Введение к работе
Актуальность работы.
В производстве полимерных композиционных материалов (ПКМ) одним из основных,факторов, определяющих качество и эксплуатационные характеристики готового изделия, является стабильность технологических свойств их исходных компонентов и полуфабрикатов. В большинстве современных технологий формования изделий из ПКМ наибольшее предпочтение отдаётся препрегам, используемым в качестве полуфабрикатов. Пре-преги изготавливают пропиткой листовых или ленточных наполнителей растворами или расплавами связующих. Технологические свойства полуфабрикатов для термореактивных ПКМ контролируют на соответствие показателям, регламентируемым нормативной документацией. Набор контрольных показателей, определение которых освоено отечественными производственными лабораториями, весьма ограничен. В основном оперируют такими характеристиками, как содержание связующего в препреге, содержание летучих и растворимой части связующего. Решающая роль, как и при оценке качества готового материала, уделяется уровню физико-механических свойств контрольных образцов ПКМ. Такой подход требует проведения целого комплекса трудоёмких работ, значительных затрат времени и материалов, а также затрудняет проведение оперативных мероприятий по отбраковке исходных компонентов ПКМ и полуфабрикатов или корректировке технологических параметров их переработки в изделия. Опыт показывает, что этих показателей недостаточно для надёжного контроля изменения реакционной способности и технологических свойств связующих и препрегов в процессе их хранения и на разных стадиях технологического цикла переработки в изделия. В мировой практике для решения этих задач используют методы, которые в нашей стране до сих пор остаются привилегией сугубо научных исследований.
В промышленности для контроля качества исходных компонентов и полуфабрикатов (препрегов), а также, свойств готового материала после завершения технологического цикла формования может быть использована большая группа физических и химических методов анализа. К этой группе можно отнести и весьма эффективный комплекс методов, определяемых общим наименованием - термический анализ. Комплексный термический анализ широко применяется в мировой практике не только для научных исследований в области материаловедения, но также в производственных лабораториях. Методы термического анализа эффективны при оценке стабильности состава исходных компонентов и полуфабрикатов (степень чис-
тоты, реакционная способность) кинетических параметров процессов формирования полимерных композитов (гелеобразование, отверждение, стеклование) эксплуатационных свойств (жёсткость, деформационная теплостойкость).
В отечественной промышленности работы в этой области до настоящего времени проводятся фрагментарно и носят иллюстративный характер. Отсутствие единой методологии определения параметров, характеризующих реакционную способность термореактивных препрегов, базирующейся на методах термического анализа, не позволяет использовать полученные данные в качестве контрольных показателей, способствующих повышению воспроизводимости технологических операций и стабильности свойств выпускаемой продукции. В значительной мере это касается полуфабрикатов для органопластиков, при анализе которых должна учитываться специфика подобных систем, проявляющаяся прежде всего в сорбционной активности полимерного армирующего наполнителя по отношению к влаге окружающей среды и низкомолекулярным, термодинамически совместимым с волокнами компонентам термореактивних связующих.
Специфика технологических свойств компонентов и полуфабрикатов, используемых для производства органопластиков, неизменно отражается на эксплуатационных свойствах изготавливаемых изделий. Вместе с тем, к стабильности контрольных показателей в производстве изделий для авиационной и космической техники предъявляются повышенные требования. В связи с этим в настоящее время возникла необходимость определения основных показателей, способствующих проведению тщательного контроля и подлежащих внесению в сертификат на продукцию.
В данной работе была поставлена задача по разработке комплексной методологии определения показателей свойств и контроля качества отвергающихся препрегов для органопластиков с использованием методов термического анализа. Актуальность задачи подтверждается необходимостью проведения сертификации всех материалов, исходных продуктов и полуфабрикатов, используемых в авиационной и космической технике, а также, приведения отечественной системы сертификации в соответствие с общепринятыми международными требованиями.
Цель работы. Целью работы являлось: 1. Разработка комплексной методологии термического анализа компонентов и полуфабрикатов термореактивных органопластиков.
-
Разработка на основе результатов термического анализа методов обоснованного выбора рецептуры и технологических параметров формирования препрегов и органошгастиков на стадии разработки и технологического контроля.
-
Обеспечение соответствия отраслевого уровня технологического анализа композитов требованиям международных стандартов.
-
Разработка рекомендаций по внесению в действующую и вновь разрабатываемую технологическую документацию контрольных параметров для оценки качества препрегов и процессов формирования органопластиков.
Для достижения этой цели:
был проведён анализ технологических, свойств связующих, препрегов и эксплуатационных характеристик органопластиков;
разработан комплекс контрольных показателей качества и выбраны современные инструментальные методы их определения, позволяющие заменить на стадии разработки материала традиционные оценочные методы физико-механических испытаний макрообразцов;
разработана методическая база комплексного термического анализа и программное обеспечение для обработки результатов экспериментальных исследований;
наработан и систематизирован большой объём экспериментальных термоаналитических данных, включающих информацию обо всех рецептурах органопластиков, разработанных для применения в авиационной промышленности;
исследована специфика взаимодействия компонентов различных марок эпоксидных связующих с армирующим наполнителем на основе арамидных и полигетероариленовых волокон.
проведён сравнительный анализ и выбор кинетических моделей для описания процессов отверждения связующих в препрегах на основе органических волокон;
на основе результатов комплексного термического анализа сформирован банк данных по основным технологическим свойствам отверждающихся препрегов для широкого ассортимента органопластиков, используемых в изделиях авиационной и космической техники.
Научная новизна.
Впервые термический анализ был применён для систематических комплексных исследований особенностей кинетики формирования опытных и промышленных образцов различных марок термореактивных органопластиков;
экспериментально подтверждена высокая степень влияния арамидного армирующего наполнителя на процессы взаимодействия компонентов связующих в процессе формирования органопластиков;
разработаны контрольные показатели, характеризующие реакционную способность исходных компонентов и полуфабрикатов для органопластиков и методы их определения;
определены кинетические параметры реакций отверждения эпоксидных композиций различного химического состава (связующих и препрегов) для органопластиков различного назначения;
разработана компьютерная программа, позволяющая на основе результатов исследования кинетики моделировать процессы отверждения различных промышленных марок органопластиков в условиях произвольно заданного температурно-временного цикла.
Практическая ценность работы.
-
Разработана методология создания, исследования и контроля процессов формирования органопластиков, отвечающая требованиям международных стандартов.
-
Разработаны рекомендации для обоснованного выбора рецептур и технологических параметров формирования органопластиков, широко применяемых в авиационной промышленности.
-
Данные термического анализа использованы при создании и паспортизации материалов: Органит ЮТ, 12Т, 14Т, 15Т, 16Т, 16В, 17Н в части разработки технологии переработки препрегов в изделия.
-
Разработаны проекты сертификатов на препреги для Органитов 12Т и 15Т, включающие результаты термического анализа.
-
На базе IBM PC создана информационная экспериментально-вычислительная система по основным маркам промышленных препрегов для органопластиков, разработанных в течение последних 15 лет и используемых в авиационной технике;
-
Разработан метод компьютерного моделирования процессов отверждения термореактивных полуфабрикатов на кинетическом уровне в произвольно заданных температурно - временных условиях. Создан набор программ, позволяющих реализовать этот метод для конкретных марок разработанных ортанопластиков.
-
Разработанные методики и результаты экспериментальных исследований использованы для создания научно-технической документации: РТМ, ТУ, ТР, ПИ (табл. б).
Защищаемые в диссертации положения.
-
Методология исследования отвергающихся композиций для ортанопластиков с использованием термоаналитических методов, применение её при создании рецептур, определении технологических параметров формирования ортанопластиков.
-
Методы оценки влияния арамидных и полигетероариленовых волокон на процессы формирования ортанопластиков и корректировки технологических параметров их изготовления.
-
Методы контроля качества и жизнеспособности исходных компонентов и полуфабрикатов для ортанопластиков; разработка рекомендаций по использованию термоаналитических методов при сертификации препрегов.
Апробация работы.
Основные положения работы были доложены на Всесоюзной конференции с международным участием "Релаксационые явления и свойства полимерных материалов" (9-14 сентября 1990 г., г. Воронеж), на Московских международных конференциях по композиционным материалам "МІСС-90" (14-16 ноября 1990 г.) и "МЮС-94" (20-22 сентября 1994 г.). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 статей и тезисов докладов на конференциях, получено 3 авторских свидетельства. Результаты работы отражены в научно - технических отчётах ВИАМ и научно-технической документации на разработанные органопластики.
Объём работы.
Диссертация состоит из введения, 3 глав, основных выводов и приложения. Материал диссертации изложен на 131 странице и включает 86 страниц основного текста, 9 таблиц, 34 рисунка и библиографию из 122 наименований отечественных и зарубежных публикаций. В приложении на 32 страницах приведены тексты компьютерных программ, разработанных автором.
