Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет Энгельсский технологический институт (филиал) ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ СВЯЗУЮЩЕГО И УСЛОВИЙ ФОРМОВАНИЯ НА СВОЙСТВА АРМИРУЮЩИХ ВОЛОКОН Методические указания к учебно-исследовательской работе по дисциплине «Химия и технология полимерных композиционных материалов» для студентов специальности 24.05.02 Одобрено редакционно-издательским советом Саратовского государственного технического университета Саратов 2005 ОБЩИЕ ПОНЯТАЯ Полимерные композиционные материалы (ПКМ) состоят не менее чем из двух фаз: наполнителя и полимерной матрицы (связующего), которые относительно равномерно распределяются в объеме полимерной матрицы. Кроме того, в ПКМ вводятся различные добавки: отвердители, красители, пластификаторы, стабилизаторы и др. Наполнители ПКМ - это твердые, жидкие, газообразные неорганические или органические вещества, которые вводят в термо- и реактопласты. Твердые наполнители подразделяются на дисперсные, волокнистые. В качестве дисперсных наполнителей используют тонкодисперсные с частицами зернистой (сажа, двуоксиь кремния, древесная мука, каолин и др.) или пластинчатой (тальк, слюда, графит и др.) формы. В качестве волокнистых наполнителей применяют волокнистые системы на основе природных (лен хлопок, джут, асбест) ИЛИ химических волокон (полиакрилонитрильные, вискозные, полиэфирные стеклянные, борные и др.) в виде комплексных нитей, жгутов, тканей, холстов, матов, пленок, сеток, нетканых материалов. В качестве наполнителей широко используется бумага. Наполнители вводят с целью улучшения физико-механических и физико-химических свойств (теплостойкости, термостойкости), создания материалов с заранее заданными свойствами (электропроводных, антифрикционных, негорючих) и снижения стоимости, От наполнителя в значительной степени зависят технологические свойства (текучесть, продолжительность формования) и выбор способа переработки их в изделия. Наполнители, повышающие физико-механические свойства ПКМ, называются армирующими. Армирующими являются все виды волокнистых наполнителей. Свойства ПКМ определяются свойствами входящих в них компонентов, табл. 1 и 2. Взаимодействие между волокном и олигомером начинается со смачивания и формирования адгезионного контакта. Органические волокна при этом подвержены влиянию компонентов связующего, с которым они совмещаются при изготовлении композитов. Это связано с возможностью диффузии олигомеров в структуру волокна, вызывающую их набухание, релаксацию напряжений и, как следствие, снижение прочности. Таблица 1 Свойства армирующих волокон Волокно Плотность Прочность ОтносиМодуль упругости, 3 2 кг/м тельное МПа кГс/мм 2 удлинеМН/м ние, % Асбестовое 2400 250-3000 500-1700 Борное 2500-3800ррр 2300-2600 250-380 2800-4200 Полиамидное 1140 40-70 20 2700 Хлопковое 1540 30-60 7-8 100-120 Полиакрилонитрильное 1200 35 2800 Вискозное 150 56 2800 Полиэфирное 1400 70 4200 Таблица 2 Свойства отвержденных связующих Волокно Плотность Прочность ОтносиМодуль упругости 3 кг/м при тельное при растяжении, растяжении, удлинеМПа МПа ние, % Фенолоформальдегид1200-1250 40-70 0,4-0,8 1400-4300 ная смола Полиэфирная смола 1100 25-45 0,5-1,2 2000-3900 Эпоксидная смола 1200 50-140 7-70 2800-5000 Влияние на прочностные свойства волокон оказывают также условия формования (температура, давление, продолжительность) и совместное влияние природы связующего и условий формования. Работа №1. Изучение свойств исходных армирующих волокон. Цель работы: Изучение прочностных свойств и термоустойчивости армирующих волокон различной химической природы. Прочностью армирующих волокон, их удлинением и модулем упругости определяются в значительной степени физико-механические свойства ПКМ. Термоустойчивость волокон определяет выбор типа связующего и в конечном итоге температуру формования и условия эксплуатации. Приборы: Испытания проводятся на динамометре РМ-3-1 №393, 1985 г. Пределы измерения: нагрузки 0-0,05 н; 0-1 н; 0-3 н; удлинения – 0,4%; 0-200 мм. Погрешность измерения 5%. Метод измерения – метод непосредственного отсчета. Дериватограф фирмы Паулик-Паулик-Эрдей, скорость нагрева 10о/мин мин, навеска образца – 200 мг, среда – воздух. Задание: 1. Ознакомиться с устройством и принципом действия динамометра РМ-3. 2. Определить абсолютное и относительное удлинение и разрывную нагрузку (из 5 испытаний). 3. Вычислить коэффициент вариации по разрывной нагрузке. Устройство РМ-3, порядок работы на нем, обработка результатов эксперимента приведены в методических указаниях к УИРС «Изучение влияния свойств и качества исходного сырья и вспомогательных материалов на свойства ПКМ». Результаты наблюдений и статобработки заносят в табл. 3 и 4. Вид химического Р, ГС волокна Полиамидное (ПКА) Полиакрилонитрильное (ПАН) Вискозное (ВВ) Полиэфирное (ПЭ) Показатели ПКА Текс. Ротн. ГС/текс. ПАН А Вид нитей ВВ (А) С Таблица 3 Е Таблица 4 ПЭ Задание 2. Изучение термоустойчивости исходных армирующих нитей. Цель работы: Определить влияние химического состава волокон на характеристики термодеструкции. Устройство прибора: 1 – регистратор разности температур, 2 – регистратор температуры образца, 3 – комбинированная термопара, 4 – блок для исследуемого образца и эталонного вещества, 5 - печь, 6 – ячейка с исследуемым образцом, 7 – термопара печи, 8 – программный регулятор нагрева печи, 9 – ячейка с эталонным веществом. Методика работы. Подготовка дериватографа к работе. Навеску исследуемого вещества (исходная вискозная нить и огнезащищенная нить, содержащая 10,20 и 30% ТПФ) массой 200 мг помещают в платиновый тигель, навеску эталонного образца (окись алюминия) в другой. Взвешивание в приборе проводят по правилам взвешивания на аналитических весах. Световой указатель устанавливают на нулевое давление. После взвешивания тигли накрывают кварцевым стеклом и опускают печь так, чтобы стакан находился в середине печи. Задается скорость нагрева (10о/мин) и чувствительность гальванометра ТГ-500, ДТГ-1 мг и ДТА-500. Предел измерения гальванометра устанавливают на конечную температуру 1000оС. Далее устанавливают нулевое положение световых указателей гальванометров, Т – на температуру окружающей среды, ДТА – на середину температурной шкалы, ДТГ – на нулевое деление весовой шкалы. Калибруют прибор по массе и температуре (по инструкции к прибору). Проведение измерения. После того как дериватограф будет подготовлен к работе дезорретируют весы, включают гальванометр ДТГ, ручку барабана ставят в нулевое положение, включают двигатели регулятора напряжения и регистрирующего устройства. Включают печь и осветительные лампы ТГ, ДТГ, ДТА, Т. Окончив опыт, выключают двигатели регистрирующего барабана и регулятора напряжения, а также обогрев и осветительные лампы, отключают гальванометр ДТГ и арретируют весы. Поднимают печь. При обработке кривых данные заносятся в таблицу 5. Таблица 5 Вид исходного волокна Основная стадия деструкции Тн-Тк оС mн-mк % Тмах mмах Потери массы, %, при температурах, оС mн, mк и mмах – потери массы при температурах деструкции: начальной Тн, конечной Тк, максимальной скорости - Тmax Работа 2. Изучение влияния вида связующего и условий формования на прочностные свойства и термоустойчивость волокон. Цель работы: Установить зависимость физико-механических свойств и параметров термодеструкции от химической природы связующего, температуры, продолжительности и давления формования. Реактивы и материалы: эпоксидная смола ЭД-20 ГОСТ 10587-76 фенолоформальдегидная смола СФ-342А ГОСТ 18694-80 сырая резина ацетон ГОСТ 1603-63. Приборы: сушильный шкаф: РТ-300 пресс ДГ-2430-А. Порядок работы на гидравлическом прессе ДГ-2430-А Определить рабочее давление в гидросистеме, которое требуется для прессования данного изделия. Сомкнуть форму и проверить по манометру, при каком давлении отключается электромагнит, сравнить это давление с требуемым и, соответственно, подтянуть или опустить регулировочный винт реле давления. Нагреть пресс-форму до требуемой температуры и отработать режим прессования изделий, регулируя скорость прессования, подобрать требуемое число подпрессовок, время паузы перед прессовками и усилие подпрессовок, время выдержки изделий под давлением. После отработки режима прессования произвести соответственно настройку системы управления: - установить время выдержки; - время паузы; число подпрессовок. Режимный переключатель установить в положение «Полуавтоматическая работа» и переключатель ряда работ в положение «Прямое прессование». Осуществить несколько полных циклов без материала. Цикл полуавтоматической работы начинается нажатием кнопки «ползун вниз», до перехода ползуна на рабочий ход; далее цикл выполняется автоматически и заканчивается подъемом выталкивателя. Чтобы опустить выталкиватель необходимо нажать кнопку «Выталкиватель вниз». Засыпать материал в пресс-форму и приступить к работе на прессе с получением изделий в полуавтоматическом режиме. По окончании работы на прессе необходимо: - опустить выталкиватель и закрыть пресс-форму без усилия; - вводный выключатель установить в положение «Выключение». Методика эксперимента: Образцы нитей длиной 30 м взвешиваются на анатилических весах, а затем обрабатываются ацетоновым раствором эпоксидного или фенольного связующего (соотношение ацетона и связующего 1:1). Модуль ванны при обработке 5. Обработанные нити высушиваются на воздухе (в вытяжном шкафу). После удаления растворителя нить взвешивается, затем разрезается на трехметровые отрезки. Далее необходимо: I-й образец испытать без обработки температурой и давлением. II, III и IV образцы подвергнуть воздействию температур: II – 90оС; III – 120оС; IV – 150оС. Воздействию таких же температур подвергнуть нити без связующего. V, VI, VII – образцы подвергнуть воздействию давления: V – 5 МПа; VI – 8 МПа; VII – 11 МПа. Давлением таких же величин обработать нити без связующего. Образцы: VIII, IX, Х – подвергнуть совместному воздействию температуры и давления: VIII образец температурой 90оС и давлением 8 МПа; IX образец температурой 120оС и давлением 8 МПа; Х образец температуре 150оС и давлением 8 МПа. Продолжительность воздействия в прессе давления и температуры 15 минут. Образцы (нити, завернутые в целлофан) прессовать в сырой резине. Все образцы испытать на прочность и удлинение. Испытанные образцы сохранить. Запись результатов оформить в виде таблицы 6. Таблица 6 Изучаемые Вид нити характе- необраб. обраб. обраб. обраб. температ., о о ристики нить температурой, С давлением С и давлением 8 МПа МПа 90 120 150 5 8 1 90 120 150 Разрывная нагрузка, кГс Удлинение ,мм/ Построить графики зависимости прочности нитей от различных воздействий. Сделать выводы о влиянии условий формования и химического состава связующего на прочностные свойства нитей различной химической природы и определить оптимальные условия формования. Провести оптимизацию выбора параметров методом планирования эксперимента. Нити с нанесенным связующим, но не подвергнутые обработке, и нити обработанные в оптимальных условиях испытать на термоустойчивость. Данные результаты записать в таблицу формы 5. Сделать вывод о влиянии химической природы связующего и условий формования на термоустойчивость нитей. ЛИТЕРАТУРА Основная 1. Г.Н.Гуняев. Структура и свойства волокнистых полимерных композитов. М.: Химия, 1981 г. 2. Под ред. Коща. Наполнители для полимерных композиционных материалов. М.: Химия, 1981 г. 3. Зазулина З.А. и др. Основы технологии химических волокон. М.: Химия, 1985 г. Дополнительная 1. Р.В.Торнер. Теоретические основы переработки полимеров. М.: Химия, 1987 г. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ СВЯЗУЮЩЕГО И УСЛОВИЙ ФОРМОВАНИЯ НА СВОЙСТВА АРМИРУЮЩИХ ВОЛОКОН Методические указания к учебно-исследовательской работе по дисциплине «Химия и технология полимерных композиционных материалов» составили: ПАНОВА Лидия Григорьевна АРЗАМАСЦЕВ Сергей Владимирович Рецензент Л.Ф.Рамазаева Корректор Л.Н.Солдаткина