Разработка технологий и аппаратурного оформления процессов наноуглеродного модифицирования композиционных материалов на основе эпоксидных смол тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Блохин, Александр Николаевич

• Блохин, Александр Николаевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Блохин, Александр Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1 Классификация композиционных материалов.

1.2 Типы композиционных материалов по материалу матрицы.

1.3 Структура композиционных материалов.

1.4 Полимеры, применяемые в композиционных материалах.

1.5 Способы модификации эпоксидных полимеров.

1.6 Наноматериалы применяемые в ПКМ.

1.7 Углеродные нанотрубки.

1.8 Композиты на основе МУНТ.

1.9 Рынок композитов.

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ

НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ПОЛИМЕРНЫХ МАТРИЦ.

2.1 Механизм разрушения ПКМ и влияние на него дисперсного наполнителя и его размера.

2.2 Структурирующее влияние наполнителя на полимерную матрицу.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИИ ВНЕСЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МУНТ С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ СВОЙСТВ ЭПОКСИДНОЙ

МАТРИЦЫ.

3.1. Характеристика исходного сырья и реагентов.

3.2 Внесение углеродного наноматериала в эпоксидную матрицу простым перемешиванием.

3.3 Определение исходной дисперсности МУНТ.

3.4 Дезинтеграция агломератов МУНТ в планетарной мельнице.

3.5 Дезинтеграция агломератов МУНТ в трехвалковой мелнице.

3.6 Влияние воздействия УЗ на структуру и свойства дисперсии МУНТ.

3.7 Определение физико-механических характеристик наномодифицированной эпоксидной матрицы.

3.8 Влияние ПАВ и диспергаторов на прочность наномодифицированной эпоксидной матрицы.

3.9 Применение метода ИК - спектроскопии для ислледования наномодифицированной эпоксидной матрицы.

3.10 Исследование структуры наномодифицированной эпоксидной матрицы с помощью электронной микроскопии.

3.11 Влияние МУНТ на теплопроводность наномодифицированной эпоксидной матрицы.

3.12 Влияние МУНТ на электросопротивление наномодифицированной эпоксидной матрицы.

ГЛАВА 4. АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА НАНОУГЛЕРОДНОГО

МОДИФИЦИРОВАНИЯ.

4.1 Разработка схемы производства наномодифицированного связующего на основе эпоксидных смол.

4.2 Разработки аппаратурного оформления стадии воздействия УЗ на суспензию МУНТ в эпоксидной смоле.

4.3 Апробация в условиях реального производства.

4.4 Определение требований к хранению наномодифицированных эпоксидных смол и концентратов на их основе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологий и аппаратурного оформления процессов наноуглеродного модифицирования композиционных материалов на основе эпоксидных смол»

В настоящее время нанотехнологии все шире используются в различных отраслях промышленности. Одним из современных направлений нанотехнологии является применение углеродных нанотрубок в различных изделиях. Углеродные нанотрубки обладают рядом уникальных свойств, которые позволяют улучшить физико-механические характеристики полимерных материалов и композитов на их основе. Наиболее перспективным методом улучшения полимерных композиционных материалов является их модификация углеродными наноструктурными компонентами.

Внесение углеродных нанотрубок в структуру композита влияет не только на структуру и свойства полимерного связующего, но и на композиционный материал в целом. На данный момент нет чётко сформулированных промышленных методов и технологий по внесению, распределению и стабилизации наносостояния углеродных нанотрубок в полимерных матрицах. Разработанный метод не только дает такую возможность, но и может применяться в совокупности с уже используемыми методами улучшения качественных показателей композитов в промышленности. Выявление эффективных методов и степени их влияния на качественные показатели конечного продукта, а так же разработка аппаратурно-технологических схем является актуальной и приоритетной задачей. Разрабатываемые методы, несомненно, найдут широкое применение в производстве конструкционных и функциональных полимерных композиционных материалов. Уменьшение массы изделия, вызванное улучшением его прочностных характеристик, является актуальной задачей энерго- и ресурсосбережения в промышленных масштабах.

Цель работы - разработка методов повышения физико-механических характеристик полимерных композиционных связующих путем модифицирования структурированным наноуглеродом; разработка соответствующих технологических процессов и их аппаратурного оформления. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

- проведение комплексного анализа современного состояния вопроса по методам и способам наноуглеродного модифицирования, выбора связующего и модифицирующих добавок, удовлетворяющих современным тенденциям и требованиям промышленности;

- теоретическое обоснование повышения физико-механических характеристик полимерных композиционных материалов (ПКМ) при их объёмном модифицировании многослойными углеродными нанотрубками (МУНТ);

- осуществить разработку методов введения, распределения и стабилизации наносотояния МУНТ в ПКМ с целью улучшения их характеристик;

- выполнить разработку структурной схемы процесса наноуглеродного модифицирования ПКМ, получение опытных образцов с улучшенными характеристиками; провести всестороннюю характеризацию физико-механических свойств наномодифицированного связующего и композитов на его основе;

- разработать необходимое аппаратурное оформление процессов наноуглеродного модифицирования.

Научная новизна

Впервые предложен и научно обоснован комплексный физико-химический метод воздействия на перерабатываемый материал, включающий механические процессы подготовки сырья и введение наноуглеродного наполнителя в вязкую полимерную матрицу, с целью улучшения её прочностных характеристик.

Разработана технология подготовки сырья при получении дисперсии с ультрамикрогетерогенными частицами углеродного наноматериала, основными стадиями которой являются: диспергирование в трехвалковой мельнице; ультразвуковое воздействие. Разработанная технология станет основой энерго- и ресурсосберегающего промышленного производства.

Из экспериментальных данных получены расчетные зависимости физико-механических свойств эпоксидной матрицы в зависимости от химического воздействия наноуглеродного материала и его модификаций.

Экспериментально изучен нестационарный процесс физического воздействия ультразвуком на суспензию, содержащую многостенные углеродные нанотрубки.

Предложен и теоретически обоснован способ улучшения физико-механических характеристик полимерных композиционных материалов на основе диановых эпоксидных смол за счёт объёмного модифицирования многослойными углеродными нанотрубками серии «Таунит».

Практическая значимость работы:

Показана и обоснована возможность промышленного производства, наномодифицированных полимерных композиционных материалов с улучшенными характеристиками.

Предложен метод введения, распределения и стабилизации дисперсий многослойных углеродных нанотрубок в связующем на основе диановых эпоксидных смол.

Экспериментально установлена требуемая массовая доля многослойных углеродных нанотрубок, вносимых в эпоксидное связующее, обеспечивающая значительное повышение физико-механических характеристик:

Получены и исследованы лабораторные образцы наномодифированного связующего и полимерных композиционных материалов с улучшенными характеристиками. Физико-механические характеристики (по отношению к изгибающим нагрузкам) связующего улучшились на 20-30%, предел прочности на сжатие и температура теплостойкости - на 70%, а разрушающая нагрузка стеклопластика на основе наномодифицированной эпоксидной смолы -в 2-3 раза. Удельное электросопротивление наномодифицированного эпоксидного связующего снизилось до величины 2,5 Омм, при наполнении многослойными углеродными нанотрубоками марки «ТАУНИТ-М» порядка 6% (мае.) , а его теплопроводность возросла в 2 раза, при наполнении 10% масс.

Модернизирована конструкция ультразвуковой ячейки для проведения непрерывного процесса диспергирования и распределения углеродного нанонаполнителя в эпоксидном связующем (пат. на ПМ № 2443470).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях, конкурсах и школах: II Международная практическая конференция «Прогрессивные технологии развития» (Тамбов, 2005 г.), Международный форум Кшпап^есЬ-2008 (Москва, 2008 г.), Всероссийская школа-семинар молодых ученых и преподавателей «Функциональные и конструкционные наноматериалы» (Белгород, 2008 г.), I Российский молодежный инновационный конвент (Москва, 2008 г.), II Всероссийский молодежный инновационный конвент (Санкт-Петербург, 2009 г.), IX Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи (Москва, 2009 г.), Международный форум Яизпапо1есЬ-2009 (Москва, 2009 г.), II Всероссийская школа-семинар для студентов, аспирантов, молодых ученых по направлению «Наноматериалы» (Рязань, 2009 г.), Научная конференция «Размерные эффекты в наноструктурах и проблемы нанотехнологий» (Тамбов, 2009 г.), Окружной инновационный конвент (Дубна 2009), II Всероссийская научно-инновационная молодежная конференция «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент» (г. Тамбов, 2010), III Всероссийская научно-инновационная молодежная конференция «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент» (г. Тамбов, 2011), XIX Международная научно-техническая конференция «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов» (г. Обнинск), Russian Innovate (г. Москва 2011), IV Всероссийский молодежный инновационный конвент (г. Москва 2011).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, получено 2 патента.

Работа выполнялась в соответствии с приоритетным направлением развития науки, технологий и техники Российской Федерации «Индустрия наносистем и материалов», исследования поддержаны в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.»), 1-ый год - Госконтракт № 7343р по проекту 10205 от 28 декабря 2009 года, 2-ой год - Госконтракт № 8680р по проекту 13989 от 14 января 2011 года, программа «СТАРТ» на 2013г.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Блохин, Александр Николаевич

Основные выводы и результаты работы:

Научно обосновано и экспериментально подтверждено решение задачи повышения физико-механических характеристик эпоксидного связующего за счет введения многослойных углеродных нанотрубок серии «Таунит-М»

Осуществлена разработка методов и режимов введения, распределения и стабилизации дисперсии в ПКМ с целью улучшения их характеристик.

Исследовано влияние выбранных технологических режимов на физико-механические характеристики конечного продукта: мощность ультразвукового воздействия 7-10 н/ (м2-с), время воздействия 300 сек.; число проходов 2, в зазоре между валками на трехвалковой мельнице 5-10~6 м.

Исследованы физико-механические характеристики наномодифицированного связующего и композитов на его основе, показано, что предел прочности на изгиб возрос на 20-30%, предел прочности на сжатие и теплостойкость - на 70%, разрушающая нагрузка стеклопластика на основе наномодифицированной эпоксидной смолы - в 2-3 раза. Удельное электросопротивление наномодифицированного эпоксидного связующего снизилось до 2,5 Ом*м, при наполнении 6% , а его теплопроводность возросла в 2 раза, при внесении 10% масс.

Разработана структурная схема процесса наноуглеродного модифицирования композиционных материалов многослойными углеродными нанотрубками, получены лабораторные образцы наномодифицированной эпоксидной матрицы и композитов на ее основе.

Предложена конструкция проточного ультразвукового устройства для обработки жидких сред мощностью 2 кВт для обработки эпоксидной матрицы.

Результаты диссертационной работы нашли свое применение, как в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет» (приложение 1), так и на промышленном предприятии ООО «НаноТехЦентр» (приложение 2).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Блохин, Александр Николаевич, 2012 год

1. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для высших технических заведений. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990 .—384 с

2. Тарнопольский Ю. М., Жигун И. Г., Поляков В. А. Пространственно-армированные композиционные материалы: Справочник. М.: Машиностроение, 1987 — 224 с.

3. Сидоренко Ю.Н. Конструкционные и функциональные волокнистые композиционные материалы: Конспект лекций / Ю.Н. Сидоренко Томск.: Томский государственный университет, 2004. - 92 с.

4. Пакен, A.M. Эпоксидные соединения и эпоксидные смолы / A.M. Пакен. Л. : Госхимиздат, 1962. -963 с

5. Липатов, Ю.С. Физическая химия наполненных полимеров. 2-е изд. / Ю.С. Липатов. -М. : Химия, 1977. - 304 с.

6. Соломатов, В.И. Полимерные композиционные материалы в строительстве / В.И. Соломатов, А.Н. Бобрышев, К.Г. Химмлер. М. : Стройиздат, 1988. - 312 с.

7. Абрамзон, A.A. Поверхностно-активные вещества. Свойства и применение / A.A. Абрамзон. Л. : Химия, 2006. - 246 с.

8. Барштейн, P.C. Пластификаторы для полимеров / P.C. Барштейн, В.И. Кириллович, Ю.Е. Носовский. -М. : Химия, 2002. 198 с.

9. Энциклопедия полимеров : в 3 т. / под ред. В.А. Кабанова. М. : Советская энциклопедия, 1977.

10. Старение и стабилизация полимеров / под ред. М.Б. Неймана. М. : Наука, 1987. - 129 с.

11. Кестельман, В.Н. Физические методы модификации полимерных материалов / В.Н. Кестельман. М. :Химия, 2002. - 224 с.

12. Алымов М.И., Зеленский В.А. Методы получения и физико-механические свойства объемных нанокристаллических материалов. М.: МИФИ, 2005. - 52 с.

13. Новые материалы. Под ред. Ю.С. Карабасова М.: МИСИС, 2002 - 736 с.

14. Таланов, В.М. Введение в химию и физику наноструктур и наноструктурированных материалов / В.М. Таланов, Г.П. Ерейская, Ю.И. Юзюк. М.: Академия естественных наук,2008.-389 с.

15. Фурсиков П.В.Каталитический синтез и свойства углеродных нановолокон и нанотрубок / П.В. Фурсиков, Б.П. Тарасов // ISJAEE. Т. 18 2004. Т. 18, - С. 24-40

16. Sager R. J., Klein P. J., Lagoudas D. C.2. et al. // Composites Sciense and Technology.2009. 69. P. 898—904.

17. Hsiao K.-T., Alms J.3. et al. // Nanotechiiology. 2003. 14. P. 791—793.

18. Romhany G., Szebeenyi G.4. // eXPRESS Polimer Letters. 2009. V. 3. N 3. P. 145—151.

19. Gorbatkina Yu. A., Ivanova-Mumjieva V. G.5. et al. // Mechanics of Composite Materials. 2007. V. 43. N 1. P. 1—8.

20. Мурадян В. E., Соколов E. A.6. и др. // Журнал технической физики. 2010. Т. 80. Вып. 2. С. 83—87.

21. DeVI. VO В., Guadagno L., Lambeerrttii P.7. et al. / Epoxy Nanocomposites. 978-1-4244-4108-2 / 09 / $25.00 ©2009 IEEE.

22. Ravi К. Challa, Darko Kajfez, Veysel Demir8. // Ieee microwave and wireless components letters. 2008. V. 18. N 3. P. 161—163.

23. Changshu Xiang, Yubai Pan, Xuejian Liu9. et al. // Applied physics letters. 2005. 87. 123103.

24. Huang Q., HollandandlO. Т. B. // Carbon nanotuberf absorbing materials Proceedings of SRF. Berlin, 2009. Germany THPP0036.

25. Hua Xu, Steven M.l 1. // Applied physics letters. 2007. 90 183119.

26. Hua Xu, Shixong Zhangl2. et al. // Physical review. B. 2008. 77. 075418.

27. Celeste M. C. Pereira, Paulo Nyvoal3. et al. // Composite Structures. 2010. 92. P. 2252—2257.

28. John Kathi, Kyong-Yop Rhee, Joong Нее Lee 14. // Composites. Part A. 2009. 40. P. 800—809.

29. Zdenkol5. pitalsky, Christoforos A. Krontira et al. // Composites. Part A. 2009. 40. P. 778—783.

30. Mohamed Abdalla, Derrick Deanlo. ei al. /V Polymer. 2010. 51. P. 1614—1620.

31. Arash Montazeri, Jafar Javadpourl7. et al. // Materials and Design. 2010. 31. P. 4202— 4208.

32. Martone A., Formicola C.18. et al. // Composites Science and Technology. 2010. 70. P. 1154—1160.

33. Chandrasekaran V. C. S., Advani S. G., 19. Santare M. H. // Carbon. 2010. 48. P. 3692—3699.

34. Chapartegui M., Markaide20. N. et al. // Composites Science and Technology. 2010. 70. P. 879—884.

35. Arash Montazeri, Alireza Khavandi21. et al. // Materials and Design. 2010. 31. P. 3383—3388.

36. Maria L. Auad, Mima A. Mosiewicki22. et al. // Composites Science and Technology. 2009. 69. P. 1088—1092.

37. Yang C., Wang D., Ни X., Zhang L.23. // J. Alloys. Compd. 2008. P. 448, 109.

38. Wichmarm H. G.24. et al. // Composites Science and Technology. 2005. 65. P. 2300— 2313.

39. Магсумова А. Ф.25. / Дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. 05.07.02, 05.17.06: Казань, 2005 216 с. РГБ ОД, 61:05—5 /3515.

40. Хозин В. Г.26. Усиление эпоксидных полимеров. Казань: Изд-во ПИК «Дом печати», 2004. 446 с.

41. Suia G., Zhonga W. Н.27. et al. // Materials Science and Engineering. A. 2009. 512. P. 139—142.

42. Шабетник, В. Д. Фрактальная физика. М ОАО «Тибр», 2000 - 234 с.

43. Люкшин, Б. А. Влияние свойств межфазного слоя на напряженно-деформированное состояние полимерного композита в окрестности включения / Б. А. Люкшин, П. А. Люкшин // Механика композитных материалов. 1998. № 2. - с. 52 - 57.

44. Кунин, И.А. Теория упругих сред с микроструктурой. -М.: Наука, 1975. -415 с.

45. Иванова, B.C. Синергетика и фракталы в материаловедении.// В.С.Иванова,, А.С. Баланкин, И.Ж. Бунин М.: Наука, 1994.

46. Мошев, В.В. Структурные механизмы формирования механических свойств зернистых полимерных композитов./ В.В. Мошев, А.Л. Свистков, O.K. Гаришин и д.р.

47. Екатеринбург: УрО РАН, 1997. 5-8,14-19,48-57с

48. Бартенев, Г. М. Прочность и механизм разрушения полимеров. -М.: Химия, 1984.-280 с.

49. Соколкин, Ю.В., Механика деформирования и разрушения структурно-неоднородных тел./ Ю.В. Соколкин, A.A. Ташкинов- М.: Наука, 1984. 115 с.

50. Ленг, Ф.Ф. Разрушение композитов с дисперсными частицами в хрупкой матрице // Кн. Композиционные материалы. Т. 5. Разрушение и усталость. -М., 1978.-С. 21-5.7.

51. Свистков, А.Л. Влияние поверхностных слоев вокруг включений на микроструктурные напряжения композиционного материала // Структурная механика композиционных материалов. Свердловск, 1983. -С. 77-81.

52. Нарисава, Н. Прочность полимерных материалов. М.: Химия, 1987. -360 с.

53. Ю.Вахтинская, Т.Н. Ударопрочные материалы на основе смесей полимеров // Т.Н. Вахтинская, Т.Н. Андреева, A.C. Кал еров и др./ Пласт, массы. 1990. №3.-С. 51-53.

54. Бакнелл, К.Б. Ударопрочные пластики. -Л., 1981. -327 с.

55. Свистков, А.Л. Моделирование разрушения эластомера с твердым наполнителем зернистого типа с учетом характерных размероввключений // Высокомолек. соединения. Сер. А., 1994. Т. 33., № 36. - С.412-418.

56. Кривободров, B.C. Начальные стадии эволюции микротрещин // B.C. Кривободров, А.Н. Орлов / Журн. техн. физики. 1985. - Т. 55, вып. 8. - С.42

57. Новиков, В. У. Фрактальный подход к межфазному слою в наполненных полимерах / В. У. Новиков, Г. В. Козлов, О. Ю. // Механика композитных материалов. 2000. т.36, №1. -с.3-32.

58. Рогалев, A.B. Геометрический синтез случайных структур в наполненных полимерах /

59. A.B. Рогалев, Е.С. Ананьева, В.Б. Маркин // Труды международной научно-технической конференции «Композиты в народное хозяйство», АлтГТУ - Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2005,стр. 183-194

60. Люкшин, Б. А. Влияние свойств межфазного слоя на напряженно-деформированное состояние полимерного композита в окрестности включения / Б. А. Люкшин, П. А. Люкшин // Механика композитных материалов. 1998. № 2. - с. 52 - 57.

61. Бартенев, Г. М. Физика полимеров / Г. М. Бартенев, С. Я. Френкель / Под ред. А. М. Ельяшевича. Л.: Химия, 1990. - 432 с.

62. Гуняев, Г. М. Технология и эффективность модифицирования углепластиков углеродными наночастицами / Г. М. Гуняев, С. И. Ильченко, О. А. Комарова, И. С. Деев,

63. B. М. Алексашин // Конструкции из композиционных материалов. 2004. №4. - с. 77 - 7963. http://www.nanotc.ru/

64. ГОСТ 10587-84. Смолы неотвержденные эпоксидно-диановые; введ. 01.01.85. М.: Изд-во стандартов, 1988. 4 с.

65. ВА ИНСТАЛТ. Анализатор частиц «Микросайзер 201А и 201С»: описание программы "Microsizer" Версия 8.0 , 2007.66. http://www.fritsch.de67. http://www.euro-test.ru68. www.exakt.de

66. А. В. Васильев, Е. В. Гриненко, А. О. Щукин, Т. Г. Федулина. Инфракрасная спектроскопия органических и природных соединений: Учебное пособие. СПб: СПбГЛТА, 2007, 54 с.

67. Браун Д., Флойд А., Сейзнбери М. Спектроскопия органических веществ: Пер. с англ.М.: Мир, 1992,-300с.ил.71. http://www. Webmath,ru72. http://www.diclib.com