Применение огнезащищенных вискозных нитей в качестве наполнителя полимерматричных композитов

Применение огнезащищенных вискозных нитей в качестве наполнителя полимерматричных композитов

Бычкова Елена Владимировна, кандидат технических наук, доцент;

Курбатова Екатерина Александровна, студент;

Панова Лидия Григорьевна, доктор химических наук, профессор

Энгельсский технологический институт Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

 

Одной из областей использования химических волокон и нитей является их применение в качестве наполнителей пoлимepныx кoмпoзициoнныx материалов (ПКМ). Данное направление использования волокон способствует решению задачи направленного регулирования структуры и свойств композиционных материалов, то есть обеспечивается возможность в больших пределах изменять хемостойкость, прочность и другие свойства изделий [1].

Для создания полимерматричных композитов пониженной горючести в работе применялись огнезащищенные вискозные нити (ВН), полученные методом пропитки их водными растворами замедлителей горения (ЗГ). В качестве ЗГ были выбраны производные диметилметилфосфоната различных марок (КГ-1, КГ-2, КГ-3, КЛ-5), представляющие собой фосфорорганические соединения, способствующие изменению направления реакций разложения и горения ВН в сторону выделения негорючих газов, снижающих концентрационный предел воспламенения, задерживающих поступление воздуха в зону горения, а также способствующих инициированию процессов дегидратации целлюлозы, обеспечивая повышенный выход карбонизованных структур при воздействии на ВН повышенных температур.

Исследовалось влияние температуры (90-150°С), давления прессования (8 и 30 МПа) и их одновременного воздействия (время прессования 15 мин) на физико-механические свойства немодифицированных и обработанных раствором ЗГ вискозных нитей. Реализация перечисленных интервалов температур и давлений позволит осуществить выбор типа термореактивной матрицы.

Термическая обработка нити осуществлялась без натяжения в сушильном шкафу. В исследовании применялась модельная система, состоящая из пластин сырой резины, которая позволяет достаточно точно моделировать передачу усилия между волокнистым материалом и связующим. Чтобы устранить прилипание нитей к поверхности сырой резины и избежать их повреждения, в качестве антиадгезива использовалась целлофановая пленка. У данной модельной системы имеются недостатки, такие как отсутствие жесткой фиксации наполнителя в матрице и его незащищенность от воздействия кислорода воздуха. Однако эта модельная система позволяет установить общие направления изменения свойств вискозных нитей в условиях переработки.

Вискозные нити нетермопластичны и относятся к сравнительно жесткоцепным полимерам, поэтому при увеличении температуры до 150°С прочность и удлинение нитей при разрыве не изменяются. Деформационно-прочностные свойства модифицированной нити незначительно снижаются в сравнении со свойствами исходной нити, а затем остаются неизменными в температурном диапазоне 90-120°С. Однако проведение термообработки при 150°С приводит к ухудшению свойств  на 40 %. Это, очевидно, объясняется воздействием продуктов деструкции ЗГ, разложение которых начинается при 150°С, на структуру ВН. Выделяющиеся газы не удаляются из зоны реакции, что инициирует разложение нити.

Значения разрывной нагрузки исходной и модифицированной нитей при воздействии на них давления уменьшаются на 10-20 %, что может быть связано с механодеструкцией полимера.

Совместное воздействие давления и температуры в большей степени снижает прочность нити, чем каждое из этих условий по отдельности (таблица 1).

 

Таблица 1

Влияние условий прессования на деформационно-прочностные свойства ВН

Состав пропиточной ванны, % масс.	Условия прессования		Разрывная нагрузка, Н	Относительное удлинение, %
	температура, °С	давление, МПа
- /20 КГ-3	-	-	61/51	15/13
	90	8	55/34	14/9
		30	53/34	14/11
	120	8	59/27	15/9
		30	52/26	15/11
	150	8	46/13	13/7
		30	40/10	13/7

Примечание: в числителе – свойства исходной нити; в знаменателе – свойства модифицированной нити.

 

На основании полученных результатов установлены оптимальные условия прессования ПКМ, наполненных модифицированными ВН: давление – 8-30 МПа, температура – 90-120°С. При таких режимах прессования могут перерабатываться эпоксидные, мочевино- и меламиноформальдегидные смолы.

В исследованиях применялась эпоксидиановая смола (марка ЭД-20), которая содержит в макромолекуле глицидиловые группы. В качестве отвердителя эпоксидного олигомера использовался полиэтиленполиамин (ПЭПА), являющийся отвердителем низкотемпературного отверждения.

Используемые в исследованиях ЗГ вступают в химическое взаимодействие с ВН, изменяя при этом химический состав и структуру полимера [2,3]. В связи с этим изучалось влияние модификации вискозной нити на способность ее к смачиванию растворами олигомеров. Установлено, что высота капиллярного поднятия у модифицированных нитей выше в сравнении с исходной ВН (рисунок 1). Это объясняется образованием при модификации большого количества гидроксильных групп, которые способны к гидратации.

Рис.1.Зависимость смачиваемости модифицированных ВН 50 %-ным (масс.) раствором олигомера в ацетоне от состава модифицирующей ванны: 1 – ВН немодифицированная; 2- 5 – ВН, модифицированная из ванн с 20 %-ной (масс.) концентрацией ЗГ марок: 2 – КЛ-5; 3 – КГ-2; 4 – КГ-3; 5 – КГ-1

 

Исследовано влияние исходных и модифицированных нитей на изменение температуры в процессе отверждения ЭД-20 полиэтиленполиамином. Установлено, что введение в эпоксидную смолу немодифицированной ВН приводит к снижению теплового эффекта формирования сшитой структуры благодаря теплофизическим свойствам волокнистого полимера, а температурный максимум сдвигается в область низких температур - с 122 до 55°С. Введение в связующее ЗГ марок КГ-3 и КГ-2 с концентрацией
0,9 % масс. от массы ЭД-20, аналогичной их содержанию на нити, снижает температуру отверждения смолы до 78 и 83°С, соответственно. Наполнение композиции модифицированной ВН незначительно повышает температурный максимум отверждения наполненной композиции, и несколько ускоряет процесс ее отверждения, что связано с воздействием замедлителя горения на процесс формирования сетчатой структуры полимера (рисунок 2).

Применение термообработанных, содержащих замедлители горения КГ-2 и КГ-3, вискозных нитей в качестве наполнителя ПКМ способствует повышению кислородного индекса (КИ) материалов, при этом образцы не горят на воздухе и имеют незначительные потери массы (таблица 2). Такие материалы относятся к классу трудносгораемых.

Физико-механические свойства образцов ПКМ пониженной горючести незначительно снижаются (5-10 %) в сравнении с образцами ПКМ, армированными исходными немодифицированными нитями (таблица 3).

 

Рис.2. Влияние наполнения на кинетику отверждения эпоксидных смол полиэтиленполиамином:1-2 – ЭД-20, содержащая 5 % масс. наполнителя: 1 – ВН немодифицированной; 2 – ВН, модифицированной из ванн с 20 %-ной масс. концентрацией КГ-2; 3 – ЭД-20, содержащая 0,9 % масс. КГ-2; 4 – ЭД-20

Таблица 2

Показатели горючести ПКМ, полученных на основе эпоксидных смол,
армированных вискозными нитями при соотношении связующего и наполнителя 50:50

Состав композиции, % масс.	Потери массы ПКМ при поджигании на воздухе, %	КИ, % об.	Продолжительность самостоятельного горения образцов ПКМ, с
ЭД-20+15 ПЭПА+ВВ	78	21,5	70
ЭД-20+15 ПЭПА+ +(ВВ+20 КГ-2)	2,7	28,0	0
ЭД-20+15 ПЭПА+ +(ВВ+20 КГ-3)	1,9	28,0	0

 

 

Таблица 3

Свойства ПКМ, полученных на основе эпоксидных смол,
армированных вискозными нитями при соотношении связующего и наполнителя 50:50

Состав композиции, % масс.	Условия прессования		Разрушающее напряжение, МПа
	давление, МПа	температура, °С	при растяжении	при изгибе
ЭД-20+15 ПЭПА+ВВ	8/30	120	63/66	130/145
ЭД-20+15 ПЭПА+(ВВ+20 КГ-2)	8/30	120	61/62	129/133
ЭД-20+15 ПЭПА+(ВВ+20 КГ-3)	8/30	120	61/63	128/134

 

Показатели свойств таких материалов позволяют рекомендовать их для изготовления изделий автомобильной, электротехнической и других отраслей промышленности.

 

Литература:

1. Технология полимерных материалов: учеб. пособие / Под ред. В.К.Крыжа-новского. - СПб.: Профессия, 2008. – 544 с.
2. Бычкова, Е. В. Структура и свойства огнезащищенных вискозных волокон, модифицированных производными диметилметилфосфоната / Е. В. Бычкова, Л. Г. Панова // Химические волокна. – 2003. – № 6. – С. 34-36.
3. Бычкова, Е. В. Взаимодействие замедлителей горения с вискозным волокном / Е. В. Бычкова, Л. Г. Панова // Химические волокна. – 2013. – № 6. – С. 27-32.