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

Формула изобретения

1. Эпоксидное связующее, включающее эпоксиноволачную смолу, азотсодержащую эпоксидную смолу и отвердитель, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит продукт конденсации гликолей с диметилтерефталатом, а в качестве отвердителя оно содержит продукт взаимодействия 4,4'-диаминодифенилсульфона с карбоксилированными нанотрубками при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

эпоксиноволачная смола	85-100
азотсодержащая эпоксидная смола	85-100
продукт конденсации гликолей с диметилтерефталатом	5-20
отвердитель	85-90

2. Эпоксидное связующее по п.1, отличающееся тем, что содержание карбоксилированных нанотрубок в отвердителе составляет 1-10 мас.ч.

3. Препрег, включающий эпоксидное связующее и волокнистый наполнитель, отличающийся тем, что в качестве эпоксидного связующего он содержит эпоксидное связующее по п.1, а в качестве волокнистого наполнителя - углеродные жгуты, ленты, ткани при следующем соотношении компонентов, мас.%:

указанное эпоксидное связующее	30-50
указанный волокнистый наполнитель	50-70

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

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области создания эпоксидных связующих для полимерных композиционных материалов (ПКМ) конструкционного назначения на основе волокнистых углеродных наполнителей, которые могут быть использованы в авиационной, космической, машино-судостроительной промышленности и других областях техники.

Известно эпоксидное связующее для армированных пластиков, включающее эпокситрифенольную смолу ЭТФ, эпоксиалифатическую смолу ДЭГ-1, отвердитель - фенолформальдегидную смолу СФ-340А и смесь растворителей: ацетона, спирта и толуола, а также препрег на основе указанного связующего и органо- и угленаполнителей (патент РФ № 2260022).

Известно эпоксидное связующее для армированных пластиков, включающее эпокситрифенольную смолу, отвердитель - анилинофенолоформальдегидную смолу, низкомолекулярный бутадиен-акрилонитрильный каучук с концевыми карбоксильными группами, ускоритель отверждения -бис[3-(3,5-ди-трет-бутил-4-оксифенил)пропил]сульфид и спиртоацетоновую смесь, препреги и композиционные материалы на его основе (патент РФ № 2215759).

Недостатком этих связующих являются недостаточно высокие прочностные свойства, а также длительный (до 23 часов) цикл отверждения связующего при температуре более 180°С, что приводит к высокой энерго- и трудоемкости процесса его переработки.

Известно эпоксидное связующее, включающее смесь трех ароматических эпоксидных смол и отвердитель - цианогуанидин, препрег на его основе, полученный пропиткой указанным связующим стеклянных, углеродных и органических волокнистых наполнителей, а также изделие, полученное путем формования указанного препрега (патент США № 6139942).

Недостатками известного связующего являются низкие показатели относительного удлинения при растяжении и малая жизнеспособность, а также невысокие прочностные свойства композиционного материала и изделий из него.

Известно связующее на основе эпоксидной смолы с аминофункциализованными углеродными нанотрубками (заявка США № 2008/0300357).

Известны композиционные материалы на основе эпоксидных связующих, усиленных функциализованными нанотрубками (заявка WO № 2005/028174).

Недостатками известных материалов являются сложность и энергоемкость процесса аминофункциализации нанотрубок, а также невозможность обеспечить одинаковое по интенгсивности воздействие ультразвука на смолу при больших объемах производства, что приводит к неравномерности физико-механических свойств композиционных материалов, в частности к снижению прочности при межслоевом сдвиге, что влечет за собой расслоение изделий при эксплуатации.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является эпоксидное связующее для препрега, включающее, мас.%:

триглицидилпроизводное парааминофенола марки ЭАФ	12,8-15,0
полиглицидилпроизводное низкомолекулярного новолака
марки УП-643	19,0-23,0
отвердитель 4,4'-диаминодифенилсульфон	10,0-16,0
продукт взаимодействия дифенилолпропана
с эпихлоргидрином марки Диапласт	0,6-3,0
спирт изопропиловый или этиловый	17,2-23,0
ацетон	25,8-34,6,

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

эпоксидное связующее	30-42
волокнистый наполнитель	58-70

и изделие, выполненное путем формования указанного препрега (патент РФ № 2184128).

Недостатками связующего-прототипа, препрега на его основе и изделия, выполненного из него, являются недостаточно высокие значения ударной вязкости, относительного удлинения при растяжении, прочности при межслойном сдвиге, а также повышенное влагопоглощение.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание эпоксидного связующего, препрега на его основе для получения полимерного композиционного материала и изделия из него с высокими прочностными свойствами, повышенной ударной вязкостью и пониженным влагопоглощением.

Для решения поставленной задачи предложено эпоксидное связующее, включающее эпоксиноволачную смолу, азотсодержащую эпоксидную смолу и отвердитель, которое дополнительно содержит продукт конденсации гликолей с диметилтерефталатом, а в качестве отвердителя оно содержит продукт взаимодействия 4,4'-диаминодифенилсульфона с карбоксилированными нанотрубками при следующем соотношении компонентов связующего, маc.ч.:

эпоксиноволачная смола	85-100
азотсодержащая эпоксидная смола	85-100
продукт конденсации гликолей с диметилтерефталатом	5-20
указанный отвердитель	85-90

Содержание карбоксилированных нанотрубок в отвердителе составляет 1-10 мас.ч.

Предложен также препрег, включающий указанное эпоксидное связующее и волокнистый наполнитель - углеродные жгуты, ленты, ткани при следующем соотношении компонентов, мас.%:

указанное эпоксидное связующее	30-50
указанный волокнистый наполнитель	50-70

Предложено изделие, выполненное путем формования указанного препрега.

Установлено, что повышение упруго-релаксационных свойств связующего достигается за счет модификации химической структуры полимера эластификаторами, образующими в процессе отверждения дисперсную фазу, способную рассеивать энергию удара в результате пластической деформации. Применение продукта конденсации гликолей с диметилтерефталатом позволяет улучшить технологические свойства препрега - повысить эластичность и снизить липкость.

Предложенный в заявляемом изобретении отвердитель, представляющий собой продукт взаимодействия 4,4'-диаминодифенилсульфона с карбоксилированными нанотрубками, обладает рядом преимуществ.

Установлено, что молекулы диамина активно взаимодействуют с поверхностью углеродных нанотрубок, и существенная часть диамина локализуется на их поверхности в аморфном состоянии.

Скорость отверждения эпоксидной композиции нанокомпозитом определяется диффузией молекул диамина с поверхности углеродной нанотрубки. В результате время гелеобразования увеличивается, что приводит к увеличению степени конверсии связующего при отверждении композиционного материала. Химическое взаимодействие карабоксильных и аминогрупп способствует уменьшению функциональности отвердителя, образованию более гибкой сетки и улучшению релаксационных свойств полимерной матрицы, что приводит к увеличению относительного удлинения.

Наличие ковалентных связей между аминогруппами отвердителя и карбоксильными группами, привитыми на поверхность углеродных нанотрубок, увеличивает их связь с матрицей. Перечисленные выше факторы позволяют увеличить прочность связующего без уменьшения его деформационных характеристик.

Кроме того, использование предложенного отвердителя позволяет равномерно диспергировать нанотрубки по объему связующего без применения ультразвукового воздействия и позволяет им практически беспрепятственно проникать в межволоконное пространство наполнителя. В процессе отверждения трубки теряют диамин, взаимодействие между ними усиливается, и они начинают агрегировать на поверхности волокна, образуя своего рода «вискеры», которые обеспечивают более высокую адгезию между матрицей и наполнителем. Данный процесс обеспечивает увеличение прочности при межслоевом сдвиге.

Таким образом, использование отвердителя на основе 4,4'-диаминодифенилсульфона и карбоксилированных углеродных нанотрубок позволяет увеличить:

- относительное удлинение полимерной матрицы связующего при его разрушении, что при сохранении модуля упругости позволяет увеличить ее прочность и ударную вязкость разрушения;

- время гелеобразования при отверждении связующего;

- прочность композиционного материала и изделий, выполненных из него при межслоевом сдвиге и сжатии;

- степень сохранения физико-механических свойств композиционного материала и изделий, выполненных из него при повышенных температурах;

- снизить равновесное водопоглощение композиционного материала.

Предлагаемое связующее перерабатывается по экологически безопасной расплавной технологии. Проведение процесса изготовления связующего по расплавной безрастворной технологии приводит к формированию бездефектной матрицы, а также обеспечивает экологическую безопасность производства связующего и процессов его переработки.

В качестве эпоксиноволачной смолы могут быть использованы, например, смолы марок ЭН-6 (ТУ 6-05-1585-89) или УП-643 (ТУ 2225-605-11131395-2003), в качестве азотсодержащей эпоксидной смолы - различные смолы, но наилучший технический результат достигается при применении продукта конденсации п-аминофенола и эпихлоргидрина марки УП-610 (ТУ 2225-606-11131395-2003). В предлагаемом изобретении также использованы продукты конденсации гликолей с диметилтерефталатом, например - смола ТФ-82 (ТУ 6-05-1654-84), или смола ТФ-37 (ТУ 6-06-18-86-82), или смола ТФ-60 (ТУ 6-05-211-895-79); 4,4'-диаминодифенилсульфон (ТУ 6-14-17-95) и карбоксилированные углеродные нанотрубки «Таунит-М» (ТУ 2166-001-02069289-2007).

Продукт взаимодействия 4,4'-диаминодифенилсульфон с карбоксилированными углеродными нанотрубками получают следующим образом: карбоксилированные углеродные нанотрубки, поставляемые в виде пасты по ТУ 2166-001-02069289-2007, в количестве 1-10 мас.ч. смешали со 100 мас.ч. 4,4'-диаминодифенилсульфона и прогрели в термошкафу при 80°С в течение 120 мин. Полученный продукт сушили в вакуумном шкафу при давлении не более 0,01 мПа в течение 6 часов и размалывали в шаровой мельнице. В примерах осуществления по изобретению использовали: пример 1-1 мас.ч. нанотрубок, пример 2-5 мас.ч. нанотрубок, пример 3-10 мас.ч. нанотрубок.

Примеры осуществления

Пример 1

В реактор, снабженный механической мешалкой, обогревом и охлаждением, последовательно при постоянном перемешивании загружали 85 мас. ч. эпоксидной смолы УП-610, 100 мас. ч. предварительно подогретой до 60-70°С эпоксиноволачной смолы УП-643, затем равномерно порциями загружали 5 мас. ч. смолы ТФ-82 и нагревали полученную смесь до 60-70°С. Смесь перемешивали в течение 0,5 ч, затем добавляли 90 мас. ч. продукта взаимодействия 4,4'-диаминодифенилсульфона с карбоксилированными углеродными нанотрубками и гомогенизировали смесь при температуре до 80°С в течение 2,5 часов с получением расплава связующего.

Полученным связующим пропитывали однонаправленный углеродный жгут марки УКН-М-3к (ТУ 1916-05763346-96) с получением препрега с содержанием связующего 42 мас.%.

Путем автоклавного формования в температурном диапазоне от 120 до 180°С в течение 8 часов и удельном давлении 0,7 МПа получали предкрылок.

Технология изготовления связующего по примерам 2 и 3 аналогична примеру 1.

По примеру 2 путем формования изготавливали закрылок, по примеру 3 - руль высоты.

В таблице 1 приведены составы предлагаемого связующего и прототипа, в таблице 2 - физико-механические свойства заявляемого эпоксидного связующего и прототипа, в таблице 3 - свойства препрегов, в таблице 4 - свойства изделий по изобретению и прототипу.

Определение температуры стеклования отвержденного связующего осуществляли методом термомеханического анализа по ASTM-E 1545-00 на термоаналитической установке Mettler Toledo. Ударную вязкость отвержденных связующих определяли по методу Шарпи на образцах без надреза по ГОСТ 4647-80. Прочность при растяжении отвержденных образцов связующего определяли в соответствии с ГОСТ 11262-80.

Прочностные характеристики полученных композиционных материалов определяли: прочность при сжатии - по ГОСТ 25.602-80, прочность при растяжении - по ГОСТ 25.601-80, прочность при межслойном сдвиге методом короткой балки - по ОСТ 1 90199-75.

Таблица 1
Наименование компонентов	Состав по примерам, мас.ч	Прототип
1	2	3	4
Эпоксиноволачная смола: УП-643	85	100		100
ЭН-6	~	-	90	-
Азотсодержащая эпоксидная смола: УП-610	100	90	85
ЭАФ	-	-		65
Смола ТФ-82	5	-	-	-
Смола ТФ-37	-	15	-	-
Смола ТФ-60	-	-	20	-
Отвердитель - 4,4'-диаминодифенилсульфон и карбоксилированные нанотрубки	90	89	85	-
Диапласт	-	-	-	3,15
Спирт изопропиловый или этиловый	-	-	-	121
Ацетон	-	-	-	182

Таблица 2
№	Наименование показателей	Состав по примерам, мас.ч	Прототип
1	2	3	4
1	Температура стеклования Tg, °C	198	202,4	200	195
2	Ударная вязкость , кДж/м2	18,2	25,5	22	15
3	Прочность при растяжении в, МПа	78	98	96	70
4	Модуль упругости при растяжении Е, ГПа	3,6	3,76	3,8	3,5
5	Относительное удлинение при растяжении , %	3,2	4,8	4,2	2,8

Таблица 3
№	Наименование показателей	Примеры по изобретению, мас.%	Прототип
1	2	3	4	5
1	Массовая доля наполнителя, мас.%:
Жгут углеродный УКН-М-3к	58	70,0	-	63,0	-
Лента углеродная УОЛ-300-2-3 к	-	-	50	-	-
Лента углеродная ЛУ-П-0,1	-	-	-	-	63,0
2	Массовая доля связующего в препреге, мас.%	42	30,0	50	37,0	37,0
3	Массовая доля летучих веществ, %	-	-		-	1,7
4	Время гелеобразования связующего в препреге при температуре (170±2)°С, мин	12	14,5		8,2	11,4

Таблица 4
№	Наименование показателей	Примеры по изобретению	Прототип
1	2	3	4	5
1	Прочность при растяжении в, МПа	20°С	1588	1600	1560	1484	1380
150°С	1518	1520	1490	1432	1220
2	Модуль упругости при растяжении Ев, ГПа	20°С	144	148	140	130	120
3	Прочность при межслойном сдвиге 1,3, МПа	20°С	92	88,5	89	79	74
150°С	80	74	62	59	59
4	Прочность при сжатии -в, МПа	20°С	1135	1140	1096	1020	1150
150°С	890	903	855	715	780
5	Влагопоглощение, %		0,3	0,15	0,2	0,42	0,5

Как видно из таблицы 2, предлагаемое связующее обладает более высокими физико-механическими свойствами в сравнении с прототипом, например, прочность при растяжении полимерной матрицы увеличилась на 25%, относительное удлинение при растяжении - на 30%, ударная вязкость - на 30%.

Сравнительные данные таблицы 4 показывают, что разработанное связующее обеспечивает по сравнению с прототипом повышение прочности композиционных материалов и изделий при растяжении, прочности при межслойном сдвиге и модуля упругости при растяжении на 10-15%, прочности при сжатии - на 20%, а также высокий уровень сохранения свойств при 150°С.

Таким образом, сочетание высоких теплостойких, прочностных и деформационных свойств полимерного связующего, получение композиционных материалов и изделий из него с физико-механическими характеристиками, превышающими свойства прототипа, приготовление связующего и его переработка по экологически безопасной расплавной технологии позволяют использовать предлагаемое эпоксидное связующее для изготовления конструкционных композиционных материалов и изделий из них.