Ученые Пермского Политеха разработали технологию комплексного улучшения свойств смол для авиации и судостроения.
В настоящее время в промышленности широко применяются эпоксидные смолы. Из них можно создавать прочные и долговечные композиты различного назначения, однако для массового применения они дорогие. Существуют также полиэфирные смолы, которые в основном используются в гражданском строительстве, производстве сантехники и электротехники, поскольку считаются более дешевыми и не требуют сложного оборудования. Проблема в том, что их нельзя задействовать в ответственных конструкциях (корпусах самолетов или лопастях генераторов), так как у них низкая прочность и износостойкость.
Для улучшения свойств таких смол применяют специальные модификаторы. Однако они сильно различаются по составу и механизму действия, что не позволяет использовать их одновременно и комплексно повысить качество дешевых составов.
Сегодня в промышленности широко применяются полимерные смолы. Они необходимы для создания композитных материалов, которые, в свою очередь, используются для изготовления деталей и конструкций в авиации, судостроении, автомобилестроении, ветроэнергетике и химической отрасли. Из них делают корпуса самолетов и катеров, фюзеляжи, крылья, лопасти ветрогенераторов, трубы и многое другое.
Для таких ответственных отраслей традиционно используют эпоксидные смолы, которые обладают высокой прочностью, долговечностью и стойкостью к влаге и химикатам. Однако они сложны в производстве и требуют специальных условий при обработке. Это делает их применимыми только в дорогостоящих отраслях, где требования к надежности максимальны.
При этом в гражданском строительстве, при производстве сантехники, мебели и электротехники широко используют полиэфирные смолы. Они значительно дешевле, легко заливаются в формы любой сложности и не требуют дорогого оборудования.
Существуют также более современные смолы — виниловые и эпокси-виниловые эфиры. Они также недорогие и используются для тех же целей, что и полиэфирные. Именно они остаются самым массовым компонентом композитных материалов на рынке.
Тем не менее, такие немодифицированные составы плохо выдерживают ударные нагрузки, а также активно впитывают влагу, что со временем разрушает детали изнутри. В результате изделия из этих смол трескаются, теряют прочность и быстро изнашиваются. Это значит, что их невозможно использовать в ответственных конструкциях, например, в самолетах, без дорогой и сложной доработки.
Один из способов решить эту проблему — использовать гибридные модификаторы: это специальные добавки, которые вводят в смолу и меняют ее структуру на молекулярном уровне, улучшая свойства. Например, они могут повышать прочность или уменьшать влагопоглощение.
Проблема в том, что для таких добавок сегодня не налажена технология их совместного применения. Каждый модификатор по отдельности позволяет повысить какое-то одно свойство и отличается по своей химической структуре, размерам частиц и механизму действия от других. Поэтому при смешивании они могут мешать друг другу, вступать в нежелательные реакции или неравномерно распределяться в смоле.
Системных исследований того, как правильно сочетать несколько добавок в одном материале, до сих пор не проводилось. Хотя без этого невозможно гарантированно поднять свойства дешевых смол для применения в авиации, судостроении и ветроэнергетике. В результате в этих отраслях сейчас возможно использовать только дорогие эпоксидные составы.
Ученые Пермского Политеха впервые исследовали совместное воздействие существующих модификаторов на свойства смол. Они создали технологию, которая улучшила материал сразу по нескольким параметрам: прочность увеличилась на 29%, износ снизился примерно в 5 раз, а влагопоглощение в 1,2–1,8 раза. Это позволит использовать недорогие составы в тех отраслях, где раньше они считались непригодными из-за низкой надежности и долговечности.
Для исследования ученые выбрали недорогие полиэфирные смолы, а также более современные — виниловый эфир и эпокси-виниловый эфир. Затем они отобрали пять модификаторов, каждый из которых отвечает за одно свойство: прочность, влагопоглощение, устойчивость к ударам, сохранение формы при затвердевании и износостойкость.
— После этого мы приступили к разработке рецептуры и технологии смешения. Готовые образцы мы проверяли на разные нагрузки: растягивали, сгибали, били маятником. Также замеряли, насколько деталь меняет размер после затвердевания, сколько воды впитывает и как быстро стирается при трении. Эксперименты моделируют реальные условия эксплуатации, когда материал контактирует с влагой, химическими веществами или перепадами температур. Все испытания проводились в одинаковых условиях, и для каждого варианта рецептуры делали несколько образцов, чтобы результаты были достоверными, — отметил Алексей Полин, аспирант кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ.
Анализ результатов испытаний показал, что при добавлении пяти модификаторов композит показал существенный прирост уровня свойств по всем показателям. Наилучшие результаты дали эпокси-винилэфирные составы: прочность материала выросла почти на треть, сопротивление ударам увеличилось в 2 раза, износ снизился примерно в 5 раз, а влагопоглощение в 1,2–1,8 раза.
— Кроме того, по совокупности свойств полученный материал становится прямым конкурентом среднетемпературным эпоксидным смолам, которые традиционно задействуют в авиации и других ответственных отраслях промышленности. При этом технология переработки остается простой, что означает, что новые составы после правильной модификации становятся пригодны для тех областей, где раньше их нельзя было использовать из-за низкой надежности и долговечности, — дополнила Галина Шайдурова, профессор кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ, доктор технических наук.
В результате ученые определили точные концентрации и порядок добавления пяти модификаторов, при которых дешевые смолы достигают свойств, близких к эпоксидным. Это позволяет использовать их там, где раньше требовались более дорогие материалы: например, для корпусов катеров, кузовных деталей машин, лопастей ветрогенераторов, а также для емкостей и трубопроводов в химической промышленности.
Статья опубликована в журнале «Diagnostics, resource and mechanics of materials and structures».
Исследование проведено в рамках программы «Приоритет 2030».
Источники информации и фото:
АО «ЦМКБ «Алмаз» — http://almaz-kb.ru/products/voennogo-naznacheniya/korabli-protivominnoy-oborony/protivominnyy-korabl-bazovoy-zony-proekta-12701/
пресс-служба ПНИПУ — https://pstu.ru/.
