эпоксидное связующее, препрег на его основе и изделие, выполненное из препрега

Формула изобретения

1. Эпоксидное связующее, включающее полифункциональную эпоксидную смолу и отвердитель - комплексное соединение трехфтористого бора с бензиламином, отличающееся тем, что в качестве полифункциональной эпоксидной смолы оно содержит эпокситрифенольную или эпоксиноволачную смолу и дополнительно содержит продукт взаимодействия эпоксидной диановой смолы или смеси эпоксидных диановых смол с соединением, выбранным из группы, включающей: продукт поликонденсации гликолей с диметилтерефталатом, фенолформальдегидную смолу, бутадиенакрилонитрильный каучук или их сочетание, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

вышеуказанная полифункциональная эпоксидная смола	50,0-100,0
отвердитель - комплексное соединение
трехфтористого бора с бензиламином	1,5-3,6
вышеуказанный продукт взаимодействия	30,0-50,0

2. Эпоксидное связующее по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит органический растворитель - смесь изопропилового спирта и ацетона в соотношении 1:(1-9) в количестве 82,0-100,0 мас.ч.

3. Препрег, включающий эпоксидное связующее и волокнистый наполнитель, отличающийся тем, что в качестве связующего используют связующее по п.1 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

эпоксидное связующее	30,0-50,0
волокнистый наполнитель	50,0-70,0

4. Препрег по п.3, отличающийся тем, что в качестве волокнистого наполнителя используют стеклянные, органические или углеродные нити, жгуты, ткани, ленты, а также их сочетания.

5. Изделие, отличающееся тем, что оно выполнено путем формования препрега по п.3.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области создания полимерных связующих эпоксидного типа и полимерных композиционных материалов (ПКМ) на их основе, которые могут быть использованы в качестве конструкционных материалов в авиационной, космической промышленности, радиоэлектронике и других областях техники. Кроме того, предлагаемое эпоксидное связующее может применяться в качестве основы клеев, лакокрасочных покрытий, заливочных компаундов, герметиков, гелькоутных покрытий.

Известно эпоксидное связующее для пропитки стеклоткани, включающее эпоксидную диановую смолу, бакелитовый лак, комплекс трехфтористого бора с бензиламином, этиловый спирт и ацетон (А.с. СССР №496198).

Недостатком данного связующего и препрега, полученного путем пропитки стеклоткани, являются низкие значения предела прочности при изгибе стеклотекстолита на его основе как при комнатной температуре, так и при температуре 200°С, что является следствием низкой адгезии связующего к стеклянному наполнителю.

Известно связующее для композиционных материалов, включающее эпокситрифенольную смолу, анилиноформальдегидную смолу, органический растворитель - ацетон и этиловый спирт, фурилглицидиловый эфир, комплекс анилина с трехфтористым бором, N-метил-2-пирролидон и бензимидазол. Связующее используют для пропитки армирующих материалов (стеклоткань, углеродная лента) с получением препрега (А.с. СССР №1707033).

Недостатком известного связующего и препрега на его основе является низкая жизнеспособность - не более 62 сут, что затрудняет в значительной степени переработку в изделия.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению, принятым за прототип, является препрег, изготовленный с использованием эпоксидного связующего и включающий (вес.%):

эпоксиноволачную смолу - 24-35, комплексное соединение трехфтористого бора с бензиламином - 0,7-1,2, фурфурилглицидиловый эфир - 5,0-6,8, однонаправленный углеродный наполнитель - 58-70 (А.с. СССР №765209).

Связующее по прототипу имеет достаточно длительную жизнеспособность (>6 мес), невысокую коррозионную активность по отношению к конструкционным металлам и сплавам, а изделия, изготовленные из препрега на основе этого связующего, обладают удовлетворительными прочностными свойствами. Однако связующее по прототипу в составе препрега имеет недостаточно высокую адгезию к наполнителю при циклическом воздействии вода - сушка, а ПКМ на его основе имеет высокий уровень внутренних напряжений, что приводит к преждевременному разрушению изделий на основе этого связующего в процессе их эксплуатации.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание эпоксидного связующего, обладающего высоким уровнем и стабильностью адгезии к наполнителю и низкими значениями внутренних напряжений ПКМ при циклическом воздействии вода - сушка при температуре 70°С и позволяющего вследствие этого получать стекло-, органо- и углепрепреги и изделия из них с повышенной прочностью при воздействии эксплуатационных факторов.

Для решения поставленной задачи предложено эпоксидное связующее, включающее полифункциональную эпоксидную смолу и отвердитель - комплексное соединение трехфтористого бора с бензиламином, где связующее в качестве полифункциональной эпоксидной смолы содержит эпокситрифенольную или эпоксиноволачную смолу и дополнительно содержит продукт взаимодействия эпоксидной диановой смолы или смеси эпоксидных диановых смол с соединением, выбранным из группы, включающей: продукт поликонденсации гликолей с диметилтерефталатом, фенолформальдегидную смолу, бутадиенакрилонитрильный каучук или их сочетание, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

указанная полифункциональная эпоксидная смола	50,0-100,0
отвердитель - комплексное соединение
трехфтористого бора с бензиламином	1,5-3,6
указанный продукт взаимодействия	30,0-50,0

Связующее может дополнительно содержать органический растворитель - смесь изопропилового спирта и ацетона в соотношении 1:(1-9) в количестве 82,0-100,0 мас.ч.

Предложен также препрег, включающий указанное эпоксидное связующее и волокнистый наполнитель, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

эпоксидное связующее	30,0-50,0
волокнистый наполнитель	50,0-70,0

В качестве волокнистого наполнителя используют стеклянные, органические или углеродные нити, жгуты, ленты, а также их сочетания.

Также предлагается изделие, выполненное путем формования указанного препрега.

Авторами установлено, что введение в состав связующего наряду с полифункциональной эпоксидной смолой продукта взаимодействия эпоксидной диановой смолы или смеси эпоксидных диановых смол с вышеуказанными соединениями позволяет существенно улучшить адгезию связующего к волокнистому наполнителю и снизить в значительной мере внутренние напряжения в композиционном материале при воздействии эксплуатационных факторов, особенно в тепловлажностных условиях. Кроме того, указанный продукт взаимодействия выполняет роль модификатора, улучшающего технологичность препрега.

В качестве полифункциональной эпоксидной смолы могут быть использованы, например, эпоксиноволачные смолы марок ЭН-6 и УП-643 (ТУ 6-05-1585-89), смола эпокситрифенольная марки ЭТФ (ТУ 2225-316-09201208-94).

В качестве отвердителя используют комплексное соединение трехфтористого бора с бензиламином - отвердитель УП-605/3 (ТУ 6-10-125-91).

В качестве исходных компонентов для получения продукта взаимодействия могут быть использованы эпоксидные диановые смолы ЭД-20, ЭД-8 (ГОСТ 10587-84) или их смесь, фенолформальдегидные смолы марок СФ-341А, СФ-010, СФ-014 (ГОСТ 18694-80), низкомолекулярный бутадиенакрилонитрильный каучук СКН-30 КТРА (ТУ 38.103474-86), продукт поликонденсации гликолей с диметилтерефталатом - смола ТФ-82 (ТУ 6-05-1654-84). Массовые соотношения исходных компонентов для получения продукта взаимодействия приведены в таблице 1.

Для получения указанного продукта взаимодействия на 100 мас.ч. эпоксидных смол брали от 4,2 до 50,0 мас.ч. соединения из вышеперечисленной группы. Совмещение компонентов проводили при температуре (150±5)°С в течение 2 ч.

Продукт взаимодействия - вязкая прозрачная смола желтого цвета с массовой долей эпоксидных групп 18-20%.

Связующее по изобретению может быть использовано для получения препрегов как по расплавной, так и по растворной технологии. В качестве органического растворителя использовалась смесь изопропилового спирта (ТУ 6-09-402-75) и ацетона (ГОСТ 2603-79) при их массовом соотношении 1:(1-9).

Примеры осуществления

Пример 1.

Приготовление продукта взаимодействия.

В реактор загружали 47,5 мас.ч. эпоксидной диановой смолы ЭД-20, включали мешалку и нагревали до температуры 150°С. Затем добавляли 2,5 мас.ч. смолы ТФ-82 и перемешивали в течение 2 ч.

50,0 мас.ч. эпоксиноволачной смолы ЭН-6, 3,0 мас.ч. отвердителя УП-605/3, 50,0 мас.ч. полученного продукта взаимодействия гомогенизировали при температуре 70°С в течение 3 ч с получением расплава.

На полученном по примеру 1 связующем изготавливали препрег на основе стеклоткани Т-10-80 (ГОСТ 19179-73) следующего состава, мас.%:

Связующее	30,0
Стеклоткань	70,0

Для получения трехслойной звукопоглощающей панели между верхней и нижней обшивками, выполненными из указанного препрега, укладывали сотовый заполнитель и проводили формование при температуре 175°С и давлении 0,1 МПа в течение 3,5 ч.

Технология приготовления продукта взаимодействия по примерам 2-7 аналогична примеру 1.

Пример 2.

В чистый сухой реактор загружали 90,0 мас.ч. органического растворителя, включали мешалку, загружали 75,4 мас.ч. эпокситрифенольной смолы ЭТФ, 32,4 мас.ч. продукта взаимодействия по примеру 1, 2,2 мас.ч. отвердителя и перемешивали при температуре 20°С в течение 5 ч до полной гомогенизации раствора.

Полученным связующим в количестве 38,0 мас.% пропитывали волокнистый наполнитель в виде углеродной ленты ЭЛУР - 0,08 ПА (ГОСТ 28006-88) в количестве 62,0 мас.% с получением препрега.

Путем формования препрега при температуре 80-170°С и удельном давлении 0,7 МПа в течение 5 ч получают створку шасси.

Технология изготовления связующего по примерам 3-7 аналогична примеру 2.

Пример 3.

Для изготовления защитной каски использовали препрег на основе связующего, полученного по примеру 3 таблицы 1, и ткани СВМ арт. 56313 следующего состава, мас.%:

Связующее	50,0
Ткань СВМ	50,0

Препрег раскраивали по шаблонам, раскроенные заготовки выкладывали на форму, собирали технологический пакет для вакуумного формования и проводили изготовление каски при температуре 170°С и давлении 0,08 МПа в течение 3,5 ч.

Пример 4.

Для изготовления лонжерона лопасти вентилятора брали препрег, содержащий 31,0 мас.% связующего, изготовленного по примеру 4 таблицы 1, 35,0 мас.% стеклоткани Т-25 (ВМ)-78 (ТУ 6-11-380-76) и 34,0 мас.% углеродной ленты ЛУ-П (ГОСТ 28006-88). Собирали пакет и проводили формование изделия пресс-камерным методом при температуре 170°С и давлении 0,5 МПа в течение 4 ч.

Пример 5.

Препрег, содержащий 55,0 мас.% органической нити Русар-М (ТУ 2272-052-51605609-2004) и 45,0 мас.% связующего, изготовленного по примеру 5 таблицы 1, наматывали на оправку на намоточном станке и помещали в термошкаф для проведения процесса формования при температуре 170°С в течение 5 ч монолитной детали для защиты корпуса вентилятора.

Пример 6.

Препрег, содержащий 65,0 мас.% углеродной ленты УОЛ-300-3к (ТУ 1916-167-05763346-96) и 35,0 мас.% связующего, приготовленного по примеру 6 таблицы 1, закатывали на оправку при продольном расположении углеродной ленты относительно оси оправки, проводили намотку окружных слоев препрегом на основе углеродной нити УКН-М (ТУ 1916-05763346-96) в количестве 65 мас.% и связующего, приготовленного по примеру 6 таблицы 1, в количестве 35 мас.%. Помещали оправку в термошкаф для проведения процесса формования изделия (рыболовного удилища) при температуре 170°С в течение 4 ч.

Пример 7.

Технология получения препрега и изделия из него с использованием связующего по примеру 7 табл.1 аналогична примеру 6.

В таблице 1 приведены составы предлагаемого эпоксидного связующего и прототипа, в таблице 2 - сравнительные данные по свойствам заявляемого эпоксидного связующего и прототипа в отвержденном состоянии, в таблице 3 - сравнительные свойства препрегов и изделий по изобретению и по прототипу.

Внутренние напряжения ( ²⁰ _вн) измерялись консольным методом. Толщина отвержденной при температуре 160-170°С в течение 5 ч пленки связующего составляла около 50 мкм. Величина внутренних напряжений ( ²⁰ _вн) определялась из графической зависимости ²⁰ _вн=f(Т _изм), а температура стеклования (Т_с ) определялась как точка перегиба кривой той же зависимости.

Таблица 1
Наименование компонента	Состав по примерам, мас.ч.							Прототип
	1	2	3	4	5	6	7
Полифункциональная
эпоксидная смола:	50,0	-	-	-	-	70,0	68,0	100,0
- эпоксиноволачная смола ЭН-6
- эпоксиноволачная смола УП-643	-	-	100,0	-	-	-	-	-
- эпокситрифенольная смола ЭТФ	-	75,4	-	65,0	60,0	-	-	-
Отвердитель:
комплексное соединение трехфтористого бора с бензиламином	3,0	2,2	3,6	1,6	1,5	2,0	2,0	3,0
Продукт взаимодействия: ЭД-20+ТФ-82 (19,2:1)	50,0	32,4	-	-	-	-	-	-
ЭД-20+СФ341А (14:1)	-	-	50,0	-	-	-	-	-
ЭД-20+ЭД-8+СФ-014 (20:15:3)	-	-	-	38,0	-	-	-	-
ЭД-20+ЭД-8+СФ-010 (15:4:1)	-	-	-	-	40,0	-	-	-
ЭД-20+СКН-30 КТРА+СФ-014 (20:1:1)	-	-	-	-	-	30,0	-	-
ЭД-20+ЭД-8+СКН-30 КТРА+СФ-010 (15:4:1:1)
	-	-	-	-	-	-	32,0	-
Активный разбавитель:
фурфурилглицидиловый эфир	-	-	-	-	-	-	-	20,0
Органический растворитель: смесь изопропилового спирта и ацетона в соотношении:
1:9	-	90,0	-	-	82,0	83,5	83,5
1:1	-	-	100,0	-	-	-	-
1:1,2	-	-	-	85,7	-	-	-

Таблица 2
Наименование показателей		Эпоксидное связующее по примерам									Прототип
		1	2	3		4	5	6		7
Внутренние напряжения в отвержденной пленке связующего 20 вн, кг/см 2		32	10	29		57	15	8		9	100
Температура стеклования Т с, °С		55	42	65		72	46	40		40	100
Площадь отслаивания пленки после 5 циклов вода - сушка, %
		2	0	2		3	0	0		0	80
Количество циклов вода - сушка до полного отслаивания пленки
		>40	>40	>40		>40	>40	>40		>40	6
Таблица 3
Примеры	Жизнеспособность препрега, мес				Состояние препрега после хранения более 6 мес				Внешний вид изделия после воздействия тепловлажностных факторов
По изобретению	7-10				Эластичный, легко выкладывается				Без расслоений и трещин
Прототип	6				Сухой, хрупкий, к переработке не пригоден				Полное расслоение

Из данных, представленных в таблице 2, видно, что внутренние напряжения в отвержденной пленке заявляемого связующего в 1,7-15 раз ниже, чем в пленке связующего по прототипу. Температура стеклования отвержденных пленок заявляемого связующего значительно ниже (40-72°С), чем у связующего по прототипу (100°С).

С целью оценки длительной работоспособности отвержденного эпоксидного связующего и его адгезионных свойств изучали внутренние напряжения и величину площади отслаивания отвержденной эпоксидной пленки после воздействия воды с температурой 70°С в течение 2 ч с последующей сушкой при той же температуре в течение 2 ч (1 цикл). Из данных таблицы 2 видно, что после 5 циклов воздействия вода - сушка площадь отслаивания пленки связующего состава по примерам 1-7 составляет от 0 до 3%, в то время как пленка эпоксидного связующего по прототипу отслаивается на 80% и выдерживает всего 6 циклов до полного расслоения, по сравнению с пленкой заявляемого связующего, которое выдерживает >40 циклов воздействия вода - сушка. Эти экспериментальные данные свидетельствуют о высокой адгезии эпоксидного связующего заявляемого состава к волокнистому наполнителю и о большей (˜ в 6 раз) работоспособности изделий из препрега на его основе по сравнению со связующим по прототипу. Сопоставление технологических свойств препрегов по изобретению и по прототипу (таблица 3) показывает, что препрег по изобретению имеет повышенную жизнеспособность (7-10 мес) по сравнению с прототипом (6 мес), что выражается в его состоянии после хранения в течение промежутка времени более 6 мес: он эластичный, легко выкладывается, в то время как препрег по прототипу становится сухим, хрупким и не пригодным к переработке. Изделия, выполненные из заявляемого препрега, не имеют трещин и расслоений после воздействия тепловлажностных факторов и могут далее выполнять свое функциональное назначение, и, вследствие этого, обладают большей работоспособностью, чем изделия, выполненные из препрега по прототипу, которые после воздействия указанных факторов становятся не пригодными к дальнейшей эксплуатации.