Статьи

 




dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2019-0-11-37-43
УДК 678.8
А. В. Коваленко, Н. К. Сидельников, И. И. Соколов, К. О. Тундайкин
СФЕРОПЛАСТИК С РЕГУЛИРУЕМОЙ ВЯЗКОСТЬЮ ДЛЯ ЗАПОЛНЕНИЯ УЧАСТКОВ СОТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Проведены исследования, направленные на получение заполнителя-сферопластика с регулируемой вязкостью для заполнения участков многослойных сотовых конструкцийна основе эпоксидного олигомера, совместимого по химической природе и режимам переработки с материалами обшивки из полимерных композиционных материалов. Исследованы реологические характеристики полимерной основы сферопластика в зависимости от содержания модифицирующей добавки – толуилендиизоцианата. Установлено влияние содержания и характеристик дисперсных наполнителей на реологические и физико-механические свойства сферопластика. Показано, что разработанные материалы соответствуют по уровню свойств зарубежным материалам-аналогам.


Введение

Применение полимерных материалов в авиастроении обусловлено их низкой плотностью, сохранением высоких механических и специальных характеристик в различных условиях эксплуатации, вариабельностью состава и строения, что позволило расширить диапазон технических свойств. Существенный вклад в области полимерных материалов внесли работы ФГУП «ВИАМ» [1–4].

Перед современной авиационной промышленностью стоят важные задачи по повышению качества изготовления конструкций изделий авиационной техники, улучшению их эксплуатационных характеристик, а также повышению их весовой эффективности [5].

В настоящее время эффективным методом снижения массы авиационных изделий является замена традиционных конструкций сотовыми. При этом возникает необходимость упрочнения сотовых конструкций, установки в них различного крепежа и т. п. Широкое распространение получило заполнение полостей и торцов сотовых конструкций, крепления закладных элементов (втулок, фитингов и др.) полимерными сферопластиками [6]. Сферопластики – легкие полимерные композиции на основе, как правило, эпоксидных или фенольных связующих, где в роли основного наполнителя используются полые микросферы (в основном стеклянные). В составе сферопластиков используют также целевые добавки – высокодисперсные порошкообразные наполнители, пигменты, антипирены и т. п. [7].

Разработкой и производством полимерных сферопластиков для авиастроения занимаются как в России, так и за рубежом. Композиции сферопластиков отверждаются либо при комнатной, либо при повышенных температурах и отличаются по ряду физико-механических и специальных свойств.

Сферопластик, помимо обеспечения процесса соединения элементов сотовых конструкций, участвует в восприятии и передаче действующих нагрузок, сохраняя заданный уровень прочности и долговечности соединения [8, 9].

Широкие перспективы открывает использование полимерных сферопластиков на основе новых высокопрочных связующих в составе многослойных конструкций с обшивками из угле- или стеклопластика, обладающих высоким уровнем физико-механических, диэлектрических и теплофизических характеристик в различных условиях эксплуатации, в том числе при воздействии высоких температур и в условиях повышенной влажности [10–12].

Все большее распространение приобретает технология совмещенного формования обшивок из полимерных композиционных материалов (ПКМ) с сотовым заполнителем со сферопластиком за один технологический цикл, что позволяет существенно повысить энергоэффективность и снизить трудоемкость процесса изготовления конструкций [12].

В зависимости от конкретных особенностей конструкций требуется применение сферопластика с регулируемыми характеристиками. В связи с этим возникает необходимость разработки новых сферопластиков с повышенным комплексом технологических и физико-механических характеристик, регулируемых с учетом конкретных особенностей применения.

Анализ отечественных сферопластиков показал, что существует необходимость создания материала, который будет обладать комплексом заданных технологических и физико-механических свойств, обеспечивать высокую энергоэффективность и низкую трудоемкость процесса изготовления, возможность регулирования реологических свойств материала, совместимость по режимам переработки с препрегами ПКМ [13, 14] и не уступать по своим характеристикам применяемым зарубежным аналогам.

Во ФГУП «ВИАМ» разработан полимерный сферопластик марки ВПЗ-21 с регулируемой вязкостью, совместимый по химической природе и режимам переработки с материалами обшивки из ПКМ [15] для заполнения участков многослойных сотовых конструкций – например, конструкций механизации крыла самолета.

 

Материалы и методы

Для изготовления сферопластика применяли следующие компоненты: эпоксидный олигомер – полимерная основа сферопластика; толуилендиизоцианат (ТДИ) и изофорондиамин – для придания полимерной основе требуемых реологических параметров; отвердитель – дициандиамид (ДЦДА); катализатор; дисперсные наполнители: полые стеклянные микросферы и аэросил для получения сферопластика с регулируемыми реологическими и физико-механическими характеристиками.

Результаты и обсуждение

Исследованы реологические свойства эпоксидного олигомера в зависимости от температуры синтеза, содержания ТДИ и температуры определения показателей вязкости (табл. 1).

 

Таблица 1

Зависимость вязкости эпоксидного олигомера от содержания

толуилендиизоцианата (ТДИ)

Содержание ТДИ,

%

Температура синтеза, °С

Вязкость, Па·с, при температуре, °С

60

70

100

6

120

7,2

2,8

0,8

6,5

120

29,5

8,9

0,8

7

120

36,1

11,3

0,9

7,5

120

41,9

11,9

1,1

8

120

48,7

12,3

1,2

 

Установлено, что при температуре проведения синтеза 120°С и увеличении содержания ТДИ с 6 до 8% (по массе) вязкость связующего при 60 и 70°С увеличивается, при повышении температуры определения вязкости до 100°С показатели вязкости
становятся близкими по значению.

Поскольку одними из основных задач при изготовлении сферопластика являются повышение энергоэффективности и снижение трудоемкости процесса его производства, определены оптимальные параметры изготовления полимерной основы, установленные в ходе исследования, – температура синтеза связующего 120°С, содержание ТДИ в количестве 6% (по массе). Полученные результаты позволяют добиться необходимых реологических характеристик при динамическом нагревании полимерной основы (вязкость ˂5 Па·с), что обеспечивает возможность дальнейшего введения необходимого количества дисперсных наполнителей.

Сферопластик с регулируемой вязкостью можно получить путем варьирования в его составе содержания дисперсного наполнителя аэросила (неорганического модификатора реологических характеристик). Данный наполнитель позволяет получить композицию с требуемыми свойствами различной консистенции: заливочный и пастообразный (табл. 2).

 

Таблица 2

Зависимость вязкости сферопластика от концентрации аэросила

Свойства

Значения свойств сферопластика с наполнителем

тип 1 (заливочный)

тип 2 (пастообразный)

Плотность, г/см3

0,70

0,67

Вязкость при 25°С, Па·с

70 (содержание аэросила 1%)

1200 (содержание аэросила 5%)

 

В результате проведенных исследований установлено, что условным переходом от вязкотекучего в пастообразное состояние сферопластика является вязкость ~600 Па.с при 25°C.

В качестве дисперсного наполнителя использованы полые стеклянные микросферы. Применение полых стеклянных микросфер обусловлено их доступностью и комплексом высоких физико-механических свойств. С помощью данного наполнителя также возможно регулирование реологических параметров сферопластика (табл. 3) [16].

Таблица 3

Свойства сферопластика с различным содержанием полых стеклянных микросфер

Условный номер образца

Состав сферопластика, %

Вязкость

при 80°С, Па·с

Плот-ность, г/см3

Прочность при сжатии,

МПа

Температура стеклования, °С

связующее

сферы

стеклянные

1

90

10

183

0,86

63,7

138,5

2

80

20

385

0,63

54,0

139,3

3

75

25

1430

0,50

50,4

138,9

 

Исследование свойств образцов сферопластика показало, что вязкость сферопластика можно регулировать в зависимости от содержания в его составе микросфер – изменение вязкости в диапазоне от 183 до 1430 Па·с. Увеличение содержания микросфер с 10 до 25% (по массе) приводит к значительному уменьшению плотности материала – с 0,86 до 0,50 г/см3, при одновременном уменьшении значений прочностных характеристик при сжатии с 63,7 до 50,4 МПа.

Экспериментальным путем установлено, что использование системы содержащей 20–25% стеклянных микросфер и аэросила до 5% (по массе), позволяет получить сферопластик с регулируемой вязкостью, низкой плотностью и высокими прочностными характеристиками.

В данной работе проводили исследования реологических и термомеханических свойств сферопластика в зависимости от температуры и продолжительности синтеза (табл. 4).

 

Таблица 4

Реологические и термомеханические свойства сферопластика

Условный

номер образца

Температура

синтеза, °С

Продолжительность

синтеза, мин

Вязкость сферопластика

при 80°С, Па·с

Температура стеклования сферопластика, °С

1

70

30

390

139,2

2

80

30

382

137,8

4

90

30

385

139,3

6

100

30

890

137,6

 

Установлено, что, при температуре смешения компонентов сферопластика до 90°С, температура и продолжительность синтеза не оказывают существенного влияния на вязкость сферопластика и его температуру стеклования (137–139°С), так как происходит физико-химический процесс гомогенизации компонентов без протекания химической реакции в массе. Изготовление сферопластика при температуре 100°С приводит к значительному увеличению вязкости системы (890 Па·с), что значительно усложняет процесс его изготовления. При температуре 90°С смешение компонентов происходит при меньших нагрузках на оборудование вследствие более низкой вязкости композиции.

С целью оптимизации характеристик материала произведена замена толуолдиизоцианата на циклоалифатический амин (изофорондиамин), что позволило не только увеличить срок хранения готового сферопластика, но и существенно повысить прочность при сжатии отвержденного сферопластика (табл. 5).

В результате проведенной работы осуществлен выбор параметров и определены соотношения компонентов заполнителя-сферопластика марки ВПЗ-21. Разработанный сферопластик представляет собой двухкомпонентную систему: эпоксидная основа и отверждающая система; изготавливается двух типов: заливочный и пастообразный.

Таблица 5

Сравнение свойств сферопластиков, изготовленных с применением

изофорондиамина и толуолдиизоцианата

Свойства

Значения свойств для сферопластика с применением

изофорондиамина

толуолдиизоцианата

тип 1

(заливочный)

тип 2

(пастообразный)

тип 1

(заливочный)

тип 2

(пастообразный)

Плотность, г/см3

0,65

0,62

0,70

0,67

Прочность при сжатии при температуре 20°С, МПа

82

71

65

54

Температура стеклования отвержденного сферопластика, °C

134

133

139

137

 

Физико-механические свойства сферопластика марки ВПЗ-21 представлены в табл. 6.

 

Таблица 6

Физико-механические свойства сферопластика марки ВПЗ-21

в сравнении с зарубежными аналогами

Свойства

Значения свойств сферопластика

марки ВПЗ-21

фирмы Huntsman марки

тип 1

(заливочный)

тип 2

(пастообразный)

Epocast

1656-A/B

Epocast

1661

Температура отверждения сферопластика, °C

130

130

120

180

Плотность, г/см3

0,64–0,65

0,61–0,63

0,80

0,60

Прочность при сжатии

при 20°С, МПа

74–84

67–76

55

60

 

Сферопластик марки ВПЗ-21 применен при изготовлении конструктивно-подобного образца многослойной (сотовой) конструкции (рис. 1) с заполнителем АМг2-Н-2.5-30, обшивками на основе препрега углепластика марки ВКУ-45/UMT-3К.РТН и препрега стеклопластика марки ВПС-53/120. Совмещение обшивок из ПКМ и сотового заполнителя проводили с использованием клея на основе клеевого связующего марки ВСК-48 (рис. 2) [17, 18].

 

 

 

Рис. 1. Схема изготовления конструктивно-подобных образцов многослойных (сотовых) конструкций из ПКМ, заполненных сферопластиком марки ВПЗ-21

 

Рис. 2. Образец сотовой конструкции со сферопластиком

 

Установлено, что при изготовлении конструктивно-подобных образцов наблюдается однородность заполнения сот сферопластиком ВПЗ-21. Прочность при сжатии образцов, вырезанных из конструктивно-подобных образцов, составила:

– 24 МПа (среднее значение) – для незаполненных участков;

– 115 МПа (среднее значение) – для участков, заполненных сферопластиком.

 

Заключения

1. Установлено, что температура синтеза 120°С, содержание ТДИ в количестве 6% (по массе) и вязкость полимерной основы сферопластика до 5 Па·с в диапазоне температур 70–100°С позволяют получить требуемые реологические характеристики полимерной основы сферопластика для введения дисперсных наполнителей.

2. Установлена зависимость вязкости сферопластика от содержания высокодисперсного наполнителя – аэросила, которое варьируется от 1 (для заливочного сферопластика) до 5% (по массе) – для пастообразного сферопластика.

3. Установлено, что содержание полых стеклянных микросфер 10–25% (по массе) в системе позволяет получить сферопластик с регулируемой вязкостью – от 183 до 1430 Па·с, плотностью 0,86–0,50 г/см3 и прочностью при сжатии 63,7–50,4 МПа.

4. Разработан состав и технология изготовления сферопластика марки ВПЗ-21 с регулируемой вязкостью для совместного формования с препрегами ПКМ разработки ФГУП «ВИАМ», предназначенный для заполнения участков многослойных сотовых конструкций изделий авиационной техники.


ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. Каблов Е.Н. Композиты: сегодня и завтра // Металлы Евразии. 2015. №1. С. 36–39.
2. Каблов Е.Н. Из чего сделать будущее? Материалы нового поколения, технологии их создания и переработки – основа инноваций // Крылья Родины. 2016. №5. С. 8–18.
3. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
4. Каблов Е.Н. Материалы – основа любого дела // Деловая слава России. 2013. №2. С. 4–9.
5. Костюков В.И. Применение конструкционных пластмасс в производстве летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1971. С. 192–196.
6. Захаров А.Г., Аношкин А.Н., Копьев В.Ф. Исследование новых видов заполнителей из полимерных композиционных материалов для многослойных звукопоглощающих конструкций // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Сер.: Аэрокосмическая техника. 2017. №51. С. 95–103.
7. Костюков В.И. Стеклопластики на основе капиллярных стеклянных волокон и микросфер // Авиационные материалы на рубеже ХХ–ХХI веков. М.: ВИАМ, 1994. С. 197–203.
8. Павлюк Б.Ф. Основные направления в области разработки полимерных функциональных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2017. №S. С. 388–392. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-388-392.
9. Петрова А.П., Мухаметов Р.Р., Шишимиров М.В., Павлюк Б.Ф., Старостина И.В. Методы испытаний и исследований термореактивных связующих для полимерных композиционных материалов (обзор) // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2018. №12 (72). Ст. 07. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 25.03.2019). DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-12-62-70.
10. Соколов И.И. Сферопластики на основе термореактивных связующих для изделий авиационной техники: дис. …канд. техн. наук. М., 2013. 127 с.
11. Кириллов В.Н., Вапиров Ю.М., Дрозд Е.А. Исследование атмосферной стойкости полимерных композиционных материалов в условиях атмосферы теплого влажного и умеренно теплого климата // Авиационные материалы и технологии. 2012. №4. С. 31–38.
12. Соколов И.И., Минаков В.Т. Сферопластики авиационного назначения на основе эпоксидных клеев и дисперсных наполнителей // Клеи. Герметики. Технологии. 2012. №5. С. 22–26.
13. Соколов И.И., Коган Д.И., Раскутин А.Е., Бабин А.Н., Филатов А.А., Морозов Б.Б. Многослойные конструкции со сферопластиком для изделий авиационной техники // Конструкции из композиционных материалов. 2014. №1 (133). С. 37–42.
14. Берлин А.А., Шутов Ф.А. Упрочненные газонаполненные пластмассы. Синтактные пенопласты. М.: Химия, 1980. С. 158–215.
15. Панин В.Ф., Гладких Ю.А. Конструкции с заполнителем: справочник. М.: Машиностроение, 1991. 272 с.
16. Куцевич К.Е., Тюменева Т.Ю., Петрова А.П. Влияние наполнителей на свойства клеевых препрегов и ПКМ на их основе // Авиационные материалы и технологии. 2017. №4 (49). С. 51–55. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-4-51-55.
17. Симонов-Емельянов И.Д., Трофимов А.Н., Соколов В.И., Зарубина А.Ю., Синегаева С.И., Трофимов Д.А. Обобщенные параметры структуры и реологические свойства дисперсно-наполненных эпоксидных олигомеров с инактивным растворителем // Клеи. Герметики. Технологии. 2018. №5. С. 11–17.
18. Петрова А.П., Малышева Г.В. Клеи, клеевые связующие и клеевые препреги / под ред. Е.Н. Каблова. М.: ВИАМ, 2017. 472 с.
1. Kablov E.N. Kompozity: segodnya i zavtra [Composites: today and tomorrow] // Metally Evrazii. 2015. №1. S. 36–39.
2. Kablov E.N. Iz chego sdelat budushcheye? Materialy novogo pokoleniya, tekhnologii ikh sozdaniya i pererabotki – osnova innovatsiy [What to make the future of? Materials of a new generation, technologies for their creation and processing – the basis of innovation] // Krylya Rodiny. 2016. №5. S. 8–18.
3. Kablov E.N. Innovacionnye razrabotki FGUP «VIAM» GNC RF po realizacii «Strategicheskih napravlenij razvitiya materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda» [Innovative developments of FSUE «VIAM» SSC of RF on realization of «Strategic directions of the development of materials and technologies of their processing for the period until 2030»] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2015. №1 (34). S. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
4. Kablov E.N. Materialy – osnova lyubogo dela [Materials are the basis of any business] // Delovaya slava Rossii. 2013. №2. S. 4–9.
5. Kostyukov V.I. Primeneniye konstruktsionnykh plastmass v proizvodstve letatelnykh apparatov [The use of structural plastics in the manufacture of aircraft]. M.: Mashinostroyeniye, 1971. S. 192–196.
6. Zakharov A.G., Anoshkin A.N., Kop'v V.F. Issledovaniye novykh vidov zapolniteley iz polimernykh kompozitsionnykh materialov dlya mnogosloynykh zvukopogloshchayushchikh konstruktsiy [The study of new types of aggregates made of polymer composite materials for multilayer sound-absorbing structures] // Vestnik Permskogo natsionalnogo issledovatelskogo politekhnicheskogo universiteta. Ser.: Aerokosmicheskaya tekhnika. 2017. №51. S. 95–103.
7. Kostyukov V.I. Stekloplastiki na osnove kapillyarnykh steklyannykh volokon i mikrosfer [Fiberglass based on capillary glass fibers and microspheres] // Aviatsionnyye materialy na rubezhe XX–XXI vekov. M.: VIAM, 1994. S. 197–203.
8. Pavlyuk B.Ph. Osnovnye napravleniya v oblasti razrabotki polimernyh funktsionalnyh materialov [The main directions in the field of development of polymeric functional materials] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2017. №S. S. 388–392. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-388-392.
9. Petrova A.P., Mukhametov R.R., Shishimirov M.V., Pavlyuk B.Ph., Starostina I.V. Metody ispytaniy i issledovaniy termoreaktivnykh svyazuyushchikh dlya polimernykh kompozitsionnykh materialov (obzor) [Test methods and researches thermosetting binding for polymeric composite materials (review)] // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tekhnich. zhurnal. 2018. №12 (72). St. 07. Available at: http://viam-works.ru (accessed: March 25, 2019). DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-12-62-70.
10. Sokolov I.I. Sferoplastiki na osnove termoreaktivnykh svyazuyushchikh dlya izdeliy aviatsionnoy tekhniki: dis. …kand. tekhn. nauk [Spheroplastics based on thermosetting binders for aircraft products: thesis, Cand. Sc. (Tech.)]. M., 2013. 127 s.
11. Kirillov V.N., Vapirov Yu.M., Drozd E.A. Issledovanie atmosfernoj stojkosti polimernyh kompozicionnyh materialov v usloviyah atmosfery teplogo vlazhnogo i umerenno teplogo klimata [Research of atmospheric firmness of polymeric composite materials in the conditions of the atmosphere of warm wet and moderately warm climate] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №4. S. 31–38.
12. Sokolov I.I., Minakov V.T. Sferoplastiki aviatsionnogo naznacheniya na osnove epoksidnykh kleyev i dispersnykh napolniteley [Spheroplastics for aviation purposes based on epoxy adhesives and dispersed fillers] // Klei. Germetiki. Tekhnologii. 2012. №5. S. 22–26.
13. Sokolov I.I., Kogan D.I., Raskutin A.E., Babin A.N., Filatov A.A., Morozov B.B. Mnogosloynyye konstruktsii so sferoplastikom dlya izdeliy aviatsionnoy tekhniki [Multilayer structures with spheroplastics for aircraft products] // Konstruktsii iz kompozitsionnykh materialov. 2014. №1 (133). S. 37–42.
14. Berlin A.A., Shutov F.A. Uprochnennyye gazonapolnennyye plastmassy. Sintaktnye penoplasty [Hardened gas-filled plastics. Syntactic foams]. M.: Khimiya, 1980. S. 158–215.
15. Panin V.F., Gladkikh Yu.A. Konstruktsii s zapolnitelem: spravochnik [Constructions with a placeholder: reference]. M.: Mashinostroyeniye, 1991. 272 s.
16. Kutsevich K.E., Tyumeneva T.Yu., Petrova A.P. Vliyaniye napolniteley na svoystva kleyevykh prepregov i PKM na ikh osnove [Influence of fillers on properties of adhesive prepregs and PCM on their basis] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2017. №4 (49). S. 51–55. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-4-51-55.
17. Simonov-Emelyanov I.D., Trofimov A.N., Sokolov V.I., Zarubina A.Yu., Sinegayeva S.I., Trofimov D.A. Obobshchennyye parametry struktury i reologicheskiye svoystva dispersno-napolnennykh epoksidnykh oligomerov s inaktivnym rastvoritelem [Generalized structural parameters and rheological properties of dispersively-filled epoxy oligomers with an inactive solvent] // Klei. Germetiki. Tekhnologii. 2018. №5. S. 11–17.
18. Petrova A.P., Malysheva G.V. Klei, kleyevyye svyazuyushchiye i kleyevyye prepregi / pod red. E.N. Kablova. [Glues, adhesive binders and adhesive prepregs / ed. E.N. Kablov] M.: VIAM, 2017. 472 s.
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.