Способ получения эпоксиуглепластика Советский патент 1992 года по МПК C08J3/28 B29C35/12 B29L9/00 B29K63/00 

1

(21)4799916/05 (22) 07.03.90 (46)23.09.92. Бюл. №35 (71)Таджикский государственный университет им. В.И.Ленина

(72) Т.Б.Бобоев, В.В.Филатов, В.А.Ярцев, А.И.Семикопный, Н.А.Николаева и Е.А.Митрофанова

(56) Патент США № 3660140, кл, С 08 J 3/28, опублик. 1972.

Тростянская Е.Б., Михайлин Ю.А., Баранов Ю.Н. Отверждение пластиков с помощью токопроводящих наполнителей //Пластические массы, 1977, № 1, с. 38-40.

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭПОКСИУГЛЕП- ЛАСТИКА

(57) Сущность изобретения: способ включает пропитку углеродных волокон эпоксидным связующим с применением трехфтористого бора в качестве катализатора и отверждение при пропускании через углеродные волокна постоянного электрического тока плотностью 0,62-0,67 А/мм с одновременным внешним конвенционным нагревом. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к способам армирования высокомолекулярных соединений волокнистым материалом и может быть использовано при производстве углепластика из эпоксидного связующего с применением трехфтористого бора в качестве катализатора.

Известен способ получения армированного композиционного материала путем полимеризации эпоксидной смолы с графитовыми волокнами, поверхность которых окислена азотной кислотой, в сочетании с ее термообработкой. Окисление графитовых волокон азотной кислотой способствует увеличению их удельной поверхности и созданию кислой поверхности. В углепластиках с волокном HMG-50 существует зависимость между прочностью на сдвиг и величиной удельной поверхности. В результате окисления волокна повышается также и прочность на растяжение в поперечном направлении, но, тем не менее, в известном способе улучшение физико-механических свойств

полученного материала все же недостаточно.

Наиболее близким к изобретению является способ получения эпоксиуглепластика на связующем с применением трехфтористого бора, согласно которому пластик на базе углеродных волокон отверждают за счет нагрева образца изнутри путем пропускания через проводящие волокна постоянного электрического тока удельной мощности 0,2-0,6 Вт/см2.

Однако такое отверждение не дает удовлетворительного увеличения прочности при изгибе (всего в 1,5 раза по сравнению с обычным методом прессования), что можно объяснить недостаточной адгезионной прочностью на поверхности раздела полимер-наполнитель.

Целью изобретения является повышение прочности эпоксиуглепластика на растяжение и изгиб.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения эпоксиуглепластика, включающем пропитку углеродных волокон

СО

С

XI о

GJ 4

сл

эпоксидным связующим с применением трехфтористого бора в качестве катализатора и отверждение, пропускание электрического тока через пропитанные волокна осуществляют при одновременном внешнем конвенционном нагреве в процессе отверждения.

Согласно способу пропускают постоянный электрический ток плотностью 0,62- 0,67 А/мм2.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

П р и м е р 1. Измеряют магометром суммарное электрическое сопротивление волокна Элур 0,1п ТУ 6-06-И86-86, а также определяют эффективную площадь его поперечного сечения. С учетом требуемой плотности тока 0,62 А/мм2 определяют величину напряжения, которое необходимо приложить к волокнам, а затем волокна пропитывают эпоксидным связующим ЭНФБ ТУ 1-596-36-82, после чего к ним под натяжением при удельной нагрузке 195 г/мм прикладывают определенное расчетным путем напряжение от источника постоянного тока и помещают их в термостат. Не снимая приложенного напряжения и нагрузки, пропитанные волокна отверждают при 170°С в течение 4 ч. Полученные образцы имеют прочность на изгиб (148 ±2,8) кг/мм2 и прочность на растяжение (105 ±2,8) кг/мм .

П р и м е р 2. Технология получения эпоксиуглепластика та же, что в примере 1, но к волокнам прикладывают постоянное напряжение, обеспечивающее плотность тока через волокна при отверждении 0,65 А/мм . Полученные образцы имеют прочность на изгиб (150 ±2,9) кг/мм2 и прочность на растяжение (104 ±2,2) кг/мм .

ПримерЗ, Технология получения эпоксиуглепластика та же, что в примере 1, но к волокнам прикладывают постоянное напряжение, обеспечивающее плотность тока через волокна при отверждении 0,67 А/мм . Полученные образцы имеют прочность на изгиб (150 ±2,9) кг/мм2 и прочность на растяжение (104,7 ±2,2) кг/мм .

Оптимальность параметров предлагаемого способа иллюстрирует табл. 1.

По прототипу для образцов, отвержден- ных путем пропускания постоянного тока удельной мощностью 0,2-0,6 Вт/см2 через токопроводящие углеродные волокна, приведен только один параметр - прочность на изгиб, равный (75 ± 5) кг/мм . Однако следует заметить, что в известном способе

использован наиболее удобный в этом плане параметр - удельная мощность:

Муд

UI

R

, где S площадь сечения

проводника, по которой легко определить еще одно необходимое значение - удельное количество теплоты, выделяемое при прохождении тока через волокна: 0Уд №уд t, где t - время пропускания тока.

В предлагаемом способе наиболее удобным параметром является плотность тока:

15

I

Переход от оптимального значения удельной мощности тока для прототипа к величине его плотности показывает, что

0,2-0,6 Вт/см2 соответствует 0,065-0,1 А/мм .

Сравнение значения плотности тока по прототипу с соответствующими занчениями заявляемых плотностей тока показывает,

что при плотности тока 0,065-0,1 А/мм2 образцы по прототипу имеют разрывную прочность 72,2-77 кг/мм2.

Катушку из кварцевого стекла со жгутом волокон (количество волокон в жгуте для

всех опытов величина постоянная) устанавливают на шпулярник 1, снабженный тормозным устройством, обеспечивающим натяжение до 500 г/жгут, Жгут пропускают через пропиточную ванночку 2 с раствором

связующего. Для удаления избытка связующего и уплотнения образца пропиточный жгут протягивают через фильеру 3 со скоростью не более 50 см/мин. Жгут закрепляют на четырехграннике 4 и наматывают на него

с шагом в 3/6 мм. Размеры граней соответствуют размерам испытуемых образцов. Начало и конец закрепленного жгута не пропитывают. Присоединяя к ним измерительный омметр, определяют суммарное

электрическое сопротивление жгута. Зная сопротивление жгута, рассчитывают необходимое напряжение как функцию тока: U IR. Оптимальное значение постоянного тока для получения максимального положительного эффекта, определенное опытным путем, для жгута составляет 0,057-0,062 А. Таким образом, подводя к концам жгута рассчитанное напряжение, устанавливают необходимый токовый режим

Затем, не снимая приложенного напряже ния и нагрузки (жгут на барабане зафиксирован под напряжением при нагрузке заданной тормозным устройством), четы рехгранник со жгутом помещают в термо

стат и отверждают при 170°С в течение 4 ч. После отверждения жгут разрезают на необходимое количество образцов и испытывают согласно ГОСТ 18564-73, 25601-80.

Поскольку ток - величина, зависимая от геометрических размеров жгута и количества составляющих его волокон, используют величину независимую - плотность

тока: j -5- , где S - эффективная площадь

Я4 О

сечения жгута, зависящая от толщины жгута, т.е. от числа составляющих его волокон.

В предлагаемом способе эффективная площадь сечения жгута составляет 0,092 мм2. Отсюда плотность тока для оптимальных режимов:

1 Ж 0 062А/Мм2:

J2

Щ-- 0,67 А/мм2.

0,092

Таким образом, рассчитанные оптимальные значения плотности тока j 0,62-0,67 А/мм2 будут справедливы для образцов углепластика с любыми геометрическими размерами.

Время воздействия электрического тока (4 ч) соответствует времени отверждения образца.

Оптимальность заявленного режима можно обосновать экспериментальными данными, представленными в табл. 2.

Как видно из табл. 2, максимальное значение прочности на разрыв и прочности на

изгиб получается при времени полимеризации под током 4 ч.

Экономический эффект от использования предлагаемого способа можно оценить

следующим образом. Предлагаемый способ обеспечивает повышение прочности на изгиб и на растяжение изделий из эпоксиуг- лепластика не менее чем в 1,4 раза по сравнению с прототипом. Предположительно долговечность детали из углепластика возрастает также в 1,4 раза. Отсюда, при прочих равных условиях эксплуатации, за один и тот же промежуток времени потребуется 140 деталей, изготовленных по прототипу, и 100 деталей, изготовленных предлагаемым способом. Разница составит 40 деталей за один и тот же промежуток времени

Формула изобретения

трехфтористого бора в качестве катализатора и отверждение при пропускании через волокна постоянного электрического тока, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности на растяжение и изгиб, пропускание электрического тока через пропитанные волокна осуществляют при одновременном внешнем конвенционном нагреве в процессе отверждения.

40

Таблица 1

Таблица 2