РОЗДІЛ 2
МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ
У розділі викладено обґрунтування вибору зв'язуючого і наповнювачів для композитних матеріалів (КМ), принципові схеми експериментального обладнання і режими випробувань композитів. Описано методи вивчення структурних характеристик досліджуваних матеріалів (електронна мікроскопія, ІЧ-спектроскопія, електронний парамагнітний резонанс (ЕПР)). Наведено методики дослідження адгезійних, фізико-механічних, теплофізичних, діелектричних властивостей, залишкових напружень у КМ, а також корозійної тривкості і стійкості до спрацювання захисних покриттів, експериментальні випробування яких проводили у лабораторних і виробничих умовах. Наведено блок-схеми, принцип роботи і режими експлуатації розроблених установок для обробки компонентів матриці, наповнювача і композицій енергетичними полями на попередній стадії формування КМ. Це, зокрема, установки для магнітної, ультразвукової, електроіскрової обробки і ультрафіолетового опромінення епоксидних композицій.
2.1. Характеристика і властивості вихідних матеріалів
Об'єктом дослідження вибрано полімеркомпозитні матеріали на основі епокси-діанового оліґомера марки ЕД-20 (ГОСТ 10587-84), який характеризується високою адгезійною та когезійною міцністю, незначною усадкою і технологічністю при нанесенні на довговимірні поверхні складного профілю, розвинутою сировинною базою [121]. Враховуючи великі габаритні розміри та масу, складний профіль поверхні типових деталей машин і механізмів, а також умови нанесення покриттів для зшивання епоксидних композицій використано твердник ПЕПА (ТУ 6-05-241-202-78), що забезпечує затверджування композитів при кімнатних температурах. У роботі розроблено температурно-часові режими полімеризації КМ у значному діапазоні температур, які забезпечують утворення тривимірної сітки полімерної системи та агрегатів надмолекулярної структури. Різні стадії зшивання моделювали і досліджували при введенні твердника у композицію від 8 до 15 мас.ч. з метою визначення стехіометричного співвідношення компонентів системи.
При дослідженнях враховували вимоги, які ставлять до олігомерного зв'язуючого. Тому для поліпшення реологічних і адсорбційних властивостей зв'язуючого, його пластифікували сумішшю поліефірних лаків. Припускали, що при вибраних режимах полімеризації пластифікація зв'язуючого забезпечить кращий перебіг дифузійних процесів і, відповідно, поліпшить когезійні характеристики епоксидних систем.
Епоксидну матрицю формували методом гідродинамічного суміщення компонентів з використанням пластифікаторів - поліефірного лаку ПЕ-220, ПДЕА-4 та аліфатичної смоли ДЕГ-1. З метою визначення оптимального вмісту компонентів суміші проведено дослідження властивостей КМ під впливом динамічних навантажень і підвищених температур при різному вмісті компонентів. Встановлено, що для поліпшення реологічних властивостей та адсорбційної взаємодії компонентів полімерної матриці у епоксидний олігомери слід вводити поліефір ПЕ-220 та полідіетилакрилат ПДЕА-4 у співвідношенні: ЕД-20 : ПЕ-220 : ПДЕА-4 - 10 : 2 : 1. Окремо досліджено вплив вмісту пластифікатора аліфатичної смоли ДЕГ-1, яку слід вводити при вмісті 10 мас.ч. на 100 мас.ч. епоксидної смоли. Такий оптимальний підбір вмісту інґредієнтів олігомерного зв'язуючого значно поліпшує ступінь змочування дисперсних часток та забезпечує оптимальну швидкість перебігу процесів дифузії, що позначається на властивостях зшитих КМ.
Введення наповнювачів у полімерні матеріали зумовлює появу широкого спекру хімічної та фізичної взаємодії, яка виникає на межі поділу фаз "полімер-наповнювач". Природа таких явищ суттєво залежить від хімічної активності наповнювача, питомої площі його поверхні, яка суттєво впливає на структуру матеріалу, його властивості та їх зміну в процесі експлуатації. Однак, на наш погляд, одним з важливих факторів, які впливають на формування поверхневих шарів у матриці є магнітні властивості наповнювача. Тому, з метою з'ясування впливу фізичної природи і топології поверхні дисперсних мінеральних наповнювачів на структуру та фізико-механічні властивості КМ як наповнювачі використано феро- (ферит марки 1500НМ3, кричневий шлам, газова сажа), пара-(оксид хрому зелений (ГОСТ 2912-79), оксид міді) та діамагнітні (карбід кремнію, оксид алюмінію (ТУ 6-09-426-75), технічний графіт (ГОСТ 5420-74)) дисперсні частки. Дисперсні наповнювачі характеризуються високою міцністю, твердістю та високим модулем пружності [122, 123]. Зазначимо, що для поліпшення фізико-механічних властивостей композитів використовували наповнювачі з дисперсністю від 5-10 до 60-65мкм.
Коричневий шлам, як доступний та структурноактивний наповнювач, вводили з метою здешевлення композиції та збільшення адсорбційної взаємодії на межі фаз "полімер-наповнювач", внаслідок значної кінетичної, хімічної і магнітної активності дисперсних часток. Коричневий шлам складається з суміші оксидів (мас.ч.): оксид заліза - 46-48, оксид алюмінію - 7-9, оксид кремнію - 12-14, оксид кальцію - 18-21, оксид магнію - 1-2, оксид титану - 4-7, оксид ванадію - 1,5-2,5, оксид олова - 0,9-1,6, оксид барію - 0,7-1,0, інші оксиди - до 100.
Характерною ознакою вибраних наповнювачів є наявність на їхній поверхні гідроксильних груп, які значно відрізняються за своєю поведінкою та хімічною активністю у системі [122]. Гідроксильні групи та інші центри, які мають підвищену адсорбційну і каталітичну активність можуть блокуватися адсорбованими молекулами води, яка негативно впливає на адгезію епоксидних смол, перешкоджає утворенню хімічних і фізичних зв'язків між поверхнею наповнювача та полімером, спричинюючи зниження когезійної міцності КМ. Тому з метою вилучення адсорбованих молекул води та інших домішок проводили очищення дисперсних наповнювачів методом ультразвукової обробки у водному розчині з наступним просушуванням при температурі Т = 473 К протягом 3 годин. Крім того, для поліпшення ступеня зшивання зв'язувача проводили модифікування дисперсних часток олігомерними компонентами. Як модиф