КОМПАУНД ДЛЯ СИЛОВЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СИЛОВЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ НА ЕГО ОСНОВЕ Российский патент 1998 года по МПК C08L63/02 C08K13/02 C09J163/02 C08K13/02 C08K3/18 C08K5/55 

Группа изобретений, связанных единым замыслом, относится к композиционным материалам на основе эпоксидной смолы с наполнителем, так называемым "пластмассовым сталям", изделия из которых предназначены для использования в условиях циклического термонагружения, механического воздействия трением, агрессивных сред.

Из патентной литературы известны компаунды на основе эпоксидной смолы, включающие карборансодержащий полиэтиленполиамин и наполнитель, в частности порошковое железо (см. , например, авт. свид. N 887612, 1980, патент США N 3554956, кл. С 08 G 51/44, 1971, заявку Японии N 52-144670, кл. С 08 G 59/54, 1977) и описанные в технической литературе: Г.Клаусс и др. Облицовочный материал на основе эпоксидных смол при изготовлении никелевых формовкладышей в пресс-формах литья под давлением, журнал "Plast und Kautschuk", N 6, 1974, р. 443-445, v 21; Х.Икэгамэ Пластмассовые формы для литья под давлением, журнал "Энби то порима", 1972, N 4, с. 17-22, 59; каталог "Эпоксидные смолы и материалы на их основе", Черкасы, 1989, с. 53.

Компаунд представляет собой двухкомпонентный форполимер из предварительно приготовленных смешиванием в нормальных условиях компонентов: эпоксидной смолы с металлическим порошком и аминного отвердителя с металлическим порошком, который вакуумируют, отверждают и нагревают (см. патенты РФ N 2016013, 1994 и N 2041894, 1995).

По числу совпадающих признаков и назначению, наиболее близким предложенному компаунду является описанный в патенте РФ N 2041894, 1995, который содержит эпоксидную смолу, наполнитель в виде карбонильного железа и отвердитель в виде полиэтиленполиамин-орто-карборана (ПЭПА-о-К), который характеризуется удовлетворительными термостойкостью и эксплуатационными свойствами, которые позволяют использовать его в качестве конструкционного материала пресс- и литьевых форм.

Для повышения технологических и эксплуатационных свойств отвержденный композиционный материал подвергают термообработке со ступенчатым нагревом до 200^oС по режиму выдержки, по патенту РФ N 2044010, 1996.

Недостатком известного материала является неудовлетворительные несущая способность и конструкционная жесткость силовых конструкций, изготовленных из него при термоциклировании, динамическом нагружении трением из-за низкой теплопроводности, продолжительного времени охлаждения, что ограничивает область использования в промышленном производстве, и невысоких механических характеристик прочности после термообработки, величина которых определяется оптимальным соотношением компонентов и выбора режима закаливания.

Задачей, на решение которой направлена группа изобретений, является повышение служебных характеристик, показателей назначения вновь разработанного композиционного материала и способа его получения.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном компаунде для силовых конструкционных изделий, включающем эпоксидную диановую смолу, наполнитель - карбонильное железо и отвердитель - карборансодержащий полиэтиленполиамин, согласно изобретению отвердитель представляет собой продукт взаимодействия 12 мас.ч. орто-карборана с полиэтиленполиамином в количестве 100 мас.ч. при следующем содержании компонентов, мас.ч.: эпоксидная диановая смола 100; карбонильное железо 250-300; полиэтиленполиамин-орто-карборан 7-9, а способ изготовления конструкций из этого компаунда, содержащий раздельное смешивание с железным порошком эпоксидной смолы и аминного отвердителя, последующее приготовление из этих смесей форполимера перемешиванием, вакуумирование, отверждение в нормальных условиях и термообработку со ступенчатым подъемом температуры до 200^oС, по изобретению отвердитель в виде полиэтиленполиамин-орто-карборана вводят в композицию в количестве 2 мас. %, а термообработку проводят по следующему режиму выдержки, ч.: 5 при 50^oС; 5 при 150^oС; 5 при 200^oС.

Отличительные признаки позволили улучшить технологические свойства переработки предложенного материала в изделие, оптимизировав соотношение между текучестью форполимера для репродукции мелкого (мкм) формообразующего профиля изготавливаемых литьевых и пресс-форм и их прочностными характеристиками, которые обеспечиваются режимом термообработки отвержденного полуфабриката, снизить время отверждения, а также повысить термостойкость и динамическую прочность готового изделия.

Выбор границ диапазона содержания карбонильного железа определен следующим.

При содержании меньше 250 мас.ч. падает термостойкость и прочностные характеристики изделий, снижается теплопроводность.

При содержании больше 300 мас.ч. увеличивается вязкость формополимера, затрудняющая перемешивание компонентов и, главное, точность репродукции мелкого рабочего профиля форм.

Содержание ПЭПА-о-К в композиции выше 9 мас.ч. повышает вязкость и затрудняет отделение отливки из этого компаунда от репродуцируемого изделия.

Уменьшение доли ПЭПА-о-К в композиции меньше 7 мас.ч. увеличивает время отверждения полуфабриката и снижает физико-механические характеристики форм из него, в частности твердости.

Соотношение орто-карборана и ПЭПА меньше 12/100 ведет к снижению термостойкости и других служебных характеристик материала.

Соотношение больше 12/100 не ведет к увеличению физико-механических характеристик, но ведет к перерасходу дорогостоящего карборана.

Содержание в массе полиэтиленполиамин-о-карборана в количестве 2 мас.% обеспечивает получение устойчивого к термоциклированию материала с термостойкостью не менее 300^oС и твердостью в диапазоне 55-65 НV.

За время выдержки меньше предложенного и при более низких температурах полимер не достигает максимально возможной степени сшивки, что является причиной механических деформаций готового изделия при эксплуатации. Выдержка при более высоких температурах и в течение большего времени не ведет к улучшению структуры материала, а напротив, вызывает нарастание внутренних напряжений без улучшения физико-механических характеристик.

Компаунд для силовых конструкций готовится следующим образом.

Предварительно готовится отвердитель ПЭПА-о-К, который получают как продукт взаимодействия орто-карборана с полиэтиленполиамином в соотношении массовых частей 12:100.

Затем отвердитель (0,8 кг) в смесителе смешивается с карбонильным железом (1,86 кг) в массовом соотношении 30:70 в течение 1,5-2,0 ч при 50^oС. Далее композиция вакуумируется остаточным давлением 1-5 мм рт.ст. при 25^oС до полного обезгаживания (выделение пузырьков газа прекращается).

Во втором смесителе параллельно смешивается связующее: 10 кг эпоксидной смолы ЭД-22 (ГОСТ 10587-84) и 23,3 кг карбонильного железа (ГОСТ 13610-79) - в соотношении масс 30:70. Перемешивание производится в течение 1,5-2,0 ч при 50^oС, после чего проводят обезгаживание смеси остаточным давлением 1-5 мм рт.ст.

Затем готовят форполимер совместным смешиванием в течение не более 10 мин обеих приготовленных смесей отвердителя и связующего.

Внутренняя поверхность литьевой формы и помещенное на ее дне готовое изделие покрывают антиадгезионным материалом (стеарин, паста типа "Карипол").

Форполимер заливают в подготовленную форму, которую помещают в вакуумный шкаф, где выдерживают при остаточном давлении 1-5 мм рт.ст. в течение 40 мин.

После вакуумирования композицию выдерживают при комнатной температуре сутки для отверждения, затем в форме выдерживают в течение 5 ч при 50^oС.

Далее форму разбирают, наружный торец отливки композита фрезеруют, после чего отвержденный композит отделяют от дна формы, на котором закреплено изделие, профиль которого полностью репродуцирован на отливке.

Отливку композита со слепком изделия устанавливают нижней отфрезерованной стороной на поддон, который помещают в печь, где выдерживают 5 ч при 150^oС и следом при 200^oС в течение 5 ч, осуществляя упрочнение материала изготовленного инструмента для литья или прессования в нем изделий.

При этом материал характеризуется, сравнительно с известными холодноотверждаемыми композиционными материалами на основе эпоксидной смолы, повышенными физико-механическими и служебными показателями: термостойкость 300-380^oС; твердость по Виккерсу 59-65 ед. ; прочность на разрыв 35-45 МПа; прочность на сжатие 105-125 МПа.

В табл. 1 и 2 приведены конкретные составы композиции среднего, предельных и заграничных значений составляющих ингредиентов, и соответствующие им средние значения показателей, измеренных при сравнительных испытаниях опытных образцов, полученных при отработке состава и режимов технологии.

Из табл. 2 следует, что по наилучшим показателям основных технических характеристик оптимальным диапазоном являются содержания компонентов, мас.ч. : карбонильное железо 250-300; ПЭПА-о-К 7-9.

При этом содержание отвердителя ПЭПА-о-К в разработанном компаунде предельных значений содержания составляющих ингредиентов находится в диапазоне от 1,7 до 2,5 мас.%. Разработанный компаунд, изготовленный по предложенному способу, предназначен для изготовления штампового инструмента, литьевых форм и т.п.

Компаунд включает эпоксидиановую смолу, отвердитель - полиэтиленполиамин-орто-карборан, полученный взаимодействием 12 ч. орто-карборана со 100 ч. полиэтиленполиамина, и наполнитель - карбонильное железо. Силовые конструкционные изделия готовят разделительным смешением смолы и отвердителя с карбонильным железом, вакуумированием, отверждением при нормальных условиях и термообработкой с подъемом температуры и выдержкой 5 ч при 50^oС, 5 ч при 150^oС и 5 ч при 200^oС. 2 с.п. ф-лы, 2 табл.

1. Компаунд для силовых конструкционных изделий, включающий эпоксидиановую смолу, отвердитель-полиэтиленполиамин-орто-карборан и наполнитель - карбонильное железо, отличающийся тем, что в качестве отвердителя он содержит полиэтиленполиамин-орто-карборан, полученный взаимодействием 12 мас.ч. орто-карборана со 100 мас.ч. полиэтиленполиамина, при следующем соотношении компонентов компаунда, мас.ч.:
Эпоксидиановая смола - 100
Полиэтиленполиамин-орто-карборан - 7 - 9
Карбонильное железо - 250 - 350
2. Способ изготовления силовых конструкционных изделий на основе компаунда по п.1 путем раздельного смешения эпоксидиановой смолы и полиэтиленполиамин-орто-карборана с карбонильным железом, с последующим перемешиванием компонентов компаунда, вакуумированием и отверждением при нормальных условиях, отличающийся тем, что после отверждения при нормальных условиях проводят термообработку с подъемом температуры и выдержкой 5 ч при 50^oС, 5 ч при 150^oС и 5 ч при 200^oС.