УГЛЕПЛАСТИК Российский патент 2024 года по МПК C08L63/00 C08K7/06 C08J5/04 C08K5/10 

Изобретение относится к области создания высокопрочных композиционных материалов, которые могут быть использованы в качестве конструкционных материалов корпусных изделий в авиа- и ракетостроении, судостроении, автомобилестроении и других областях промышленности.

Известен углепластик на основе связующего, содержащего эпоксидные смолы ЭН-6/239, GY 250/185, GT7071/510, отвердитель дициандиамид Dyhard 100S, ускоритель несимметрично дизамещенную мочевину Dyhard URAcc 57 и модификатор - наночастицы каучука Paraloid EXL 2655 при следующем соотношении компонентов, масс. %: ЭН-6/239 - 38,5, GY 250/185 - 17,0, GT7071/510 - 29,3, Dyhard 100S - 7,8, Dyhard URAcc 57 - 3,2, Paraloid EXL 2655 - 4,2, а также армирующего наполнителя - углеродного жгута марки UMT42S-3K-EP при следующем соотношении связующего и армирующего наполнителя, масс. %: связующее - 30, армирующий наполнитель - 70 (Патент RU 2773075 Гребенева Т.А., Панина Н.Н., Баторова Ю.А., Чурсова Л.В., Голиков Е.И., Кутергина И.Ю., Байков И.Н.).

Недостатком этого углепластика является относительно низкая трещиностойкость.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является углепластик на основе связующего, содержащего диглицидиловый эфир бисфенола А Araldite-F, отвердитель пиперидин при следующем соотношении компонентов, масс. ч.: диглицидиловый эфир бисфенола А Araldite-F - 100, отвердитель пиперидин - 5, термопластичный модификатор полисульфон и армирующий наполнитель углеродное волокно. (Nam Zheng, Yudong Huang, Hong-Yuan Liu, Jiefeng Gao, Yui-Wing Mai. Improvement of interlaminar fracture toughness in carbon fiber/epoxy composites with carbon nanotrubes/polysulfone interleaves // Composite Science and Technology. 2017. Vol. 140, № 1. P. 8-15.).

К недостатку данного технического решения следует отнести относительно невысокую трещиностойкость и температуру стеклования.

Техническим результатом заявляемого авторами изобретения является увеличение трещиностойкости углепластика, а также его температуры стеклования.

Этот технический результат достигают использованием в углепластике связующего, состоящего из эпоксидиановой смолы, термопластичного модификатора кардового полиариленэфиркетона с фталидной группой (ПАЭК), отвердителя - изометилтетрагидрофталевого ангидрида (изо-МТГФА), ускорителя отверждения - 2-метилимидазола, а также армирующего наполнителя углеродного волокна - при следующем соотношении компонентов, масс. ч.:

Эпоксидиановая смола 100

Кардовый полиариленэфиркетон с фталидной группой 2,5-20

Изометилтетрагидрофталевый ангидрид 89-90

2-метилимидазол 0,21-0,22

Углеродное волокно 358-391

Углепластик в качестве связующего содержит эпоксидиановую смолу марки ЭД-20 или ЭД-22 ГОСТ 10587-84, термопластичный модификатор кардовый полиариленэфиркетон с фталидной группой, синтезированный в лаборатории Полиариленов №318 ИНЭОС РАН им. А.Н. Несмеянова, в качестве отвердителя изометилтетграгидрофталевый ангидрид ТУ 2418-399-05842324-2004, ускорителя отверждения 2-метилимидазол ТУ 6-09-10-1836-90 или бензимидазол ТУ 6-09-08-1974-88; В качестве армирующего наполнителя используют углеродное волокно UMT49S-12K-EP.

Сопоставительный анализ предлагаемого технического решения с прототипом позволяет сделать вывод о том, что заявляемый углепластик отличается от известного композита использованием в составе связующего ранее неприменяемого модификатора - кардового полиариленэфиркетона с фталидной группой, отвердителя изометилтетрагидрофталевого ангидрида, ускорителя отверждения 2-метилимидазола. Это позволяет сделать вывод о новизне состава предлагаемого углепластика.

Использование в составе заявляемого углепластика связующего, состоящего из эпоксидиановой смолы, термопластичного модификатора - кардового полиариленэфиркетона с фталидной группой, отвердителя изометилтетграгидрофталевого ангидрида, ускорителя отверждения 2-метилимидазола привело к одновременному увеличению его трещиностойкости и температуры стеклования. В этом авторы усматривают изобретательский уровень предлагаемого ими технического решения.

Пример 1.

В реактор, снабженный обогревом и мешалкой, загружают последовательно эпоксидиановую смолу марки ЭД-20. При непрерывном перемешивании поднимают температуру до 165°С и добавляют кардовый полиариленэфиркетон с фталидной группой. Соотношение ЭД-20 и кардового полиариленэфиркетона с фталидной группой составляет 100:10. Перемешивание при 165°С длится 80 минут, после чего температуру понижают до 60°С и вводят изометилтетрагидрофталевый ангидрид и 2-метилимидазол, смешение ведут в течение 30 минут (соотношение ЭД-20, изометилтетрагидрофталевого ангидрида и 2-метилимидазола 100:90:0,2). Готовое связующее перерабатывают методом мокрой намотки на намоточном стане. Связующее подогревают до 60°С и пропускают через него непрерывное углеродное волокно UMT49S-12K-EP (соотношение ЭД-20 и углеродного волокна UMT49S-12K-EP 100:372). Пропитанное связующим волокно наматывают на оправку и получают изделие. Отверждение проводят в термошкафу при температуре 90-120°С до достижения необходимой степени отверждения.

Примеры 2-8 осуществляют аналогично примеру 1 с использованием соотношений, представленных в таблице 1.

Свойства углепластика по примерам 1-8 в сравнении с прототипом приведены в таблице 2. Условия получения углепластика аналогичны примеру 1.

Таблица 1 Соотношение компонентов заявляемого углепластика по примерам 2-8 № Наименование показателя по примерам Величина показателя по примерам 2 3 4 5 6 7 8 1 Соотношение эпоксидиановой смолы и модификатора ПАЭК 100:2,5 100:5 100:15 100:20 100:10 100:15 100:20 2 Соотношение эпоксидиановой смолы и отвердителя изо-МТГФА 100:90 100:90 100:90 100:90 100:89 100:89 100:89 3 Соотношение эпоксидиановой смолы и ускорителя отверждения 2-метилимидазола 100:0,21 100:0,21 100:0,21 100:0,21 100:0,22 100:0,22 100:0,22 4 Соотношение эпоксидиановой смолы и углеродного волокна 358 363 381 391 370 380 389

Таблица 2 Свойства заявляемого углепластика по примерам 1-8 в сравнении с прототипом № Наименование показателя по примерам Величина показателя по примерам Величина показателя 1 2 3 4 5 6 7 8 Прототип 1 Трещиностойкость, кДж/м² 0,67 0,62 0,64 1,11 0,89 0,70 0,92 0,75 0,6 2 Температура стеклования, °С 119 114 116 117 116 113 112 112 98,9 3 Межслоевая прочность при сдвиге, МПа 44 45 48 46 41 43 45 47 - 4 Модуль упругости, ГПа 160 166 168 145 164 145 146 161 - 5 Плотность, г/см³ 1,69 1,65 1,67 1,63 1,69 1,68 1,65 1,67 -

При содержании в композиции кардового полиариленэфиркетона с фталидной группой ниже предельных значений в значительной степени понижается трещиностойкость, а при содержании выше предельных значений получение углепластика затруднено. При содержании изометилтетрагидрофталевого ангидрида ниже и выше предельных значений в значительной степени понижаются трещиностойкость, температура стеклования, межслоевая прочность при сдвиге и модуль упругости углепластика.

Результаты получены при использовании оборудования ЦКП им. Д. И. Менделеева.

Изобретение относится к области создания высокопрочных композиционных материалов. Предложен углепластик для конструкционных материалов корпусных изделий, включающий в мас.ч. на 100 мас.ч. эпоксидной смолы 2,5-20 кардового полиариленэфиркетона с фталидной группой, 89-90 изометилтетграгидрофталевого ангидрида, 0,21-0,22 2-метилимидазола и 358-391 углеродного волокна. Технический результат – увеличение трещиностойкости углепластика, а также его температуры стеклования. 2 табл., 8 пр.

Углепластик для конструкционных материалов корпусных изделий, включающий в качестве армирующего наполнителя углеродное волокно, в качестве связующего эпоксидиановую смолу, термопластичный модификатор и отвердитель, отличающийся тем, что в качестве термопластичного модификатора используют кардовый полиариленэфиркетон с фталидной группой, в качестве отвердителя используют изометилтетрагидрофталевый ангидрид, дополнительно вводят ускоритель отверждения 2-метилимидазол, при следующем содержании компонентов, мас.ч.:

Эпоксидиановая смола 100 Кардовый полиариленэфиркетон с фталидной группой 2,5-20 Изометилтетрагидрофталевый ангидрид 89-90 2-Метилимидазол 0,21-0,22 Углеродное волокно 358-391