НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫЕ ЭПОКСИДНЫЕ СВЯЗУЮЩИЕ

ОАО «НПО Стеклопластик»
НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫЕ
ЭПОКСИДНЫЕ СВЯЗУЮЩИЕ ДЛЯ
ПРОИЗВОДСТВА
СТЕКЛОБАЗАЛЬТОВЫХ ТРУБ
НЕПРЕРЫВНЫМ МЕТОДОМ
Натрусов В.И., Косолапов А.Ф., Баль М.Б.
Стеклобазальтовые трубы великолепно зарекомендовали
себя как эффективная альтернатива металлическим. Не
подверженные электрохимической коррозии, имеющие
высокие прочностные показатели, не склонные к налипанию
продукта по стенкам, надежные в эксплуатации, удобные в
ремонте они прочно вошли в зарубежную и отечественную
практику использования их в химической и нефтяной,
металлургической и газовой промышленности и, конечно, в
ЖКХ.
Особое место в разработке совершенных полимерных
композиций для труб занимают нанотехнологии.
Нами в качестве наномодификаторов были исследованы:
 углеродные наночастицыфуллероидного типа фуллерены и астралены производства
ЗАО «Астрин – Холдинг», г. Санкт -Петербург;
 многослойные углеродные нанотрубки «Таунит-М» различной функционализации
производства ООО «НаноТехЦентр», г. Тамбов;
 ультрадисперсный алмаз марки УДАГ – С, производства ОАО «ФНПЦ Алтай», г. Бийск;
 углерод наноструктурированный технический «Арт-нано» марки НСУ «В» по ТУ ВУ
690654933.001-2011, производства ООО «НаноУглеродные материалы», г. Гусев
Калининградской области;
 частицы наномодификаторов серии ArmCap (смесь многостенных углеродных нанотрубок
и наноалмазов), производства ЗАО «Перспективные технологии», г. Химки Московской
области.
Силикатного типа:
 нанодисперсный оксид кремния марки «Таркосил Т-20», г. Новосибирск;
 алюмосиликатные нанотрубки (АНТ) производства ЗАО «Нанотехнологии и инновации»,
г. Зеленоград;
 наносиликат - органофильные глины МОНАМЕТ 1Э1 и МОНАМЕТ 105 производства ЗАО
«Метаклэй».
Одним из основных условий для качественного
приготовления нанокомпозиции является равномерное
распределение наночастиц в полимере
Рис. 1. Зависимость прочности при растяжении эпоксидной матрицы с
добавкой С60 от мощности воздействия ультразвука
Критериями оценки эффективности
наномодификации являлись:







σр – разрушающее напряжение при растяжении, МПа;
ε – относительное удлинение при растяжении, %;
Аст – адгезионная прочность, измеренная как предел прочности при
сдвиге склеенных пластин, МПа;
работа разрушения, Дж;
трещиностойкость или вязкость разрушения, характеризуемая
коэффициентами:
К – интенсивности напряжений, МПа/м;
Gк – скорости высвобождения энергии деформации, кДж/м2;
теплостойкость по Мартенсу, оС;
температура стеклования, оС.
Приведем несколько
примеров проведенных
исследований
Повышение физико-механических показателей
для матриц с содержанием С60 ,
вводимого в пределах 0,15-1,5 %
А
Б
ε исх – 2,4 %
ε исх – 4,8 %
Прочность при
растяжении
 на 25 %
Практически на уровне
исходной композиции
Адгезия к
стеклопластику
 на 30 %
На 15 %
Относительное
удлинение при
растяжении
В 1,8 раз
на 30 %
Трещиностойкость
В 1,9 раз
 на 15 %
Влияние органобентонита
(оптимальное содержание 0,25 %)
Прочность при растяжении не изменилась;
Относительное удлинение увеличилось на 27%;
Адгезионная прочность увеличилась на 19%.
Физико-механические свойства исследованных
эпоксидных матриц горячего отверждения
№
Наименование показателя, ед. измерения
Содержание НМ марки УДАГ, масс.ч.
0
0,1
0,25
0,45
0,75
Примечание
(метод
испытания)
ЭД-20 + отвердитель изо-МТГФА с ускорителем
1
Разрушающее напряжение при растяжении σр, МПа
63,8
74,6
80,7
82,5
82,0
ГОСТ 11262
2
Относительное удлинение при растяжении ε,%
3,25
4,8
6,1
6,0
5,7
ГОСТ 11262
3
Ударная вязкость, кДж/м2
15
19,5
25,8
29,4
25,2
ГОСТ 4647
4
Трещиностойкость: К, МПа/м
Gic, кДж/м2
0,65
1,02
0,87
1,57
1,08
1,84
1,10
1,96
0,96
1,73
ASTM D5045
5
Работа разрушения – интегральная площадь под
кривой разрушения при максимальной нагрузке, Дж
3,2
3,9
4,8
5,3
5,0
ASTM D88295A
6
Адгезия – предел прочности при сдвиге пластин,
склеенных данным связующим, МПа
12,8
14,8
18,8
18,5
16,4
ГОСТ 14759
ЭД-20 + низковязкие флексибилизаторы + отвердитель изо-МТГФА с ускорителем
1а
Разрушающее напряжение при растяжении σр, МПа
2а
Относительное удлинение при растяжении ε,%
3а
81,5
82,6
83,8
84,7
80,3
ГОСТ 11262
4,8
6,9
6,7
6,8
6,5
ГОСТ 11262
Ударная вязкость, кДж/м2
19,5
26,2
28,2
28,5
27,6
ГОСТ 4647
4а
Трещиностойкость: К, МПа/м
Gic, кДж/м2
0,75
1,22
1,02
1,73
1,05
1,82
1,16
2,12
1,15
1,82
ASTM D5045
5а
Работа разрушения – интегральная площадь под
кривой разрушения при максимальной нагрузке, Дж
3,8
4,2
4,5
4,6
4,4
ASTM D88295A
6а
Адгезия – предел прочности при сдвиге пластин,
склеенных данным связующим, МПа
15,6
16,8
17,2
17,9
16,7
ГОСТ 14759
Повышение физико-механических показателей
для матриц
А
Б
Прочность при
растяжении
 на 30 %
Практически на уровне
исходной композиции
Адгезия к стеклопластику
 на 45 %
На 20 %
Относительное удлинение
при растяжении
В 1,8 раз
 на 40 %
Трещиностойкость
В 1,9 раз
 на 15 %
Ударная вязкость
 в 2 раза
 на 20 %
Работа разрушения
 в 1,5 раза
 на 15 %
а
б
Рис. 2. Микрофотографии поверхности разрушения отержденных
образцов эпоксидных матриц:
а - «чистое» связующее;
б - наномодифицированное порошком УДАГ (0,25 масс.ч.).
а
б
Внешний вид поверхности разрушения образцов эпоксидных
матриц по методу Шарпи:
а - чистое связующе;
б - наномодифицированное порошком УДАГ (0,25 масс. ч.)
(увеличение в 10 раз)
При введении Таркосила Т-20 в
количестве 0,25% наблюдается
увеличение:
 прочтости при растяжении на 25%;
 относительного удлинения на 50%;
 работы разрушения на 25 %.
Связующие под оборудование для изготовления
стеклобазальтовых труб непрерывным методом
1 – экструдер, 2 – укладчик стеклолент, 3 – катушки стеклолент, 4 – калибрующая
насадка, 5-6 – планшайбы кольцевой намотки, 7 – раскладчик продольных ровингов, 8 –
узел вакуумпропитки, 9 – укладчик целлофана, 10 – камера полимеризации, 11 – тянущее
устройство, 12 – узел резки на заготовки.
Требования к связующим
№
Наименование показателя
Норма
1
Вязкость при температуре переработки, МПа.с, не более
1400
2
Сохранение вязкости после приготовления, не менее, мин
180
3
Время желатинизации при 80оС, мин
4-8
4
Прочность при растяжении, МПа, не менее
65
5
Относительное удлинение, %, не менее
4
6
Прочность при изгибе, МПа, не менее
100
7
Теплостойкость по Мартенсу, оС, не менее
140
160
Свойства разработанных
связующих
№
Наименование показателя
Связующее
1
τж, мин
более 180
2
τгел, мин
5
3
Тм, оС
147
4
σр, МПа
95
5
W, %
0,109
Наименование показателя
Обозначение НД на
метод испытания
Среднее значение
показателя для образца
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа
ГОСТ 11262
70,7
Относительное удлинение при разрыве, %
ГОСТ 11262
5,2
Модуль упругости при растяжении, МПа
ГОСТ 9550
Теплостойкость по Мартенсу, оС
Ударная вязкость по Шарпи без надреза, кДж/м2
Температура стеклования, оС (метод ДСК)*
2990
ГОСТ 21341
169
ГОСТ 4647
11
ИСО 11357-2
Тначала 173
Тстекл 177
Тконец 181
Примечание - * дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) на приборе DSC8500 Perkin Emer.
Определение температуры стеклования проводили при скорости нагрева 20 ºС/мин в
атмосфере азота.
Спасибо за внимание