стекловолокнистый армирующий тканый наполнитель стеклополимерных композиционных материалов
Классы МПК: | F16L9/10 стеклянные или керамические, например глиняные, шамотные, фарфоровые C03C13/02 содержащие соединения титана или циркония |
Автор(ы): | Барелко В.В. (RU), Смирнов Ю.Н. (RU), Онищенко В.Я. (RU), Трофимов Н.Н. (RU), Натрусов В.И. (RU), Шацкая Т.Е. (RU), Ушаков А.Е. (RU), Сорина Т.Г. (RU), Хайретдинов А.Х. (RU), Кленин Ю.Г. (RU), Сивый Бронислав Петрович (BY), Данилов Константин Егорович (BY), Казаковцев Николай Аркадьевич (BY), Мороз Михаил Давидович (BY) |
Патентообладатель(и): | Институт проблем химической физики РАН (ИПХФ РАН) (RU), Закрытое акционерное общество "Химфист" (RU), Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение Стеклопластик" (ОАО "НПО Стеклопластик") (RU), Научно-производственное предприятие "Прикладные перспективные Технологии - "АпаТэК" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2004-01-27 публикация патента:
27.01.2005 |
Изобретение относится к химической промышленности, преимущественно к производству стекловолокнистых материалов, предназначенных для изготовления стеклополимерных композитов. Стекловолокнистый армирующий тканый наполнитель стеклополимерных композиционных материалов состоит из стекловолокна, содержащего в своем составе диоксид кремния, оксид алюминия, оксид кальция, оксид магния, оксид бора, оксид натрия, а также силанольные группы SiO(OH) 2, образованные в поверхностном слое стекловолокна в процессе химической его обработки. Стекловолокно имеет следующий состав (мас.%): диоксид кремния 50-99; оксид алюминия 1-20; оксид кальция 0-15; оксид магния 0-15; оксид натрия 0-20; оксид бора 0-15; силанольные группы SiO(OH)2 0,5-5, при этом стекловолокнистый армирующий тканый наполнитель имеет удельную поверхность от 2 до 50 м2 на 1 грамм его массы, а толщина поверхностного слоя элементарного волокна, на котором сконцентрированы силанольные группы, находится в интервале от 0,001 до 0,01 доли от диаметра волокна. В результате использования предлагаемого стеклотканого наполнителя в производстве стеклополимерных композиционных материалов достигается улучшение физико-механических свойств композиционных материалов, в частности прочности при изгибе и межслоевом сдвиге, улучшается водостойкость.
Формула изобретения
Стекловолокнистый армирующий тканый наполнитель стеклополимерных композиционных материалов, содержащий стекловолокно, включающее в свой состав диоксид кремния и оксиды алюминия, кальция, магния, бора и натрия, отличающийся тем, что наполнитель сформирован из волокон, на поверхности которых в процессе химической обработки созданы силанольные группы SiO(OH)2 при следующем составе стекловолокна, мас.%:
Диоксид кремния | 50-99 |
Оксид алюминия | 1-20 |
Оксид кальция | 0-17 |
Оксид магния | 0-15 |
Оксид натрия | 0-20 |
Оксид бора | 0-15 |
Силанольные группы SiO(OH)2 | 0,5-5,0 |
при этом стекловолокнистый армирующий тканый наполнитель имеет удельную поверхность 2 - 50 м на 1 г своей массы, а толщина поверхностного слоя элементарного волокна, на котором сконцентрированы силанольные группы, находится в интервале 0,001 - 0,01 доли от диаметра волокна.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к химической промышленности, преимущественно к технологии стекловолокнистых материалов, которые используют в качестве армирующего наполнителя при производстве композиционных материалов на основе термореактивных и термопластичных полимерных связующих.
Известно использование в качестве армирующего наполнителя различного рода листовых материалов в виде рубленых стекловолокон (см. патент РФ 2021303, опубл. 15.10.1994).
Использование данного армирующего наполнителя позволяет получать стеклополимерные композиционные материалы с улучшенной водостойкостью (водонепроницаемостью). Однако механические свойства материалов с таким армирующим наполнителем недостаточно высоки.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является стекловолокно, включающее в свой состав диоксид кремния и оксиды алюминия, кальция, магния, бора и натрия (см. патент РФ 2077515, опубл. 20.04.1997).
Однако данное стекловолокно не позволяет создать стеклополимерные композиционные материалы с требуемыми физико-механическими свойствами.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение физико-механических свойств стеклополимерных композиционных материалов, в частности прочности при изгибе и межслоевом сдвиге.
Указанная задача решается за счет того, что стекловолокнистый армирующий тканый наполнитель стеклополимерных композиционных материалов содержит стекловолокно, включающее в свой состав диоксид кремния и оксиды алюминия, кальция, магния, бора и натрия, при этом наполнитель сформирован из волокон, на поверхности которых в процессе химической обработки созданы силанольные группы SiO(OH) 2, при следующем составе стекловолокна (мас.%):
диоксид кремния 50-99;
оксид алюминия 1-20;
оксид кальция 0-17;
оксид магния 0-15;
оксид натрия 0-20;
оксид бора 0-15;
силанольные группы SiO(OH) 2 0,5-5,0
при этом стекловолокнистый армирующий тканый наполнитель имеет удельную поверхность от 2 до 50 м2 на 1 грамм своей массы, а толщина поверхностного слоя элементарного волокна, на котором сконцентрированы силанольные группы, находится в интервале от 0,001 до 0,01 доли от диаметра волокна.
Анализ стекловолокнистых армирующих тканых наполнителей, подвергнутых различным степеням поверхностной химической обработки, показал, что изменение химического состава стекловолокна в приповерхностном слое и развиваемая в процессе его обработки удельная поверхность оказывают существенное влияние на физико-механические свойства конечного продукта - стеклополимерного композиционного материала, особенно, на основе термопластичных связующих.
В ходе исследования роли химической обработки тканого армирующего наполнителя из стекловолокон указанного выше химического состава было установлено, что развитие его удельной поверхности до значений от 2 до 50 м2 на грамм массы наполнителя позволяет улучшить такие показатели стеклополимерного композиционного материала, как прочность при изгибе и при межслоевом сдвиге. Уменьшение удельной поверхности ниже указанного диапазона, а также ее увеличение выше уровня верхней границы приводит к снижению прочности при изгибе и при межслоевом сдвиге. Причиной существования такого преимущественного интервала оптимальных значений удельной поверхности стекловолокнистого тканого армирующего наполнителя (2-50 м2/г) по-видимому является конкуренция двух факторов: 1 - упрочнение конечного изделия (стеклополимерного композиционного материала) за счет увеличения сил межфазового сцепления (в связи с развитием шероховатости наполнителя); 2 - снижение механических характеристик самого наполнителя при его химической обработке.
Химическая обработка стекловолокнистого армирующего тканого наполнителя с образованием в приповерхностном слое волокон силанольных групп SiO(OH) 2 позволяет добиться усиления не только механического сцепления между наполнителем и полимерным связующим, но и усилить адгезию в межфазовой границе за счет образования прочных межмолекулярных связей с химически активными силанольными группами. При анализе эффективности действия этого фактора установлено, что оптимальные значения физико-механических характеристик стеклополимерных композиционных материалов достигаются при содержании в стеклотканом наполнителе силанольных групп в интервале 0,5-5%, при этом толщина поверхностного слоя элементарного волокна, на котором сконцентрированы силанольные группы, находится в интервале от 0,001 до 0,01 доли от диаметра волокна. При выходе за значения верхних границ обозначенных интервалов увеличивается вероятность появления на поверхности стекловолокон опасных очагов разрушения, что приводит к росту дефектности армирующего стекловолокна с соответствующим снижением разрывной прочности стекловолокон и композиционного материала в целом. При уменьшении концентрации силанольных групп и глубины их проникновения в волокно за нижнюю границу эффект химической и механической активации стекловолокнистого тканого наполнителя становится незначительным и не сопровождается заметным улучшением механических характеристик конечного изделия - стеклополимерного композиционного материала.
Пример 1 (базовый пример сравнения). При изготовлении образца стеклополимерного композиционного материала в качестве наполнителя использована стеклоткань марки Э-180 с диаметром элементарного волокна 7 микрон, имеющая следующий химический состав: SiO2 - 53%, Аl2О3 - 15%, CaO - 17%, MgO - 4%, В2О3 - 10%, Na 2O - 0,5%. Перед изготовлением композита стеклоткань термически обработана для удаления технологического замасливателя. Химической обработке стеклоткань не подвергалась, в связи с чем силанольные группы в ее составе отсутствуют, а удельная поверхность составляет 0.5 м2/г, что соответствует гладкой геометрической поверхности волокон. Образец стеклокомпозиционного материала изготавливался из 14 слоев указанной армирующей ткани. Слои этого тканого наполнителя перекладывались полиамидной пленкой ПК-4 и прессовались при температуре 225 °С и давлении 2МПа. Изгибная прочность изготовленных образцов стеклополимерного композита - 140 МПа, сдвиговая прочность - 9.3 МПа, суточное водопоглощение - 2.57%.
Пример 2. Те же условия приготовления образца стеклополимерного композита, которые описаны в Примере 1: 14 слоев армирующей ткани Э-180 с выжженным технологическим замасливателем. Армирующая стеклоткань подвергнута предварительной химической обработке, в результате которой удельная поверхность развита до уровня 18-20 м2/г, содержание силанольных групп доведено до 1,5-2%, глубина их расположения в приповерхностном слое волокна составила 0,02-0,03 микрона. Изготовленные таким образом образцы стеклотканого наполнителя перекладываются полиамидной пленкой ПК-4 и прессуются при температуре 225 °С и давлении 2 МПа. Изгибная прочность образцов - 200 МПа (улучшение характеристики по сравнению с базовым образцом на 43%), сдвиговая прочность - 15.3 МПа (улучшение на 64%), суточное водопоглощение - 1.87% (улучшение на 30%).
Пример 3. Те же условия приготовления образца стеклополимерного композита, которые описаны в Примерах 1,2: 14 слоев армирующей ткани Э-180 с выжженным технологическим замасливателем. Армирующая стеклоткань подвергнута предварительной химической обработке, в результате которой удельная поверхность развита до уровня 45-50 м2/г, содержание силанольных групп доведено до 4-5%, глубина их расположения в приповерхностном слое волокна составила 0,06-0,07 микрона. Изготовленные таким образом образцы стеклотканого наполнителя перекладываются полиамидной пленкой ПК-4 и прессуются при температуре 225°С и давлении 2 МПа. Изгибная прочность образцов - 145 МПа (незначительное улучшение этой характеристики), сдвиговая прочность - 9.3 МПа (характеристика не изменилась), суточное водопоглощение - 1.80% (улучшение на 34%).
Пример 4. При тестировании образцов стеклополимерных композитов со стекловолокнистым армирующим тканым наполнителем с более глубокой химической обработкой (удельная поверхность более 50 м2/г, содержание силанольных групп более 5%, глубина их проникновения более 0,07 микрона) наблюдалось снижение механических характеристик по сравнению с базовым объектом (однако, при этом водостойкость стеклокомпозита продолжала возрастать с углублением химической обработки наполнителя).
Как показал проведенный анализ физико-химических, механических и технологических свойств предлагаемого стекловолокнистого армирующего тканого наполнителя с указанными выше отличительными признаками, его использование в производстве стеклополимерных композиционных материалов позволит улучшить потребительские свойства этих изделий (прочность, водостойкость, сопротивляемость воздействиям агрессивных сред) на 30-60%. Предлагаемый стекловолокнистый армирующий тканый наполнитель может быть использован при создании новых стеклополимерных композиционных материалов в химической, нефтехимической индустрии, машиностроении, электронике и в других отраслях промышленности, а также при изготовлении труб.
Класс F16L9/10 стеклянные или керамические, например глиняные, шамотные, фарфоровые
секция трубопровода - патент 2519528 (10.06.2014) |
Класс C03C13/02 содержащие соединения титана или циркония