для формования ПКМ с низкими показателями пористости и невысоким коэффициентом вариации физико-механических характеристик (предел прочности при межслойном сдвиге при 20°С).
Для решения поставленной задачи и достижения технического результата предлагается эпоксидное связующее, включающее смесь полифункциональной и дифункциональной на основе бисфенола А эпоксидных смол, термопласт, латентный отверждающий агент - дициандиамид (ДЦДА), отвердитель - 4,4'-диаминодифенилсульфон (ДАДФС), ускоритель - несимметрично дизамещенную мочевину, отличающееся тем, что в качестве полифункциональной эпоксидной смолы используется одна полифункциональная эпоксидная смола или их смесь, а в качестве термопласта используется полиарилсульфон, полиэфирсульфон, или феноксисмола, или их смеси, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
эпоксидная полифункциональная смола | 22,0-38,0 |
эпоксидная смола на основе бисфенола А | 40,0-50,0 |
термопласт | 7,0-13,0 |
латентный отверждающий агент - дициандиамид | 3,0-7,0 |
отвердитель - 4,4'-диаминодифенилсульфон | 4,7-15,0 |
ускоритель - несимметрично дизамещенная мочевина | 0,3-3,0 |
Предложен также препрег, включающий указанное эпоксидное связующее и волокнистый наполнитель, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
эпоксидное связующее | 30,0-50,0 |
волокнистый наполнитель | 50,0-70,0 |
В качестве волокнистого наполнителя могут использоваться волокнистые стекло- или угленаполнители.
Изделия получают путем вакуумного формования препрега на основе заявленного эпоксидного связующего.
Для создания эпоксидного связующего:
- в качестве полифункциональной эпоксидной смолы в изобретении может использоваться одна из смол, выбранная из групп: полифункциональные эпоксидные смолы на основе фенолов марок УП-643, ЭН-6 (производитель ООО «Дорос»), азотосодержащие эпоксидные смолы (аминоэпоксидные) марок ЭМДА, ЭХД (производитель ЗАО «Химэкс Лимитед»), Araldite MY9655 (производитель Huntsman Advanced Materials) и др. или их смеси;
- в качестве дифункциональной эпоксидной смолы на основе бисфенола А могут быть использованы эпоксидные смолы марок Araldite LY1556 (производитель Huntsman Advanced Materials), ЭД-22, ЭД-20 (ГОСТ 10587-93) или D.E.R. 330 или D.E.R. 331 (производитель Dow Chemical Company) и др.;
- в качестве латентного отверждающего агента ДЦДА в изобретении могут использоваться: DYHARD 100S, DYHARD 100SF (производитель AlzChem), DICY 7 (производитель Japan Ероху Resins) и др.;
- в качестве отвердителя могут быть использованы 4,4'-диаминодифенилсульфон (ДАДФС) марок ARADUR 9664-1 или ARADUR 976-1 (производитель Huntsman Advanced Materials) и др.;
- в качестве ускорителя несимметрично дизамещенной мочевины могут быть использованы, например, 2,4-толуилиден бисдиметил мочевина (марка Omncure U-24, производитель CVC Thermoset Specialties), 3-(3,4-дихлорфенил)-1,1диметил мочевина (марка DYHARD UR-200, производитель AlzChem), 1,3-бис-(N,N-диметилкарбамид)-4-метилбензол (марка DYHARD UR-500, производитель AlzChem); марка DYHARD UR-800 (производитель AlzChem) и др.;
- в качестве термопласта может использоваться одна из марок полиарилсульфона, например марка ПСФФ-30, ПСФФ-70 (производитель АО «Институт пластмасс им. Г.С. Петрова»), одна из марок полиэфирсульфона, например марка ПСК-1, (производитель АО «Институт пластмасс им. Г.С. Петрова»), марка PES5003P (производитель Sumitomo Chemical KK), марка Ultrason Е 2020 Р (производитель BASF Corporation) и одна из марок феноксисмол, например РKНВ, РKНН (производитель фирма Gabriel Phenoxies Inc) и др. или их смеси.
Установлено, что наличие в связующем-прототипе большого количества активного отвердителя 4,4'-диаминодифенилсульфона (20,0 масс. %) и эпоксидной смолы на основе тетраглицидилдиаминодифенилметана (46,7 масс. %), содержащей в своей молекулярной структуре третичный амин, обладающий каталитической активностью, способствует ускоренной активизации процесса отверждения уже при комнатной температуре, что приводит к быстрому нарастанию вязкости связующего и снижению его жизнеспособности в препреге в процессе хранения при температуре 25°С, что существенно ухудшает их технологические свойства. В отличие от прототипа, предлагаемое связующее содержит меньшее количество 4,4'-диаминодифенилсульфона (до 15,0 масс. %) и эпоксидной смолы на основе тетраглицидилдиаминодифенилметана (до 38,0 масс. %), благодаря чему синергетический эффект влияния этих компонентов на активность процесса отверждения при комнатной температуре проявляется в меньшей степени и эпоксидное связующее характеризуется улучшенными технологическими свойствами: высокой степенью сохранения реологических характеристик и длительной жизнеспособностью в препреге при температуре хранения 25°С.
Экспериментально установлено, что использование в составе предлагаемого эпоксидного связующего комплексной отверждающей системы с оптимально сбалансированным количеством латентного отверждающего агента дициандиамида (3,0÷7,0 масс. %), ускорителя отверждения несимметрично дизамещенной мочевины (0,3÷3,0 масс. %) и отвердителя 4,4'-диаминодифенилсульфона (4,7÷15,0 масс. %), ввиду ее высокой активности при повышенных температурах, приводит к тому, что начало процесса отверждения наблюдается при температурах 90÷100°С, который характеризуется быстрым протеканием и сопровождается значительным выделением тепла в узком температурном интервале (ширина экзотермического пика кривой дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) - 40÷60°С) за короткий период времени, при котором выделяющееся тепло не успевает диссипировать в окружающую среду и температура в зоне реакции начинает превышать температуру, подводимую извне, что способствует достижению высокой степени конверсии реакционноспособных групп и более полному отверждению разработанного связующего (степень отверждения 96,5÷98,7%) при невысоких температурах (не выше 130°С) за короткий период отверждения (в течение 2 часов).
Выбранное в качестве прототипа эпоксидное связующее с комплексной отверждающей системой, содержащей 2,0 масс. % латентного отверждающего агента дициандиамида, 4,7 масс. % ускорителя отверждения несимметрично дизамещенной мочевины и 20,0 масс. % отвердителя 4,4'-диаминодифенилсульфона, обеспечивает начало процесса отверждения только при температуре свыше 108°С и сопровождается также значительным экзотермическим эффектом, но тепловой эффект фиксируется в более широком интервале температур (ширина экзотермического пика кривой ДСК- 80°С) за более длительный период времени, что не дает возможности достичь достаточно глубокой степени конверсии реакционноспособных групп при невысоких температурах (не выше 130°С) за короткий период времени (не более 2 часов). Отвержденная полимерная структура, с низкой степенью превращения олигомеров в полимер (степень отверждения 94%), не обеспечивает надежную устойчивость пластиков после воздействия негативных эксплуатационных факторов (повышенная температура и влага) и приводит к созданию ПКМ, обладающих пониженной влагостойкостью с низким сохранением прочностных характеристик (прочность при сжатии при 20°С) после влагонасыщения в ходе экспозиции в тепловлажной камере (Т=70°С, ϕ=85%) в течение 30 дней. Используемое соотношение компонентов в комплексной отверждающей системе предлагаемого изобретения способствует образованию полимерных структур и изделий на их основе, более устойчивых к воздействию влаги и повышенной температуры и характеризуется более высокой степенью сохранения прочностных характеристик (предел прочности при сжатии при 20°С) после влагонасыщения.
В составе связующего-прототипа содержится большое количество компонентов (20,0 масс. % отвердителя 4,4'-диаминодифенилсульфона и 46,7 масс. % полифункциональной эпоксидной смолы), которые при совмещении с другими составляющими приводят к образованию композиции с достаточно высокой вязкостью (вязкость при температуре 40°С - 4751 Па⋅с, минимальная вязкость композиции - 12,0 Па⋅с) и низкой текучестью, ввиду ее плохой растекаемости при повышении температуры. На стадии производства препрегов при изготовлении и нанесении пленки связующего на поверхность наполнителя необходимо, чтобы расплав связующего обладал оптимальными реологическими характеристиками, благодаря которым можно получить бездефектную поверхность препрега, а именно с равномерным нанесением связующего и отсутствием непропитанных участков. Чтобы достичь такой текучести высоковязкого связующего-прототипа, изготовление препрега осуществляют при температуре 120°С, что способствует формированию частично отвержденной полимерной системы (начало процесса отверждения связующего начинается при температуре свыше 108°С) и приводит к созданию препрегов с низкой технологичностью, характеризующихся пониженной драпируемостью и липкостью, что затрудняет возможность выкладывать их на оснастку любой сложности так, чтобы они принимали нужную форму, не образуя трещин и складок, разрывов при удалении их после отверждения с оснастки. В результате пониженных технологических характеристик используемых препрегов на основе связующего-прототипа в формируемом материале могут присутствовать непропитанные участки и прочие дефекты, которые приводят к формированию изделий с высокими показателями пористости (до 2,1%) и большим коэффициентом вариации физико-механических характеристик (предел прочности при межслойном сдвиге при 20°С).
В отличие от прототипа, предлагаемое эпоксидное связующее содержит меньшее количество загущающих компонентов (отвердителя 4,4'-диаминодифенилсульфона - 4,7÷15,0 масс. %, полифункциональной эпоксидной смолы - 22,0÷38,0 масс. %), благодаря чему композиция получается менее вязкой (вязкость при температуре 40°С - 1030÷1100 Па⋅с, а минимальная вязкость - 3,5÷4,5 Па⋅с). Невысокая вязкость предлагаемого эпоксидного связующего способствует хорошей растекаемости при повышении температуры, что дает возможность проводить изготовление препрега при температурах 75÷85°С. В данных условиях не наблюдается существенных изменений характеристик полимерной композиции и благодаря равномерно нанесенной пленке распределенного связующего, улучшается внешний вид препрега, отсутствует вариация массового содержания связующего по всей площади пропитки наполнителя и, как результат, оптимизируются технологические параметры препрега, такие как драпируемость и липкость. Препрега, изготовленные с использованием предлагаемого эпоксидного связующего, дают возможность получать бездефектную и равномерную полимерную структуру, характеризующуюся низкой пористостью (0,9÷1,5%) и максимальными физико-механическими свойствами ПКМ при минимальном коэффициенте вариации прочностных характеристик (предел прочности при межслойном сдвиге при 20°С).
Примеры осуществления
Приготовление заявленного эпоксидного связующего
Пример 1 (табл. 1)
В чистый и сухой реактор загружают 22 масс. % полифункциональной эпоксидной смолы на основе фенолов марки УП-643, 50 масс. % дифункциональной эпоксидной смолы на основе бисфенола А марки ЭД-20 и при работающей мешалке нагревают до температуры 100°С. Смесь перемешивают со скоростью 250 об/мин при температуре 100°С для полного совмещения смол. Затем поднимают температуру до 150°С и увеличивают скорость вращения мешалки до 300 об/мин.
Небольшими порциями при работающей мешалке при температуре 150°С вводят 7,0 масс. % термопласта феноксисмолу марки РКНВ и перемешивают до получения однородной массы.
Температуру реакционной смеси снижают до 110°С, загружают небольшими порциями при работающей мешалке 15,0 масс. % отвердителя ARADUR 976-1 и перемешивают до получения однородной массы.
При работающей мешалке со скоростью 300 об/мин осуществляют загрузку 3,0 масс. % дициандиамида марки DYHARD 100S, повышая при этом обороты мешалки до 600 об/мин. Перемешивают до получения однородной массы.
Снижают температуру до 80°С и добавляют небольшими порциями 3,0 масс. % ускорителя отверждения несимметрично дизамещенную мочевину Omncure U-24 при перемешивании со скоростью 250 об/мин в течение 60 мин, до получения полностью однородной массы. Выключают мешалку и сливают готовое связующее через сливной штуцер.
Технологию изготовления эпоксидных связующих по примерам 2-12 (табл. 1) использовали аналогично примеру 1.
Получение заявленного препрега
Пример 1 (табл. 2)
Получение препрега осуществляют путем нанесения 30 масс. % эпоксидного связующего, приготовленного по рецептуре примера 1 (табл. 1) посредством пропиточной машины при температуре 80°С на углеродный жгут T700S-12K-50C в количестве 70 масс. %.
Препреги для примеров 3, 5, 7, 9 и 11 изготавливали с использованием углеродного жгута T700S-12K-50C, для примеров 2, 4, 6, 8, 10 и 12 с использованием стеклоровинга РВМПН 10-400,
Изготовление заявленного изделия
Пример 1 (табл. 3)
Препрег на основе связующего и углеродного волокна T700S-12K-50C, полученный на пропиточной машине по рецептуре примера 1 (табл. 2), разрезают на ленточки шириной 6,35 мм, которые выкладывают на автоматизированном выкладочном станке с регулируемыми усилием прикатки (порядка 1,0 МПа) и температурой (порядка 85°С (кратковременно). Изготовление изделия осуществляют методом вакуумного формования полученного препрега при давлении 0,095 МПа, по температурному режиму: 2 часа при температуре 130°С, таким образом получают конструктивно подобные образцы типа каркаса фюзеляжа.
На основании изготовленных препрегов по примерам 2-12 (табл. 2) по технологии, аналогичной примеру 1, методом вакуумного формования изготавливали конструктивноподобные образцы изделий: по примерам 3, 5 и 8 - типа каркаса фюзеляжа, по примерам 2, 4, 6, 7 и 9 - типа стабилизатора, по примерам 10, 11 и 12 - типа лонжерона стабилизатора.
Составы связующих по изобретению и прототипу приведены в таблице 1, составы препрегов по изобретению и прототипу - в таблице 2, свойства связующих по заявленному изобретению и прототипу, препрегов и ПКМ, изготовленных на их основе - в таблице 3.
Сравнительные данные из таблицы 3 показывают, что предлагаемое эпоксидное связующее обеспечивает преимущества по сравнению с прототипом:
- является более технологичным, поскольку характеризуется более стабильными показателями сохранения вязкости, так как в результате его хранения в течение 30 дней при температуре 25°С не наблюдается роста вязкости в сравнении с исходным значением (коэффициент повышения вязкости связующего - 1,0), у прототипа же наблюдается увеличение показателя вязкости до 50% (коэффициент повышения вязкости связующего - 1,5). Такая высокая химическая стабильность заявленного эпоксидного связующего при комнатной температуре и отсутствие быстрого роста вязкости упрощает технологический процесс его переработки в ПКМ, а также дает возможность изготовления на его основе препрегов с длительной жизнеспособностью - не менее 60 суток при комнатной температуре, в отличии от прототипа, у которого жизнеспособность при комнатной температуре составляет всего лишь 15 суток. Подобные технологические характеристики заявленного эпоксидного связующего дают возможность создавать технологичные и долгоживущие препреги на его основе, которые могут обеспечить снижение энергозатрат при их транспортировании и хранении до момента переработки за счет исключения использования холодильной техники, что в свою очередь отражается на экономических показателях производства;
- характеризуется более высокой степенью превращения олигомеров в полимер (степень отверждения 96,5÷98,7%), чем связующее-прототип (степень отверждения 94,0%). Это обеспечивает повышенную влагостойкость полимерных структур и изделий на основе предлагаемого связующего после 30-дневного тепловлажностного воздействия в тепловлажной камере (Т=70°С, ϕ=85%), так как они характеризуются меньшим влагонасыщением - 0,3÷0,9%, в сравнении с материалом-прототипом, у которого влагонасыщение до 1,0%, и демонстрируют более высокую степенью сохранения прочностных характеристик (предел прочности при сжатии при температуре 20°С) после влагонасыщения - 72÷85% (от значения предела прочности при сжатии при температуре 20°С до влагонасыщения), в сравнении с материалом-прототипом у которого степень сохранения прочностных характеристик (прочность при сжатии при температуре 20°С) после влагонасыщения не выше 65% (от значения предела прочности при сжатии при температуре 20°С до влагонасыщения). Характеристики материалов на основе разработанного эпоксидного связующего подтверждают возможность создания ПКМ на его основе, обладающих повышенной влагостойкостью, и их надежной эксплуатации после воздействия негативных эксплуатационных факторов (повышенная температура и влага);
- обеспечивает создание более технологичных препрегов, характеризующихся оптимальной драпируемостью и липкостью при комнатной температуре по сравнению с препрегами на основе связующего-прототипа, у которого эти технологические характеристики значительно ниже. Это позволяет изготавливать на основе предлагаемого эпоксидного связующего бездефектные ПКМ, характеризующиеся более низкой пористостью (не более 1,5%) по сравнению с ПКМ на основе связующего-прототипа (пористость 2,1%) и демонстрирующие незначительный разброс физико-механических показателей (предел прочности при межслоевом сдвиге при температуре 20°С), что способствует снижению коэффициента вариации прочностных свойств ПКМ примерно в 2 раза по сравнению со значением у ПКМ на основе связующего-прототипа (К коэффициент вариации прототипа=9,9; К коэффициент вариации разработанного связующего=4,7÷5,0).
Таким образом, заявленное эпоксидное связующее и препрег, изготовленный на его основе, демонстрируют улучшенные технологические характеристики, что упрощает процесс получения ПКМ и обеспечивает снижение затрат на их изготовление, транспортирование и хранение, а также дает возможность получать изделия с более высоким уровнем сохранения физико-механических свойств (предел прочности при сжатии при температуре 20°С) после воздействия негативных эксплуатационных факторов, характеризующиеся низкой пористостью и незначительным разбросом в значениях прочности, что обеспечивает снижение коэффициента вариации физико-механических свойств ПКМ (предел прочности при межслоевом сдвиге при температуре 20°С).
Claims (9)
1. Эпоксидное связующее, включающее смесь полифункциональной и дифункциональной на основе бисфенола А эпоксидных смол, термопласт, латентный отверждающий агент - дициандиамид (ДЦДА), отвердитель - 4,4'-диаминодифенилсульфон (ДАДФС), ускоритель - несимметрично дизамещенную мочевину, отличающееся тем, что в качестве полифункциональной эпоксидной смолы используется одна полифункциональная эпоксидная смола или их смесь, а в качестве термопласта используется полиарилсульфон, полиэфирсульфон или феноксисмола или их смеси, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
2. Эпоксидное связующее по п. 1, отличающееся тем, что в качестве полифункциональной смолы используют одну эпоксидную смолу, выбранную из групп: азотосодержащие эпоксидные смолы, смолы на основе фенолов или их смеси.
3. Эпоксидное связующее по п. 1, отличающееся тем, что в качестве термопласта используют один термопласт полиарилсульфон, полиэфирсульфон, феноксисмолу или их смеси.
4. Препрег, включающий эпоксидное связующее и волокнистый наполнитель, отличающийся тем, что в качестве эпоксидного связующего используют связующее по одному из пп. 1-3.
5. Препрег по п. 4, отличающийся тем, что содержит компоненты при следующем соотношении, масс. %:
6. Препрег по одному из пп. 4, 5, отличающийся тем, что в качестве волокнистого наполнителя содержит волокнистый угленаполнитель.
7. Препрег по одному из пп. 4, 5, отличающийся тем, что в качестве волокнистого наполнителя содержит волокнистый стеклонаполнитель.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017130861A RU2655805C1 (ru) | 2017-08-31 | 2017-08-31 | Эпоксидное связующее, препрег на его основе и изделие, выполненное из него |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017130861A RU2655805C1 (ru) | 2017-08-31 | 2017-08-31 | Эпоксидное связующее, препрег на его основе и изделие, выполненное из него |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2655805C1 true RU2655805C1 (ru) | 2018-05-29 |
Family
ID=62559950
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017130861A RU2655805C1 (ru) | 2017-08-31 | 2017-08-31 | Эпоксидное связующее, препрег на его основе и изделие, выполненное из него |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2655805C1 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2718782C1 (ru) * | 2019-12-06 | 2020-04-14 | Акционерное общество "Препрег-Современные Композиционные Материалы" | Эпоксидное связующее, препрег на его основе и изделие, выполненное из него |
RU2790480C1 (ru) * | 2022-08-18 | 2023-02-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И.Менделеева) | Стеклопластик электроизоляционного назначения |
CN115960442A (zh) * | 2022-12-24 | 2023-04-14 | 广东盈骅新材料科技有限公司 | 固化片及其制备方法与应用、封装载带 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20020009581A1 (en) * | 1996-02-21 | 2002-01-24 | Hajime Kishi | Epoxy resin composition for a fiber-reinforced composite material, yarn prepreg, and process and apparatus for preparing the same |
US6391436B1 (en) * | 1998-05-20 | 2002-05-21 | Cytec Technology Corp. | Manufacture of void-free laminates and use thereof |
US20060035088A1 (en) * | 2002-11-28 | 2006-02-16 | Mitsubishi Rayon Co., Ltd. | Epoxy resin for prepreg, prepreg, fiber-reinforced composite material, and processes for producing these |
JP2008088276A (ja) * | 2006-09-30 | 2008-04-17 | Toho Tenax Co Ltd | 部分含浸プリプレグとそれを用いた繊維強化複合材料の製造方法 |
US20130217283A1 (en) * | 2010-11-08 | 2013-08-22 | Toray Industries, Inc. | Epoxy resin composition for fiber reinforced composite material, prepreg, and fiber reinforced composite material |
RU2491309C2 (ru) * | 2007-11-14 | 2013-08-27 | Зика Текнолоджи Аг | Термоотверждаемые композиции на основе эпоксидных смол, содержащие неароматические мочевины в качестве ускорителей |
-
2017
- 2017-08-31 RU RU2017130861A patent/RU2655805C1/ru active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20020009581A1 (en) * | 1996-02-21 | 2002-01-24 | Hajime Kishi | Epoxy resin composition for a fiber-reinforced composite material, yarn prepreg, and process and apparatus for preparing the same |
US6391436B1 (en) * | 1998-05-20 | 2002-05-21 | Cytec Technology Corp. | Manufacture of void-free laminates and use thereof |
US20060035088A1 (en) * | 2002-11-28 | 2006-02-16 | Mitsubishi Rayon Co., Ltd. | Epoxy resin for prepreg, prepreg, fiber-reinforced composite material, and processes for producing these |
JP2008088276A (ja) * | 2006-09-30 | 2008-04-17 | Toho Tenax Co Ltd | 部分含浸プリプレグとそれを用いた繊維強化複合材料の製造方法 |
RU2491309C2 (ru) * | 2007-11-14 | 2013-08-27 | Зика Текнолоджи Аг | Термоотверждаемые композиции на основе эпоксидных смол, содержащие неароматические мочевины в качестве ускорителей |
US20130217283A1 (en) * | 2010-11-08 | 2013-08-22 | Toray Industries, Inc. | Epoxy resin composition for fiber reinforced composite material, prepreg, and fiber reinforced composite material |
RU2013126414A (ru) * | 2010-11-08 | 2014-12-20 | Торэй Индастриз, Инк. | Эпоксидная полимерная композиция для армированного волокнами композитного материала, препрег и армированный волокнами композитный материал |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2718782C1 (ru) * | 2019-12-06 | 2020-04-14 | Акционерное общество "Препрег-Современные Композиционные Материалы" | Эпоксидное связующее, препрег на его основе и изделие, выполненное из него |
RU2798828C1 (ru) * | 2022-07-15 | 2023-06-28 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ВИАМ) | Расплавное эпоксидное связующее с повышенной влагостойкостью |
RU2790480C1 (ru) * | 2022-08-18 | 2023-02-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И.Менделеева) | Стеклопластик электроизоляционного назначения |
RU2790518C1 (ru) * | 2022-08-18 | 2023-02-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И.Менделеева) | Эпоксидное связующее для армированных пластиков |
CN115960442A (zh) * | 2022-12-24 | 2023-04-14 | 广东盈骅新材料科技有限公司 | 固化片及其制备方法与应用、封装载带 |
RU2809529C1 (ru) * | 2023-09-07 | 2023-12-12 | ООО "ЗаряД" | Эпоксидное связующее, препрег на его основе и изделие, выполненное из него |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2816076B1 (en) | Fiber-reinforced composite material | |
EP3279263B1 (en) | Epoxy resin composition, prepreg, carbon fiber-reinforced composite material, and manufacturing methods therefor | |
EP2816074B1 (en) | Fiber-reinforced composite material | |
JP6694822B2 (ja) | エポキシ樹脂用硬化剤 | |
CN110637041B (zh) | 纤维增强复合材料用环氧树脂组合物及纤维增强复合材料 | |
DE112013002830T5 (de) | Kompositmaterialien mit niedriger Dichte, deren Herstellung und Verwendung | |
KR20160087863A (ko) | 가역적 가교결합을 갖는 디엔-관능화된 (메트)아크릴레이트 및(이종-)디엘스-알더 친디엔체 기반 성형품 | |
RU2655805C1 (ru) | Эпоксидное связующее, препрег на его основе и изделие, выполненное из него | |
RU2479606C1 (ru) | Состав модифицированного связующего на основе эпоксидных смол, способ его получения и препрег на его основе | |
JP7239401B2 (ja) | 炭素繊維束、プリプレグ、繊維強化複合材料 | |
JP4894339B2 (ja) | 繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物 | |
AU2015362756B2 (en) | Epoxy-based resin composition for composite materials | |
RU2587178C1 (ru) | Эпоксидное связующее, препрег на его основе и изделие, выполненное из него | |
RU2585638C1 (ru) | Эпоксидное связующее, препрег на его основе и изделие, выполненное из него | |
CN102421824B (zh) | 基于液体单苯并噁嗪的树脂体系 | |
US9080026B2 (en) | Formulated benzoxazine based system for transportation applications | |
JP2009227907A (ja) | エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた繊維強化複合材料 | |
RU2601486C1 (ru) | Эпоксидное связующее, препрег на его основе и изделие, выполненное из него | |
RU2565177C1 (ru) | Эпоксидное связующее пленочного типа | |
RU2718782C1 (ru) | Эпоксидное связующее, препрег на его основе и изделие, выполненное из него | |
RU2663444C1 (ru) | Эпоксидное связующее, препрег на его основе и изделие, выполненное из него | |
CN113039236B (zh) | 片状模塑料及纤维增强复合材料 | |
RU2706661C1 (ru) | Эпоксидное связующее, препрег на его основе и изделие, выполненное из него | |
RU2263690C1 (ru) | Связующее для препрегов, препрег и изделие, выполненное из него | |
JP2023096359A (ja) | 炭素繊維強化複合材料用成形材料および炭素繊維強化複合材料 |