Состав эпоксибисмалеимидного связующего для препрегов (варианты), способ получения эпоксибисмалеимидного связующего (варианты), препрег и изделие
Изобретение относится к вариантам состава эпоксибисмалеимидного связующего, к вариантам способа его получения, к препрегу и к выполненному из него изделию, применяемому в авиакосмической технике. По первому варианту состав содержит следующее соотношение компонентов, мас.%: 24,8÷42,1 N,N,N',N'-тетраглицидил-4,4'-диамино-3,3'- дихлордифенилметана и 11,5÷25,8 триглицидиламинофенола в качестве полифункциональных эпоксидных смол, 25,8÷41,3 поликристаллического порошка N,N'-гексаметиленбисмалеимида в качестве бисмалеимида, 17,4÷22,6 поликристаллического порошка 4,4'-диаминодифенилсульфона в качестве отвердителя. По второму варианту состав содержит следующее соотношение компонентов, мас.%: 21,6÷49,5 N,N,N',N'-тетраглицидил-4,4'-диамино-3,3'-дихлордифенилметана и 16,1÷32,4 диглицидилового эфира бисфенола-А в качестве полифункциональных эпоксидных смол, 3,5÷27,0 поликристаллического порошка N,N'-гексаметиленбисмалеимида в качестве бисмалеимида, 19,0÷25,8 поликристаллического порошка 4,4'-диаминодифенилсульфона в качестве отвердителя. Способ получения вышеуказанных составов заключается в том, что к гомогенному расплаву полифункциональных эпоксидных смол при перемешивании и температуре 120÷130°С добавляют поликристаллический порошок 4,4'-диаминодифенилсульфона за минимальное время, достаточное для полного его растворения. Затем температуру полученного гомогенного расплава понижают до 90÷100°С. Далее при перемешивании добавляют к расплаву поликристаллический порошок N,N'-гексаметиленбисмалеимида за минимальное время, достаточное для полного его растворения. Препрег включает следующее соотношение компонентов, в мас.%: 20÷48 вышеуказанного эпоксибисмалеимидного связующего и 52÷80 волокнистого наполнителя. Изделие получают путем формования вышеуказанного препрега. Изобретение позволяет повысить жизнеспособность связующего, повысить температуру стеклования, влагостойкость и прочность на изгиб изделий, выполненных из препрега на основе вышеуказанного связующего. 6 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Реферат
Изобретение относится к разработке химического состава и способа получения эпоксибисмалеимидного связующего, используемого для изготовления препрегов и изделий из полимерных композиционных материалов на их основе, применяемых в авиакосмической технике.
Известны эпоксибисмалеимидные смолы, являющиеся одним из лучших видов связующих для изготовления высококачественных композиционных материалов на основе неорганических волокнистых армирующих наполнителей - стекло- и углепластиков.
Эти смолы обычно состоят из полифункциональных эпоксидов, отвердителей - ароматических аминов и бисмалеимидов.
Например, в качестве эпоксидной компоненты состава эпоксибисмалеимидных смол используют полифункциональные эпоксидные смолы, содержащие две или более эпоксидных групп. В качестве аминной компоненты отвердителя используют, например, полифункциональные ароматические амины, содержащие две или более первичных аминогрупп. В качестве бисмалеимидной компоненты используют, например, бис-малеимиды на основе ароматических диаминов.
В частности известен состав эпоксибисмалеимидного связующего на основе полифункциональных: 1) эпоксида - диглицидилового эфира бисфенола-А, 2) отвердителя - 4,4'-диаминодифенилсульфона и 3) бисмалеимида - N,N'-дифениленметанбисмалеимида, применяемых для получения теплостойких композиционных материалов (Jing-Pin Pan et al., J. Appl. Pol. Sci., 44, №3, 467, 1992), являющийся аналогом настоящего заявляемого изобретения в части связующего.
Вышеприведенный аналог - полифункциональные эпоксид, отвердитель и бисмалеимид, хотя и обеспечивает высокую прочность состава в отвержденном состоянии, однако тем не менее имеет недостатки: теплостойкость материала не выше 190°С, а влагопоглощение очень высоко и достигает 10 вес.%.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому составу эпоксибисмалеимидного связующего является эпоксибисмалеимидная композиция на основе полифункциональных N,N,N',N'-тетраглицидил-диаминодифенилметана или триглицидиламинофенола, отвердителя - 4,4'-диаминодифенилсульфона и N,N'-дифениленметанбисмалеимида - прототип (патент США №4510272, кл. С08G 59/40, НКИ 523/400, 1985 г.).
Недостатком композиции, описанной в прототипе, являются низкие теплостойкость (температура стеклования не выше 195°С) и влагостойкость (влагопоглощение до 10 вес.%) материала, полученного после отверждения композиции.
Аналогом заявляемого способа получения эпоксибисмалеимидного связующего является способ, по которому эпоксибисмалеимидное связующее на основе полифункциональных эпоксидных смол (например, тетраглицидилдиаминодифенилметана или триглицидиламинофенола) растворяется вместе с ароматическим диамином (диаминодифенилсульфоном) и бисмалеимидом (дифениленметанбисмалеимидом) в полярном органическом растворителе, например диметилформамиде (патент США №4510272, кл. С08G 59/40, НКИ 523/400, 1985 г.).
Недостатком этого способа получения эпоксибисмалеимидного связующего является необходимость удаления из связующего после пропитки им армирующего наполнителя высококипящего токсического растворителя, что удорожает производство и загрязняет окружающую среду. Кроме того, так как удалить весь растворитель практически никогда не удается, то в процессе дальнейшего термического формования изделий в них за счет испарения остаточных количеств растворителя происходит образование пор, что снижает влагостойкость и механические характеристики (прочность и ударную вязкость) композиционных материалов, вследствие чего ограничивается ассортимент изготовляемых из них изделий.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу получения эпоксибисмалеимидного связующего является способ, включающий механическое смешивание всех твердых кристаллических компонентов с нагреванием полученной смеси, либо растворением смеси части кристаллических компонентов в расплаве одного из них (Армированные пластики, М.: Изд-во МАИ, 1997, с.65, прототип).
Однако при использовании данного способа получения связующего не происходит полного растворения в его эпоксидной части аминного отвердителя - кристаллического высокоплавкого (180°С) диаминодифенилсульфона - как вследствие ограниченной его растворимости, так и из-за низкой скорости самого процесса растворения. Кроме этого, диаминодифенилсульфон при охлаждении смеси, а также в ходе дальнейшего ее отверждения выделяется в гетерофазу и затем окисляется на воздухе, образуя поры, что, в свою очередь, снижает прочность и влагостойкость изделия из него.
Аналогом заявляемого препрега на основе эпоксибисмалеимидного связующего является препрег, полученный пропиткой жидким эпоксидным связующим армирующего наполнителя (Справочник по композиционным материалам, под ред. Дж.Любина, М.: Машиностроение, книги 1 и 2, 1988, стр.102 и 237 соответственно).
Однако препреги, описанные в аналоге, получаются по растворной технологии и отличаются тем недостатком, что требуют при их переработке в изделие из композиционного материала проведения операции удаления растворителя, что удорожает процесс, загрязняет окружающую среду и резко увеличивает пористость композиционного материала.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому препрегу является препрег, состоящий из армирующего неорганического волокнистого наполнителя и жидкого связующего, содержащего полифункциональную эпоксидную смолу и полифункциональный основный отвердитель (патент RU №2176255, кл. C08L 63/00, 2000 г., прототип).
Однако и в прототипе препрег содержит остаточное количество растворителя, так как его получают по растворной технологии, что приводит к дефектам в композиционном материале, удорожает технологический процесс переработки препрега в изделие и загрязняет окружающую среду.
Известны изделия из композиционных материалов, изготовляемых переработкой препрегов, в свою очередь полученных из стекло- и углеволокнистых наполнителей и связующих на основе эпоксибисмалеимидных смол (R.H.Pater, SAMPE Journal, 30, №5, 1994, р.29, аналог).
Изделия из этих композиционных материалов выдерживают кратковременно нагрев только до температуры 180°С; прочность их невысокая из-за низких прочностных характеристик связующего и составляет не более 40 и 120 кг/мм2 при температуре 20°С для стекло- и углепластиков соответственно, что делает их бесперспективными для использования в авиакосмической области.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изделию из композиционного материала является изделие, полученное путем формования препрега на основе связующего из полифункционального эпоксиаминного олигомера, отвердителя - диаминодифенилсульфона и угле- или стекловолокнистого наполнителя: углеродной ленты ЭЛУР-П (материал КМУ-7Э), или стеклоткани Т-18-80 (материал ВПС-30) - прототип (Авиационные материалы на рубеже XX-XXI веков: Научно-технический сборник, Москва, ГП ВИАМ ГНЦ РФ, 1994 г., стр.442).
Эти изделия из композиционных материалов характеризуются, в целом, высокими показателями, однако их теплостойкость не превышает 180°С, прочность не превышает 220 кг/мм2, влагопоглощение составляет около 10 мас.%, что является неудовлетворительным.
Технической задачей предполагаемого изобретения является разработка состава эпоксибисмалеимидного связующего с повышенной технологичностью для препрегов, способа получения этого связующего, препрега и изделия из композиционных материалов на основе этого препрега с высокой температурой стеклования, высокой влагостойкостью и повышенной прочностью на изгиб.
Сущностью изобретения и решением технической задачи в части заявляемого состава эпоксибисмалеимидного связующего является состав, содержащий полифункциональную эпоксидную смолу, бисмалеимид и отвердитель - 4,4'-диаминодифенилсульфон (марка ДАДФС, ТУ 6-02-1188-79), согласно предлагаемому изобретению, в качестве отвердителя он содержит поликристаллический порошок 4,4'-диаминодифенилсульфона, в качестве полифункциональной эпоксидной смолы - смесь N,N,N',N'-тетраглицидил-4,4'-диамино-3,3'-дихлордифенилметана (марка ЭХД, ТУ 6-05-1725-75 или ТУ 2225-607-11131395-2003) и триглицидиламинофенола (марка УП-610, ТУ 2225-546-00203521-98), а в качестве бисмалеимида - поликристаллический порошок N,N'-гексаметиленбисмалеимида (марка ГМБМИ, ТУ 6-09-07-1593-87) при следующих соотношениях компонентов, мас.%: ЭХД (24,8÷42,1), УП-610 (11,5÷25,8), ДАДФС (17,4÷22,6) и ГМБМИ (25,8÷1,3).
Кроме того, по второму варианту состав эпоксибисмалеимидного связующего, содержащий полифункциональную эпоксидную смолу, бисмалеимид и отвердитель - 4,4'-диаминодифенилсульфон (марка ДАДФС, ТУ 6-02-1188-79), согласно предлагаемому изобретению, в качестве отвердителя содержит поликристаллический порошок 4,4'-диаминодифенилсульфона, в качестве полифункциональной эпоксидной смолы - смесь N,N,N',N'-тетраглицидил-4,4'-диамино-3,3'-дихлордифенилметана (марка ЭХД, ТУ 6-05-1725-75 или ТУ 2225-607-11131395-2003) и диглицидилового эфира бисфенола-А (марка ЭД-22, ГОСТ 10587-84; марки ЭД-24, ЭД-24Н, ТУ 6-05-241-23-78; марка ЭД-20, ГОСТ 10597-76), а в качестве бисмалеимида - поликристаллический порошок N,N'-гекса-метиленбисмалеимида (марка ГМБМИ, ТУ 6-09-07-1593-87) при следующем соотношении компонентов, мас.%: ЭХД (21,6÷49,5), ЭД-22 (16,1÷32,4), ДАДФС (19,0÷25,8) и ГМБМИ (3,5÷27,0).
Сущностью изобретения и решением технической задачи в части заявляемого способа получения эпоксибисмалеимидного связующего для препрегов является смешивание компонентов связующего по п.1 с нагреванием полученной смеси, причем сначала к получившемуся гомогенному расплаву смеси N,N,N',N'-тетраглицидил-4,4'-диамино-3,3'-дихлордифенилметана (марка ЭХД) и триглицидиламинофенола (марка УП-610) при перемешивании в течение минимального времени не менее 5 минут, достаточного для его полного растворения, и температуре 120-130°С добавляют поликристаллический порошок 4,4'-диаминодифенилсульфона (марка ДАДФС), а затем температуру полученного расплава понижают до 90-100°С и при перемешивании в течение минимального времени, не менее 5 минут, достаточного для его полного растворения, добавляют к нему поликристаллический порошок N,N'-гексаметиленбисмалеимида (марка ГМБМИ).
Кроме того, по второму варианту способа получения эпоксибисмалеимидного связующего для препрегов сущностью является смешивание компонентов связующего по п.2 с нагреванием полученной смеси, причем сначала к получившемуся гомогенному расплаву смеси N,N,N',N'-тетраглицидил-4,4'-диамино-3,3'-дихлордифенилметана (марка ЭХД) и диглицидилового эфира бисфенола-А (марка ЭД-22) при перемешивании в течение минимального времени не менее 5 минут, достаточного для его полного растворения, и температуре 120-130°С добавляют поликристаллический порошок 4,4'-диаминодифенилсульфона (марка ДАДФС), а затем температуру полученного гомогенного расплава понижают до 90-100°С и при перемешивании в течение минимального времени, не менее 5 минут, достаточного для его полного растворения, добавляют к нему поликристаллический порошок N,N'-гексаметиленбисмалеимида (марка ГМБМИ).
Поликристаллические (по данным рентгенофазового анализа) порошки 4,4'-диаминодифенилсульфона и N,N'-гексаметиленбисмалеимида получают любым из известных способов, например, переосаждением из раствора или измельчением кристаллических порошков в роторном дезинтеграторе.
Существенным отличием заявляемого способа получения эпоксибисмалеимидного связующего от способа-прототипа является добавление к расплаву полифункциональных эпоксидных смол отвердителя марки ДАДФС и бисмалеимида марки ГМБМИ, находящихся в поликристаллическом состоянии, что позволяет обеспечить полную растворимость ДАДФС в эпоксидном связующем и отсутствие известного эффекта выпадения в гетерофазу кристаллического ДАДФС из расплава эпоксидного связующего при его охлаждении или в ходе его отверждения (R.J.Morgan et al., J.Mater. Sci., 14, 1979, p. 109). Как уже упоминалось, находящийся в гетерофазе ДАДФС образует кристаллические образования размером 10-3÷10-2 мм, которое при термообработке изделия и при его эксплуатации при повышенной температуре испаряется и окисляется, образуя поры, резко ухудшающие механические характеристики и влагостойкость материала.
Сущностью изобретения и решением технической задачи в части заявляемого препрега является препрег на основе полимерного связующего и волокнистого наполнителя, который может быть выполнен, например, из стеклоткани марки Т-10-14, ТУ 6-48-118-95, или углеродных волокон, углеродных жгутов марки УКН-П/500, ТУ 1916-169-057633346-96, или марки ГРАПАН-27, ТУ 1916-204-51385208-2001. В качестве связующего используется состав, заявленный в п.1 формулы изобретения, жидкий при температуре 70-90°С, не содержащий растворителей расплав эпоксибисмалеимидного связующего на основе смеси N,N,N',N'-тетраглицидил-4,4'-диамино-3,3'-дихлордифенилметана (марка ЭХД), триглицидиламинофенола (марка УП-610), 4,4'-диаминодифенилсульфона (марка ДАДФС) и N,N'-гексаметиленбисмалеимида (марка ГМБМИ) при следующем соотношении мас.%: волокнистый наполнитель 52÷80, эпоксибисмалеимидное связующее 20÷48.
Кроме того, в качестве связующего для получения препрега используется также состав, заявленный в п.2 формулы изобретения, жидкий при температуре 70-90°С, не содержащий растворителей расплав эпоксибисмалеимидного связующего на основе смеси N,N,N',N'-тетраглицидил-4,4'-диамино-3,3'-дихлордифенилметана (марка ЭХД), диглицидилового эфира бисфенола-А (марка ЭД-22), 4,4'-диаминодифенилсульфона (марка ДАДФС) и N,N'-гексаметиленбисмалеимида (марка ГМБМИ) при следующем соотношении мас.%: волокнистый наполнитель 52÷80, эпоксибисмалеимидное связующее 20÷48.
Способ получения изделий из полимерных композиционных материалов, как правило, состоит из двух частей. Вначале пропиткой связующим армирующего волокнистого наполнителя получают препрег, после чего осуществляют его термоформование в изделие (Справочник по композиционным материалам, под ред. Дж.Любина, М.: Машиностроение, книги 1 и 2, 1988, стр.102 и 237 соответственно).
Сущностью изобретения и решением технической задачи в части заявляемого изделия является изделие из композиционных материалов, получаемое термоформованием при температуре 130-175°С прессовым методом препрегов, заявленных в пп.5 и 6 формулы настоящего изобретения, изготовленных из известных волокнистых наполнителей и заявляемого в настоящем изобретении эпоксибисмалеимидного связующего.
Примеры составов и способов получения составов эпоксибисмалеимидного связующего для препрегов по вариантам 1 и 2 представлены в таблице 1.
Пример 1.
Состав и способ получения связующего, вариант 1.
В реактор, нагретый до температуры 125°С, помещают N,N,N',N'-тетраглицидил-4,4'-диамино-3,3'-дихлордифенилметан (марка ЭХД), затем при перемешивании добавляют триглицидиламинофенол (марка УП-610) и далее добавляют при перемешивании в течение 5 минут поликристаллический 4,4'-диаминодифенилсульфон (марка ДАДФС), после чего температуру полученного расплава полиэпоксидов и отвердителя снижают до температуры 95°С и опять при перемешивании в течение 5 минут добавляют поликристаллический порошок N,N'-гексаметиленбисмалеимида (марка ГМБМИ). Полученный расплав охлаждают до комнатной температуры и используют для изготовления препрега.
Соотношение компонентов связующего приведено в примере 1 таблицы 1.
Образцы связующих для физико-механических испытаний готовили методом отливки в форму при температуре 80°С, затем термообрабатывали при температуре 130°С - 2 часа, 170°С - 2 часа и 200°С - 16 часов. Характеристики жидкого и отвержденного связующего приведены в примере 1 таблицы 1.
Пример 2.
Состав и способ получения связующего, вариант 1.
Связующее получают аналогично примеру 1 (вариант 1) с тем отличием, что реактор нагревают до температуры 120°С, температуру полученного расплава полиэпоксидов и отвердителя снижают до температуры 100°С. Соотношение компонентов связующего и характеристики жидкого и отвержденного связующего приведены в примере 2 таблицы 1.
Пример 3.
Состав и способ получения связующего, вариант 1.
Связующее получают аналогично примеру 1 (вариант 1) с тем отличием, что реактор нагревают до температуры 130°С, температуру полученного расплава полиэпоксидов и отвердителя снижают до температуры 90°С. Соотношение компонентов связующего и характеристики жидкого и отвержденного связующего приведены в примере 3 таблицы 1.
Пример 4.
Состав и способ получения связующего, вариант 1.
Связующее получают аналогично примеру 1 (вариант 1) с тем отличием, что реактор нагревают до температуры 130°С, температуру полученного расплава полиэпоксидов и отвердителя снижают до температуры 98°С. Соотношение компонентов связующего и характеристики жидкого и отвержденного связующего приведены в пример 4 таблицы 1.
Пример 5.
Состав и способ получения связующего, вариант 2.
Связующее получают аналогично примеру 1 (вариант 1) с тем отличием, что вместо триглицидиламинофенола (марка УП-610) используют диглицидиловый эфир бисфенола -А(марка ЭД-22).
Соотношение компонентов связующего приведено в таблице 1.
Образцы связующих для физико-механических испытаний готовили аналогично примеру 1, характеристики жидкого и отвержденного связующего приведены в примере 5 таблицы 1.
Пример 6.
Состав и способ получения связующего, вариант 2.
Связующее получают аналогично примеру 5 с тем отличием, что реактор нагревают до температуры 120°С, а температуру полученного расплава полиэпоксидов и отвердителя снижают до 100°С. Соотношение компонентов связующего и характеристики жидкого и отвержденного связующего приведены в примере 6 таблицы 1.
Пример 7.
Состав и способ получения связующего, вариант 2.
Связующее получают аналогично примеру 5 с тем отличием, что реактор нагревают до температуры 130°С, а температуру полученного расплава полиэпоксидов и отвердителя снижают до температуры 90°С. Соотношение компонентов связующего и характеристики жидкого и отвержденного связующего приведены в примере 7 таблицы 1.
Пример 8.
Состав и способ получения связующего, вариант 2.
Связующее получают аналогично примеру 5 с тем отличием, что реактор нагревают до температуры 127°С, а температуру полученного расплава полиэпоксидов и отвердителя снижают до температуры 97°С. Соотношение компонентов связующего и характеристики жидкого и отвержденного связующего приведены в примере 8 таблицы 1.
Пример 9.
Состав и способ получения связующего, вариант 2.
Связующее получают аналогично примеру 5 с тем отличием, что реактор нагревают до температуры 122°С, а температуру полученного расплава полиэпоксидов и отвердителя снижают до температуры 92°С. Соотношение компонентов связующего и характеристики жидкого и отвержденного связующего приведены в примере 9 таблицы 1.
Примеры изготовления препрегов и изделий, полученных путем формования препрега, представлены в таблице 2.
Пример 1.
Препрег и изделие из композиционного материала на его основе.
Препрег готовят пропиткой при температуре 80°С углеродного жгута (марка УКН-П/500) связующим, изготовленным по примеру 8 (вариант 2), состав связующего указан в примере 8 таблицы 1, состав препрега указан в примере 1 таблицы 2.
Для получения изделия препрег выкладывают в форму и выдерживают в ней без давления при температуре 130°С - 3 часа, затем прилагают удельное давление 6÷10 кг/см2 (в зависимости от толщины заготовки) в течение 1,5 часов; при том же давлении повышают температуру прессования до 150°С и выдерживают в течение 1,5 часов; далее опять при том же давлении повышают температуру до 175°С и выдерживают 2 часа. После выемки изделия из формы его термообрабатывают по режиму: 150°С - 2 часа, 200°С - 16 часов.
Физико-механические свойства углепластикового материала полученного изделия приведены в примере 1 таблицы 2.
Пример 2.
Препрег и изделие из композиционного материала на его основе готовят аналогично примеру 1 с тем отличием, что препрег готовят пропиткой связующим при температуре 70°С углеродного жгута (марка ГРАПАН-27), состав препрега и физико-механические свойства углепластикового материала полученного изделия приведены в примере 2 таблицы 2.
Пример 3.
Препрег и изделие из композиционного материала на его основе готовят аналогично примеру 1 с тем отличием, что препрег готовят пропиткой связующим при температуре 90°С стеклоткани (марка Т-10-14). Состав связующего указан в примере 2 таблицы 1, состав препрега и физико-механические свойства стеклопластикового материала полученного изделия указаны в примере 3 таблицы 2.
Пример 4.
Препрег и изделие из композиционного материала на его основе готовят анлогично примеру 1 с тем отличием, что препрег готовят пропиткой связующим стеклоткани (марка Т-10-14), связующее изготовлено по примеру 6 (вариант 2), состав связующего указан в примере 6 таблицы 1, состав препрега и физико-механические свойства стеклопластикового материала полученного изделия приведены в примере 4 таблицы 2.
Пример 5.
Препрег и изделие из композиционного материала на его основе готовят аналогично примеру 1 с тем отличием, что препрег готовят пропиткой связующим при температуре 70°С стеклоткани (марка Т-10-14), связующее изготовлено по примеру 8 (вариант 2), состав связующего указан в примере 8 таблицы 1, состав препрега и физико-механические свойства стеклопластикового материала полученного изделия приведены в примере 5 таблицы 2.
Пример 6.
Получение связующего и композиционного материала по прототипу и его анализ.
Связующее получали в соответствии с примером 3 таблицы 1 (столбец 12) прототипа патента США №4510272, используя отечественные аналоги указанных в прототипе химических продуктов.
При температуре 120°С смешивали эпоксидную смолу - триглицидиламинофенол (УП-610) - 38 мас.%, отвердитель - кристаллический ДАДФС - 16 мас.%, кристаллический N,N'-дифениленметанбисмалеимид (N,N'-ДФМБМИ) - 46 мас.%. Образцы связующего для физико-механических испытаний готовили аналогично примеру 1 предлагаемого изобретения. Состав связующего-прототипа и его свойства приведены в таблице 1 (пример 10).
Из таблицы 1 следует, что заявленные связующие в сравнении с прототипом имеют бóльшую в 5 раз жизнеспособность, и, что очень важно, при температуре, на 50°С меньшей, чем в прототипе, при практически одинаковой вязкости. Указанное свойство тем более ценно, что помогает осуществлять пропитку наполнителя при температуре 90÷100°С, используя дешевый теплоноситель при существенно меньших энергозатратах. Таким образом, предлагаемые связующие более технологичны, чем связующее по прототипу.
Кроме этого, заявленные связующие имеют примерно в 5 раз меньшее влагопоглощение, чем связующее по прототипу. Это существенный результат, так как композиционный материал на основе такого связующего будет иметь влагопоглощение еще более низкое, пропорциональное содержанию связующего в материале.
Из таблицы 2 видно, что сравнительно с прототипом механические характеристики изделия из углепластика значительно (≈20%) выросли, причем имеет место существенное увеличение доли сохранения механических характеристик в зависимости от температуры.
Таким образом, предложенное полимерное связующее, способ его получения, препрег и изделия из композиционных материалов на его основе позволяют создавать перспективные изделия авиакосмического назначения с повышенными прочностными показателями.
Таблица 1 | ||||||||||||
Составы заявляемого связующего и связующего-прототипа. Влияние состава связующего на вязкость расплава, теплостойкость и физико-механические свойства. | ||||||||||||
№ примера | Состав связующего, мас.% | Динамическая вязкость расплава при 95÷5°С, Па·с | Время сохранения вязкости, мин | Температура стеклования, °С | Влагопоглощение за 10 суток, мас.% | Испытания на статический изгиб: прочность/модуль в кг/мм2 при температуре, °С | ||||||
ЭХД | УП-610 | ЭД-22 | ДАДФС | ГМБМИ | ||||||||
20 | 180 | 200 | ||||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 |
1 | 24,8 | 16,5 | - | 17,4 | 41,3 | - | - | 290 | - | - | - | - |
2 | 25,8 | 25,8 | - | 22,6 | 25,8 | - | - | 270 | 1,2 | 8/352 | 7/260 | 5,5/190 |
3 | 31,2 | 20,8 | - | 22,0 | 26,0 | - | - | 280 | - | - | - | - |
4 | 42,1 | 11,5 | - | 20,1 | 26,3 | - | - | 280 | - | - | - | - |
5 | 21,6 | - | 32,4 | 19,0 | 27,0 | - | - | 250 | - | - | - | - |
6 | 37,6 | - | 16,1 | 19,5 | 26,8 | 1,25±0,25 | ≥300 | 270 | 1,5 | 8/340 | 6,5/210 | 5,5/200 |
7 | 43,4 | - | 18,6 | 22,5 | 15,5 | - | - | 270 | - | - | - | - |
8 | 46,2 | - | 19,8 | 24,1 | 9,9 | 1,75±0,25 | ≤300 | 250 | 1,1 | 10,5/360 | 7/170 | 4,5/125 |
9 | 49,5 | - | 21,2 | 25,8 | 3,5 | - | - | 245 | - | - | - | - |
10* | - | 38 | - | 16 | 46** | 1*** | ≤60 | - | 5,1 | - | - | - |
* прототип; ** 4,4'-ДФМБМИ; *** при 150°С |
Таблица 2 | |||||||
Состав и свойства заявляемых угле- и стеклопластиков и углепластика-прототипа. | |||||||
Номер примера | Состав препрега и композиционного материала на его основе | Испытание на статический изгиб, прочность/модуль в кг/мм2 при температуре, °С | Примечания | ||||
20 | 180 | 200 | 220 | ||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
1 | 260/8700 | 250/7200 | 240/3800 | - | углепластик | ||
2 | 260/14200 | - | 230/12300 | 215/8000 | углепластик | ||
3 | 63/750 | - | 50/700 | 45/680 | стеклопластик | ||
4 | 100/1400 | - | 63/1240 | 53/1300 | стеклопластик | ||
5 | 89/2900 | - | 46/2100 | 40/1700 | стеклопластик | ||
6 | 220/- | 200/- | - | - | углепластик-прототип |
1. Состав эпоксибисмалеимидного связующего для препрегов, содержащий полифункциональную эпоксидную смолу, бисмалеимид и отвердитель - 4,4'-диаминодифенилсульфон, отличающийся тем, что в качестве отвердителя он содержит поликристаллический порошок 4,4'-диаминодифенилсульфона, в качестве полифункциональной эпоксидной смолы - смесь N,N,N',N'-тетраглицидил-4,4'-диамино-3,3'-дихлордифенилметана и триглицидил-аминофенола, а в качестве бисмалеимида - поликристаллический порошок N,N'-гексаметиленбисмалеимида при следующем соотношении компонентов, мас.%:
N,N,N',N'-тетраглицидил-4,4'-диамино-3,3'-дихлордифенилметан | 24,8÷42,1 |
триглицидил-аминофенол | 11,5÷25,8 |
N,N'-гексаметиленбисмалеимид | 25,8÷41,3 |
4,4'-диаминодифенилсульфон | 17,4÷22,6 |
2. Состав эпоксибисмалеимидного связующего для препрегов, содержащий полифункциональную эпоксидную смолу, бисмалеимид и отвердитель - 4,4'-диаминодифенилсульфон, отличающийся тем, что в качестве отвердителя он содержит поликристаллический порошок 4,4'-диаминодифенилсульфона, в качестве полифункциональной эпоксидной смолы - смесь N,N,N',N'-тетраглицидил-4,4'-диамино-3,3'-дихлордифенилметана и диглицидилового эфира бисфенола-"А", а в качестве бисмалеимида - поликристаллический порошок N,N'-гексаметиленбисмалеимида при следующем соотношении компонентов, мас.%:
N,N,N',N'-тетраглицидил-4,4'-диамино-3,3'-дихлордифенилметан | 21,6÷49,5 |
диглицидиловый эфир бисфенола-"А" | 16,1÷32,4 |
N,N'-гексаметиленбисмалеимид | 3,5÷27,0 |
4,4'-диаминодифенилсульфон | 19,0÷25,8 |
3. Способ получения состава эпоксибисмалеимидного связующего для препрегов путем смешивания компонентов с их нагреванием, отличающийся тем, что смешивают компоненты связующего по п.1, причем сначала к получившемуся гомогенному расплаву смеси N,N,N',N'-тетраглицидил-4,4'-диамино-3,3'-дихлордифенилметана и триглицидил-аминофенола при перемешивании и температуре 120÷130°С добавляют поликристаллический порошок 4,4'-диаминодифенилсульфона за минимальное время, достаточное для полного его растворения, а затем температуру полученного гомогенного расплава понижают до 90÷100°С и при перемешивании добавляют к нему поликристаллический порошок N,N'-гексаметиленбисмалеимида за минимальное время, достаточное для полного его растворения.
4. Способ получения состава эпоксибисмалеимидного связующего для препрегов путем смешивания компонентов с их нагреванием, отличающийся тем, что смешивают компоненты связующего по п.2, причем сначала к получившемуся гомогенному расплаву смеси N,N,N',N'-тетраглицидил-4,4'-диамино-3,3'-дихлордифенилметана и диглицидилового эфира бисфенола-"А" при перемешивании и температуре 120÷130°С добавляют поликристаллический порошок 4,4'-диаминодифенилсульфона за минимальное время, достаточное для полного его растворения, а затем температуру полученного гомогенного расплава понижают до 90÷100°С и при перемешивании добавляют к нему поликристаллический порошок N,N'-гексаметиленбисмалеимида за минимальное время, достаточное для полного его растворения.
5. Препрег, включающий эпоксибисмалеимидное связующее и волокнистый наполнитель, отличающийся тем, что в качестве эпоксибисмалеимидного связующего содержит эпоксибисмалеимидное связующее состава по п.1 или 2 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
связующее | 20÷48 |
наполнитель | 52÷80 |
6. Препрег по п.5, отличающийся тем, что в качестве волокнистого наполнителя содержит стеклоткань или углеродные жгуты.
7. Изделие, полученное путем формования препрега по пп.5 и 6.