УДК 669.018-419.8 . Костромской государственный технологический университет

УДК 669.018-419.8
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ, СТРУКТУРЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ОСОБЕННОСТЕЙ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
С.А. Угрюмов
Костромской государственный технологический университет
Приведен аналитический обзор материалов, посвященных вопросам изучения
свойств и структуры полимерных композиционных материалов. Рассмотрены
особенности выбора технологии и проектирования конструкций из полимерных
композиционных материалов.
Ключевые слова: композиционные материалы, наполнители,
полимерные материалы, структурные исследования, технологические
режимы.
Одним из наиболее распространенных и перспективных материалов
для производства композитных конструкций являются углеродные волокна,
которым в последние годы посвящено достаточно большое количество
публикаций.
В работе [1] приводятся результаты экспериментальных исследований
зависимости сенсорных (электрофизических) свойств углеродных волокон
и лент от количества и формы их наноструктурных дефектов. Известно, что
углеродные волокна обладают тензочувствительностью – способностью
реагировать изменением своего электрического сопротивления на
изменение внешней нагрузки. Именно это свойство углеродных волокон
(нитей, лент и тканей) делает возможным их применение в качестве
тензочувствительных элементов для оценки напряженно-деформированного
состояния (НДС) деталей и соединений. Сенсорные свойства углеродных
волокон зависят от количества дефектов на их поверхности. Основные типы
дефектов представляют собой поверхностные и объемные микро- и
нанопоры, которые образуются в результате выделения летучих. Далее, в
процессе термообработки, эти поры трансформируются в микротрещины,
делая несовершенной структуру углеродного волокна.
В работе [2] приведены результаты структурных исследований влияния
наносиликатов на различные полимерные системы — термопласт и каучук.
Показана возможность оптимизации пожаробезопасных свойств данных
систем за счет модификации их наносиликатами с сохранением, а в
некоторых случаях и с увеличением показателей физико-механических
свойств.
В статье [3] рассмотрена проблема управления структурой и
свойствами наполненных полимерных композиций на основе эпоксидных
материалов и различных волокнистых и дисперсных наполнителей. Авторы
1
рассматривают четыре масштабных уровня структур наполненных
полимерных материалов и приводят примеры их структур на разных этапах
процесса разрушения.
В работе [4] представлены результаты микроструктурного анализа
полимерного материала на основе эпоксидного олигомера, отвержденного
диаминодифенилсульфоном и термопластичных полимеров, таких как,
полисульфон и полиариленэфиркетон. Сделан расчет ресурса работы
деталей, изготовленных из данного материала при их многоцикловом
нагружении. В результате проведенных исследований установлено, что
гибридная полимерная матрица, полученная на основе термопластичного и
термореактивного материалов, обеспечивает повышение деформационных
и прочностных характеристик, что в результате приводит к увеличению
ресурса изделий из ПКМ.
Одной из наиболее существенных проблем применения полимерных
материалов при создании ответственных
конструкций является
неудовлетворительный уровень адгезионной прочности соединений. Одна из
перспективных тенденций решения данной проблемы – это усиление
межфазного взаимодействия за счет кислотно-основного, которое, как
известно, может играть определяющую роль при формировании
адгезионного
контакта.
При
этом
наилучшее
взаимодействие
осуществляется, когда один из соединяемых материалов обладает
кислотными свойствами, а другой
– основными. Определяющим
показателем в данном плане является разница в кислотных и основных
характеристиках: чем она больше, тем выше кислотно-основное и,
соответственно, адгезионное взаимодействие. Таким образом, для создания
соединения с требуемой прочностью необходимо обладать информацией о
кислотно-основных характеристиках как полимерного адгезива, так и
металлического адгеренда. В статье [5] проведено определение кислотноосновных свойств поверхности металлов, используемых в качестве
субстратов в адгезионных соединениях, двухжидкостным методом.
Показано, что предлагаемый метод предоставляет возможность научнообоснованного выбора субстрата для создания адгезионных соединений
полимерный адгезив–металл с высоким уровнем межфазного кислотноосновного взаимодействия. Полученные результаты могут представлять
существенный интерес при направленной модификации кислотно-основных
свойств поверхности металлических субстратов.
В последние время полимерные композиционные материалы (в
частности армированные стекло- и базальтопластики) широко применяют в
конструкциях несущих строительных опор. За рубежом стеклопластики в
последние годы находят все более широкое применение в конструкциях опор
и траверс линий электропередач (ЛЭП). При производстве подобных
конструкций особую сложность представляет выбор технологии формования,
которая зависит не только от свойств используемых материалов, но и от
размеров получаемых изделий, их формы и назначения. В статье [6]
2
рассмотрены способы изготовления крупногабаритных изделий из
полимерных композиционных материалов (ПКМ). В результате
проведенного анализа выбраны материалы и технологические решения,
которые позволяют обеспечить требуемое качество изделий ЛЭП, обладают
наименьшей трудоемкостью и высокой производительностью. Показано, что
наиболее предпочтительной является технология «мокрой» намотки с
использованием в качестве связующего эпоксидного связующего марки
ВСЭ-21.
При хранении полимерных материалов происходит неизбежный процесс
старения, приводящий к ухудшению их свойств. Наиболее актуальны
проблемы старения для каучуков и изделий из них. Для решения проблемы
старения каучуков существуют разные подходы, среди которых
использование специальных добавок в рецептуре и применение защитных
покрытий. В работе [7] проведена модификация хлорсульфированного
полиэтилена (ХСПЭ) аминосодержащим соединением диафен ФП. Показано,
что композиции на основе модифицированного ХСПЭ могут использоваться
как клеевые составы для склеивания резин, так и как покрытия для защиты
резин от озонного старения.
Для проектирования конструкций из композитных материалов, помимо
совершенного математического аппарата решения задач радиационнокондуктивного теплообмена необходима информация о теплофизических и
оптических свойствах полимерных композитов во всем диапазоне рабочих
температур. Получение данных об оптических свойствах поверхностей
композиционных материалов обычно не вызывает затруднений. Для этого
используют стандартные приборы. С определением же теплофизических
свойств полимерных композитов, а особенно теплопроводности, ситуация
гораздо сложнее. В работе [8] предложена методика термовакуумных
испытаний элементов натурных стержневых конструкций по определению
теплопроводности полимерных композиционных материалов в широком
диапазоне
температур.
Методика
предусматривает
охлаждение
экспериментальных образцов жидким азотом и нагрев контактным методом.
Обработка экспериментальных данных осуществляется с помощью решения
коэффициентной обратной задачи теплопроводности.
В работах [9,10] предложены новые методики оценки физикомеханических характеристик композиционных материалов, заключающиеся в
последовательном испытании адгезионной прочности на границах раздела
фаз, а также методы
ускоренных экологических испытаний и
количественного
определения
содержания
токсичных
веществ
фотоколориметрическим методом.
Применение указанных методик оценки свойств, структуры и
технологических особенностей полимерных композиционных материалов
позволяет рационально использовать экспериментальные образцы, получить
точные экспериментальные данные при сокращении сроков на проведение
лабораторных
исследований,
прогнозировать
физико-механические,
3
теплотехнические и экологические свойства композиционных материалов в
зависимости от соотношения исходных компонентов.
Список литературы
Baurova N.I. Microstructural investigations of surfaces of destruction of
carbon plastic // Polymer Science - Series D. 2013. –Т. 6. –№ 3. –С. 246-249.
2.
Volkova T.S., Isaev A. Yu., Petrova A.P., Zhuravleva P.L. Features of the
influence of nanosilicates on the change of properties of different polymer and
adhesive systems // Polymer Science - Series D. 2013. –Т. 6. –№4. –С. 280-284.
3.
Zorin V.A., Baurova N.I., Shakurova A.M. Control of microstructure and
properties of filled polymer compositions // Polymer Science - Series D. 2013. –
Т. 6. –№ 1. –С. 36-40.
4.
Muranov A.N., Malysheva G.V., Nelyub V.A., Buyanov I.A., Chudnov
I.V., Borodulin A.S. Investigation of properties of polymeric composition
materials around a heterogeneous matrix // Polymer Science - Series D. 2013. –
Т. 6. –№3. –С. 256-259.
5.
Starostina I.A., Nguyen D.A., Burdova E.V., Stoyanov O.V. Adhesion of
polymers: new approaches to determination of surface properties of metals //
Polymer Science - Series D. 2013. –Т. 6. –№ 1. –С. 36-40.
6.
Nelyub V.A. Technologies of production of components of electric
transmission line supports from epoxy binders by the winding method //
Polymer Science - Series D. 2013. –Т. 6. –№ 1. – С. 44-47.
7.
Kablov V.F., Keibal N.A., Bulgakov A.V., Gorban' O.V. Development of
adhesive ozone-resistant compositions based on chlorosulfonated polyethylene
for elastomeric materials // Polymer Science - Series D. 2013. –Т. 6. –№ 3. –С.
207-209.
8.
Reznik S.V., Denisov O.V., Prosuntsov P.V., Timoshenko V.P.,
Shulyakovskii A.V. Thermal-vacuum tests of hollow composite rods intended
for structures in space // Polymer Science - Series D. 2013. –Т. 6. –№ 3. –С.
242-245.
9.
Fedotov A.A., Ugryumov S.A. The study of physical-mechanical
characteristics of three-layered wood chipboards with a layer-by-layer
combination of the binding agent // Polymer Science - Series D. 2013. –Т. 6. –
№ 2. –С. 164-167.
10.
Ugryumov S.A. A method of quantitative evaluation of the content of free
furfural in glued wood materials based on furan oligomers // Polymer Science Series D. 2013. –Т. 6. –№ 1. – С. 51-53.
1.
4
THE STUDY OF THE PROPERTIES, STRUCTURE AND
TECHNOLOGICAL PECULIARITIES OF POLYMER COMPOSITE
MATERIALS
S. A. Ugryumov
Kostroma state technological University
An analytical review of materials devoted to the study of properties and
structure of polymer composite materials. Peculiarities of technology selection
and design of structures made of composite materials.
Key words: composite materials, fillers, polymeric materials, structural research,
technological modes.
5