КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК C08J5/08 C03C25/02 

Изобретение относится к композиционным материалам на основе волокон из горных пород, а именно к конструкционному материалу на основе базальтового волокна и способу его изготовления, и находит применение в угольной промышленности, строительстве, в изделиях конструкционного радио- и электротехнического назначения, в машиностроении и других отраслях промышленности.

Известен материал на основе базальтового ультра-, супертонкого волокна с диаметром 0,6-3,0 мкм, пропитанного связующим [1]
Указанный материал содержит, мас. золь кремниевой кислоты (в пересчете на SiO₂) 0,5-1,9, аммонийная соль (в пересчете на ион аммония) 0,01-0,1, базальтовое ультра-, супертонкое волокно остальное.

Способ изготовления указанного волокна заключается в том, что холст из базальтового волокна (диаметром 0,6-3,0 мкм) поступает на конвейер (скорость 0,5 м/мин).

Через распределитель холст увлажняется связующим (соли аммония в зоне кремниевой кислоты), подпрессовывается валиками. При этом избыток связующего возвращается в смеситель. Увлажненный связующим холст поступает в конвейерное сушило, где происходит его сушка при 180-250^оС. Процесс осуществляют непрерывно. Из сушила получают монослойный материал, который разрезают на листы требуемой величины. Указанный материал характеризуется невысокой механической прочностью и предназначен для использования только в качестве теплоизоляции.

Известен другой конструкционный материал из слоев базальтового волокна, пропитанного термоотверждаемым термореактивным связующим [2]
Указанный материал состоит из базальтовых супертонких волокон (диаметр 0,3-3,0 мкм) и полимерного связующего в количестве до 70 мас. В качестве полимерного связующего используют связующее на основе фенолформальдегидной или полиимидной смолы.

Способ изготовления конструкционного материала включает пропитку базальтового волокна термореактивным связующим, сушку, сборку слоев в пакеты и термопрессование. Холст, состоящий из базальтового супертонкого волокна, поступает на конвейер, пропитывается полимерным связующим и подвергается термопрессованию при температурах, соответствующих режимам отверждения связующих. Получают монослойный материал, характеризующийся следующими физико-механическими свойствами: разрушающее напряжение при растяжении до 40 МПа, при изгибе до 130 МПа, при сжатии 90 МПа [2]
Указанный материал характеризуется невысокой механической прочностью, что ограничивает возможную область его применения.

Технический результат состоит в повышении механической прочности конструкционного материала, снижении степени горючести материала.

Для достижения технического результата конструкционный материал содержит базальтовое волокно с поливинилацетатом на его поверхности при их массовом соотношении (90,0-99,0): (1,0-10,0) при следующем соотношении компонентов материала, мас. базальтовое волокно с поливинилацетатом 30,0-45,0 и связующее 55,0-70,0.

Дополнительно конструкционный материал содержит гидроокись алюминия в количестве 2,0-25,9% по отношению к массе базальтового волокна. Для достижения технического результата в части способа на базальтовое волокно предварительно наносят водную эмульсию поливинилацетата, взятую при массовом соотношении волокна и поливинилацетата (90,0-99,0):(1,0-10,0) соответственно при следующем соотношении компонентов материала, мас. базальтовое волокно с поливинилацетатом 30,0-45,0 и связующее 55,0-70,0. В качестве полимерного связующего используют связующее на основе фенолоформальдегидной смолы, эпоксидной смолы или смеси эпоксидной смолы фенолоформальдегидной смолой в соотношении 1:1. Дополнительно в исходные компоненты вводят гидроокись алюминия в количестве 2,0-25 к массе базальтового волокна
Содержание поливинилацетата в указанных количествах обеспечивает высокие прочностные характеристики заявляемого материала. При содержании поливинилацетата менее 1 мас. волокносодержащий материал теряет прочность и не может быть пропитан полимерным связующим без разрывов. Увеличение содержания поливинилацетата в основе выше 10 мас. приводит к влиянию поливинилацетата на процесс пропитки основы полимерным связующим, препятствующим его равномерному распределению по толщине основы.

При концентрации полимерного связующего менее 55 мас. не удается получить прочного сплошного материала из-за частичного расслоения. При содержании полимерного связующего более 70 мас. также наблюдается снижение прочности заявляемого материала. В качестве полимерного связующего предпочтительно используют связующее на основе фенолоформальдегидной смолы, например, бакелитового лака БЖ-1 (ГОСТ 4559-78) или эпоксидной смолы, например ЭД-20 (ГОСТ 10587-84).

Повышение содержания гидроокиси алюминия выше 25 мас. нецелесообразно, так как не оказывает существенного изменения показателей степени горючести.

Данное соотношение компонентов конструкционного материала обеспечивает прочное соединение элементов его структуры (листов, состоящих из базальтового волокна и поливинилацетата, пропитанных связующим) при режимах термопрессования, которые соответствуют режимам отверждения связующих.

Способ изготовления материала осуществляют следующим образом.

Холст из базальтового супертонкого волокна (РСТ УССР 1970-86) (диаметр 0,3-3,0 мкм) поступает на конвейер (скорость 0,5-1,0 м/мин), где он увлажняется раствором полиацетатной эмульсии из расчета массового соотношения базальтовое волокно и поливинилацетат (90,0-99,0):(1,0-10,0) соответственно. Целесообразно для снижения горючести внести в основу гидроокись алюминия в количестве 2,0-25,0 мас. Увлажненный холст подпрессовывается валиками и непрерывно подается в сушильное устройство. Полученный полупродукт подают в пропиточную машину, где пропитывают полимерным связующим, затем сушат и подают на нарезку листов. Полученные листы собирают в пакеты требуемой толщины и осуществляют термопрессование при температуре до 180^оС, давлении 1-2 МПа в течение не менее 40 мин. Затем их охлаждают без снятия давления до комнатной температуры, после чего давление снимают, пакеты вынимают. Получают заявляемый материал многослойной структуры, имеющий указанные характеристики.

П р и м е р 1. Холст из базальтового супертонкого волокна (РСТ УССР 1970-86) (диаметром 0,3-3,0 мкм) поступает на конвейер со скоростью 0,5 м/мин, где он увлажняется раствором полиацетатной эмульсии (ГОСТ 18992-80) из расчета массового соотношения базальтовое волокно и поливинилацетат 99:1. Увлажненный холст подпрессовывают валиками и непрерывно подают в сушильное устройство, затем в пропиточную машину, где пропитывают полимерным связующим. В качестве полимерного связующего используют бакелитовый лак БЖ-1 (ГОСТ 4559-78)-фенолоформальдегидную смолу резольного типа, полученную поликонденсацией фенола с формальдегидом в присутствии катализатора едкого натра. Указанное связующее берут в количестве 55 мас. Пропитанный полупродукт сушат и подают на нарезку листов. Пропитанные связующим листы собирают в пакеты для получения материала толщиной 4,2 мм. Далее проводят термопрессование пакетов при температуре 160^оС и давлении 2,0 МПа в течение не менее 40 мин. Затем пакеты охлаждают до комнатной температуры без снятия давления, после чего давление снимают, пакеты вынимают из пресса и получают конструкционный материал.

Для сравнения готовят материал по способу-прототипу на основе базальтового супертонкого волокна, пропитанного аналогичным полимерным связующим. Проводят испытания физико-механических свойств по стандартной методике заявляемого материала в сравнении с материалом, полученным по известному способу (испытание прочности при изгибе в соответствии с ГОСТ 4648-71, при сжатии ГОСТ 4651-82, при растяжении ГОСТ 11262-80). Результаты испытаний приведены в табл. 1.

П р и м е р ы 2-3. Получают заявляемый конструкционный материал аналогично примеру 1, за исключением того, что используют основу, содержащую базальтовое волокно и поливинилацетат в массовом соотношении 90:10 или 95:5. Испытания полученных материалов проводят аналогично примеру 1. Результаты испытаний приведены в табл. 1.

П р и м е р ы 4-6. Получают заявляемый конструкционный материал аналогично примеру 1. В качестве полимерного связующего используют связующее на основе эпоксидной смолы ЭД-20 (ГОСТ 10587-84) (продукта конденсации дифенилолпропана и тетрабромдифенилолпропана с эпихлоргидрином в присутствии щелочи) в количестве 70 мас. Это эпоксидное связующее содержит 100 мас.ч. указанной эпоксидной смолы и 70 мас.ч. изометилтетрагидрофталевого ангидрида (ТУ 6-09-3321-73). Указанное эпоксидное связующее нагревают до температуры 30^оС и используют для пропитки основы, состоящей из базальтового волокна и поливинилацетата, взятых в массовом соотношении 99:1, 90:10, 95:5. Испытания полученных материалов проводят аналогично примеру 1. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

П р и м е р ы 7-9. Получают заявляемый конструкционный материал аналогично примеру 1. В качестве полимерного связующего используют связующее на основе смеси 50 мас.ч. эпоксидной смолы ЭД-20 (ГОСТ 10587-84) продукты конденсации дифенилолпропана и тетрабромдифенилолпропана с эпихлоргидрином в присутствии щелочи и 50 мас.ч. бакелитового лака БЖ-1 (ГОСТ 4559-78) фенолоформальдегидной смолы резольного типа, полученной поликонденсацией фенола с формальдегидом в присутствии катализатора едкого натра. Указанное связующее берут в количестве 60 мас. нагревают до температуры 30^оС и используют для пропитки основы, состоящей из базальтового волокна и поливинилацетата взятых в массовом соотношении 99:1; 90:10; 95:5. Испытания полученных материалов проводят аналогично примеру 1. Результаты испытаний приведены в табл. 3.

Из данных таблиц следует, что заявляемый конструкционный материал обладает высокой механической прочностью, превосходящей прочность известного материала: разрушающее напряжение заявляемого материала при изгибе 130-175 МПа (известного материала 96-130 МПа), при растяжении 45-90 МПа (известного материала 30-40 МПа), при сжатии 100-130 МПа (известного материала 50-90 МПа).

П р и м е р ы 10-13. Получают заявляемый материал аналогично описанному в примере 6, за исключением того, что в основу вводят дополнительно 2; 10; 20 и 25 мас. гидрокиси алюминия. Испытания полученных материалов проводят аналогично примеру 1. Дополнительно проводят испытания горючести материала по стандартной методике (ГОСТ 21207-87). Результаты испытания приведены в сравнении с аналогичным заявляемым мате- риалом, не содержащим гидроокиси алюминия, в табл. 4. Как видно из данных табл. 4, введение в основу гидроокиси алюминия снижает степень горючести заявляемого материала (время горения с 6 до 0,5 с при длине обуглившегося участка с 16 до 1 мм).

Использование: для изготовления конструкционного материала на основе базальтового волокна. Существо изобретения: конструкционный материал содержит базальтовое волокно /БВ/ с поливинилацетатом /ПВА/ на его поверхности при их массовом соотношении (90,0-99,0) (1,0-10,0) при следующем соотношении компонентов материала, мас. БВ с ПВА-30,0-45,0 связующее 55,0-70,0. Конструкционный материал дополнительно содержит гидроокись алюминия в количестве 2,0-25,0% по отношению к массе БВ. При способе изготовления материала на БВ предварительно наносят водную эмульсию ПВА, взятую при массовом соотношении БВ/ПВА(90,0-99,0):(1,0-10,0) соответственно при следующем соотношении компонентов материала, мас. БВ с ПВА-30,0-45,0, связующее - 55,0-70,0. В качестве полимерного связующего используют связующее на основе фенолоформальдегидной смолы или эпоксидной смолы, или смеси эпоксидной смолы с фенолоформальдегидной смолой в соотношении 1:1. Дополнительно в исходные компоненты вводят гидроокись алюминия в количестве 2,0-25,0 к массе БВ. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Конструкционный материал, выполненный из слоев базальтового волокна, пропитанного термоотверждаемым термореактивным связующим, отличающийся тем, что он содержит базальтовое волокно с поливинилацетатом на его поверхности при их массовом соотношении (90 99) (1 10) при следующем соотношении компонентов материала, мас.

Базальтовое волокно с поливинилацетатом 30 45
Связующее 55 70
2. Материал по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит гидроокись алюминия в количестве 2 25% по отношению к массе базальтового волокна.

Базальтовое волокно с поливинилацетатом 30 45
Связующее 55 70
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве полимерного связующего используют связующее на основе фенолформальдегидной смолы, эпоксидной смолы или смеси эпоксидной смолы с фенолформальдегидной смолой в соотношении 1 1.