Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ № 1-8 по дисциплине «Теория и технологии процессов производства, обработки и переработки композиционных материалов в изделиях». Калгин А.В

3. Порядок выполнения работы

Задание 1. Определение содержания летучих веществ и связующего в препрегах

1. Вырезать по шаблону из рулона с сухой лентой непропитанного наполнителя три образца и на аналитических весах с погрешностью измерений 10^-4 г определить среднее арифметическое значение массы Р.

2. Вырезать по шаблону образцы препрега и на аналитических весах с погрешностью измерений 10^-4 г определить их среднее арифметическое значение массы Р₁.

3. Образцы препрега выдержать в сушильном шкафу при 160 ± 5 ºС, охладить до комнатной температуры и взвесить на аналитических весах с погрешностью измерений 10^-4 г для определения их среднего арифметического значения массы Р₂.

4. Рассчитать содержание летучих веществ и связующего в препрегах по формулам (1) и (2).

Задание 2. Определение массовой доли растворимой смолы в препреге

1. Вырезать по шаблону из рулона с сухой лентой непропитанного наполнителя три образца и на аналитических весах с погрешностью измерений 10^-4 г определить их среднее арифметическое значение массы Р.

2. Вырезать по шаблону образцы препрега и на аналитических весах с погрешностью измерений 10^-4 г определить их среднее арифметическое значение массы Р₁.

3. Образцы препрега завернуть в специальные целлюлозные патроны и поместить их в экстрактор аппарата Сокслета в количестве, не превышающем 2/3 его объема.

4. В колбу аппарата Сокслета налить спирто-ацетоновую смесь в соотношении 100 г спирта на 200 г ацетона.

5. Нагреть и выдерживать колбу аппарата Сокслета на водяной бане при температуре воды 80-90 ºС в течение 2 ч, после чего отключить нагрев.

6. Образцы препрега после экстрагирования извлечь из экстрактора аппарата Сокслета, высушить в течение 20-30 мин при температуре 100±5 ºС и на аналитических весах с погрешностью измерений 10^-4 г определить их среднее арифметическое значение массы P₃.

7. Рассчитать массовую долю растворимой смолы по формуле (3).

4. ОТЧЕТ О РАБОТЕ

Отчет о работе должен содержать:

1. Сущность методов определения и формулы для расчета содержания летучих веществ, связующего и растворимой смолы в препрегах.

2.Устройство аппарата Сокслета и принцип его работы.

3. Результаты испытаний, оформленные в виде таблицы.

4. Вывод.

Результаты химического анализа препрега

5. Контрольные вопросы

1. С какой целью проводят контроль качества препрегов, и какие при этом основные характеристики определяются?

2. Как определяют содержание летучих веществ и связующего в препрегах?

3. В чем суть метода определения массовой доли растворимой смолы в препрегах?

4. Как устроен аппарат Сокслета? Какой принцип его работы?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ГОСТ 22456-77. Пластмассы. Метод определения содержания нелетучих и летучих веществ в эпоксидных смолах и композициях. – Введ. 1978–07–01. – М: Государственный комитет стандартов совета министров, 1977. – 3 с.

2. ГОСТ 29332-2006. Волокна химические. Методы определения массовой доли замасливателя. – Введ. 2008–01–01. – М: Стандартинформ, 2006. – 9 с.

Лабораторная работа № 4

Технология получения ненаполненных и наполненных полимерных связующих на основе эпоксидных смол

Цель работы: ознакомиться с технологией приготовления ненаполненных и наполненных полимерных связующих на основе эпоксидных смол.

1. Краткие теоретические сведения

Эпоксидные связующие (ЭС) на сегодняшний день являются наиболее востребованными связующими для применения в полимерных композиционных материалах различного назначения, которые имеют температуры эксплуатации 90-150 ºС. Правильный выбор типов эпоксидных смол, модификаторов и отверждающей системы, входящих в состав ЭС, а также условий формования ЭС в значительной степени определяет их эксплуатационные характеристики. При этом пристальное внимание при разработке составов связующих уделяется их химическим, физическим и механическим свойствам. Проведение оптимизации составов связующих является важным шагом при получении связующих с заданными свойствами.

Эпоксидные смолы

Эпоксидные смолы широко используют в качестве компонентов полимерных связующих. Это объясняется тем, что, благодаря особенностям структуры и отверждения, эпоксидные смолы значительно превосходят полиэфирные, фенольные, меламиновые и другие смолы по следующим свойствам:

1. В процессе отверждения продукта не выделяются летучие вещества.

2. Стабильность размеров (формоустойчивость) в процессе отверждения. Эти смолы обладают малой усадкой и могут применяться для получения практически точных копий изделий.

3. Химическая стойкость. Высокая устойчивость к воздействию различных химических реагентов (включая органические растворители, кислоты и щелочи), которая свойственна правильно отвержденным композициям.

4. Химическая инертность. В жидкие ЭС могут вводиться самые разнообразные наполнители без изменения свойств связующих.

5. Долговечность. Отвержденные композиции обладают высокой твердостью, прочностью на удар (ударной вязкостью) и жесткостью в течении длительного времени.

6. Адгезия. Прочность сцепления эпоксидной смолы с практически любой поверхностью не имеет себе равных среди органических покрытий.

7. Универсальность в выборе отвердителя и условий отверждения смолы.

8. Высокая электрическая изоляция.

Отвердители

К числу наиболее распространенных отвердителей для ЭС относятся:

1. Низковязкие алифатические ди- и полиамины, работающие при комнатных температурах.

2. Малотоксичные низковязкие циклоалифатические диамины, работающие при комнатных температурах.

3. Высокоэффективные ароматические диамины, работающие при повышенных температурах (120-150С).

4. Низковязкие амидоамины, работающие при умеренных температурах (60-80С).

5. Нелетучие и малотоксичные полиамиды.

6. Ангидриды ди- и поликарбоновых кислот, работающие при высоких температурах (200С).

7. Дициандиамид, повышающий теплостойкость отвержденных продуктов.

8. Соединения с концевыми карбоксильными группами, обеспечивающие высокие механические показатели отвержденных продуктов.

9. Изоцианаты, обеспечивающие высокую скорость отверждения ЭС.

10. Феноформальдегидные новолаки и резолы, повышающие механические свойства и теплостойкость отвержденных продуктов.

11. Фенолформальдегидные, меламино- и мочевино-альдегидные смолы.

При подборе отвердителя учитывают следующие факторы:

1. Влияние отвердителей на структуру и свойства эпоксидных смол.

2. Свойства самого отвердителя, легкость переработки композиции, токсичность, температура и продолжительность отверждения, вязкость, жизнеспособность, тепловыделение, усадку в процессе отверждения и другие технологические параметры.

3. Адгезия к различным материалам.

4. Свойства получаемых связующих: деформационно-прочностные и диэлектрические характеристики, теплостойкость, химическая стойкость и т.п.

Ускорители процесса отверждения эпоксидных смол

Ускорители добавляют к смеси смолы и отвердителя для ускорения реакции между ними. Их вводят в небольших количествах, которые подбирают эмпирически, руководствуясь свойствами полученного материала. Для ускорения отверждения эпоксидной смолы, например, ангидридами, используют третичные амины в смесях с первичными аминами. Весьма часто применяются и смеси различных третичных аминов. Третичные амины ускоряют взаимодействие эпоксидной смолы с алифатическими дикарбоновыми кислотами.

Разбавители

Для многих областей применения эпоксидных смол необходимо существенное снижение их вязкости. При этом того снижения, которое достигается в результате применения низковязких отвердителей, как правило, недостаточно. Поэтому его достигают за счет применения активных или неактивных разбавителей. К неактивным разбавителям относят органические соединения, нереагирующие с отвержденной эпоксидной смолой. Активные разбавители вступают в химическую реакцию с отвержденной эпоксидной смолой и, тем самым, не испаряются в процессе эксплуатации эпоксидных связующих. Неактивные низковязкие низкокипящие растворители могут улетучиваться при отверждении, что создает определенные экологические проблемы. Высоковязкие высококипящие растворители в незначительной степени снижают вязкость эпоксидной смолы. Если растворители не полностью удаляются из отвержденной эпоксидной смолы, то более или менее значительно ухудшаются механические свойства готовых продуктов и изменяется температура стеклования.

Пластификаторы

Пластификаторы − это вещества, которые вводят в состав полимерных материалов для придания (или повышения) их пластичности при переработке и эксплуатации. Пластификаторы облегчают диспергирование ингредиентов, снижают температуру технологической обработки композиций, улучшают морозостойкость полимеров, но иногда ухудшают их теплостойкость. Некоторые пластификаторы могут повышать огне-, свето- и термостойкость полимеров. Общие требования к пластификаторам: хорошая совместимость с полимером, низкая летучесть, отсутствие запаха, химическая инертность, стойкость к экстракции из полимера жидкими средами, например маслами, моющими средствами. Наиболее распространенные пластификаторы: эфиры фталевой и тримеллитовой кислот, сложные эфиры ортофосфорной кислоты. Используются также минеральные и невысыхающие растительные масла, эпоксидированное соевое масло, хлорированные парафины и др. Количество пластификатора в композиции − от 1…2 до 100 % (от массы полимера).

Модификация эпоксидных связующих

Наполнение полимеров представляет собой одну из разновидностей их модификации, т.е. направленного изменения технологических и эксплуатационных свойств. Путем введения наполнителя можно добиться повышения механической прочности полимеров, придать им теплостойкость, огнестойкость, электропроводность и другие свойства, а также уменьшить расход полимера. По форме наполнители бывают порошкообразные, волокнистые, листовые; по природе – органические, минеральные, металлы; по способу получения – природные, искусственные и отходы производства; по отношению к полимеру – инертные (не изменяющие его свойств), активные (упрочняющие), армирующие.

2. Методика эксперимента

Приготовление эпоксидных связующих осуществляют в реакторах (рисунок).

Реактор IKA

3. Порядок выполнения работы

Задание 1. Технология изготовления эпоксидных связующих

1. На металлическую подложку, установленную на аналитических весах, поместить необходимое количество эпоксидной смолы.

2. Добавить рассчитанное количество ускорителя и отвердителя.

3. Смолу, ускоритель и отвердитель загрузить в реактор и при нагревании до 90°С перемешать до однородного состояния.

4. При температуре 90°С провести отливку эпоксидного связующего из реактора в специальные формы.

Задание 2. Технология изготовления эпоксидных связующих, наполненных углеродным порошком / рубленными углеродными волокнами

1. На металлическую подложку, установленную на аналитических весах, поместить необходимое количество эпоксидной смолы.

2. Добавить рассчитанное количество углеродного порошка / рубленного углеродного волокна, ускорителя и отвердителя.

3. Смолу, углеродный порошок / рубленное углеродное волокно, ускоритель и отвердитель загрузить в реактор и при нагревании до 90°С перемешать до однородного состояния.

4. При температуре 90°С провести отливку наполненного эпоксидного связующего из реактора в специальные формы.

4. Отчет о работе

Отчет о работе должен содержать:

1. Краткое описание технологии получения ненаполненных и наполненных эпоксидных связующих.

2. Образцы ненаполненных и наполненных эпоксидных связующих.

5. Контрольные вопросы

1. Эпоксидные связующие и их составляющие.

2. Чем объясняется широкое применение эпоксидной смолы в качестве компоненты полимерных связующих материалов для полимерных композиционных материалов?

3. Отвердители, ускорители, разбавители, пластификаторы и модификаторы.

4. Технология получения ненаполненных и наполненных эпоксидных связующих.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Алентьев, А. Ю. Связующие для полимерных композиционных материалов: учеб. пособие для студентов специальности «Композиционные наноматериалы» / А. Ю. Алентьев, М. Ю. Яблокова. – М: Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, 2010. – 69 с.

2. Авиационное материаловедение.: учеб. пособие по лабораторному практикуму. В 2 ч. Ч. 2. Неметаллические материалы / Я. С. Карпов, В. В. Остапчук, Н. Д. Сазоненко, Н. И. Семишов, М. А. Шевцова. Харьков: Харьковский авиационный институт, – 2004. – 107 с.

Лабораторная работа № 5

Определение качественного состава эпоксидных связующих методом инфракрасной спектроскопии

Цель работы: определение качественного состава эпоксидных связующих методом инфракрасной спектроскопии.