Наномодифицированные композиты с улучшенным комплексом свойств
Партнеры
Проблема
В современной науке есть "материальный барьер": современные искусственные и синтезированные материалы не удовлетворяют возрастающим потребностям, изучение и создание новых веществ занимают все больше времени, а природные ресурсы конечны
Актуальность
Современное развитие науки и техники обуславливает использование новых материалов с улучшенными свойствами, чем у имеющихся сейчас. Наш проект может удовлетворить потребности множества сфер: от космической до морской
ГИПОТЕЗА
Из стекло-, углеволокна и эпоксидной смолы, модифицированной графенами, можно создать композиционный материал с более высокой прочностью, чем без наномодификаторов, а за счет увеличения прочности возможно сократить количество армирующих слоев в полимерном композиционном материале, что приведет к снижению веса конструкции и экономии финансовых ресурсов
Наш проект посвящен созданию и исследованию свойств наномодифицированных композитов с улучшенным комплексом свойств с добавлением графена.
Материалами и объектами исследования стали: углеродный ровинг, волокна из свервысокомолекулярного полиэтилена, арамидное и стеклянное волокна, а также наночастицы графена и углеродные нанотрубки. В качестве полимерного связующего мы использовали эпоксидную смолу
Материалами и объектами исследования стали: углеродный ровинг, волокна из свервысокомолекулярного полиэтилена, арамидное и стеклянное волокна, а также наночастицы графена и углеродные нанотрубки. В качестве полимерного связующего мы использовали эпоксидную смолу
Проведен ряд экспериментов, посвященных химической подготовке графенов и их введению в полимерное связующее, исследовано влияние способа обработки графенов на размер получаемых частиц. Полученные диспергированные графены изучены с помощью сканирующей электронной микроскопии.
С помощью оптического микроскопа оценена равномерность распределение графенов в эпоксидном связующем. Замечено, что у термообработанных графенов, предварительно диспергированных в ультразвуке и введенных в связующее с повторной ультразвуковой обработкой – размер агломератов существенно меньше, чем у прочих образцов.
*ЛОС - легколетучее органическое соединение (например, ацетон).
*ЛОС - легколетучее органическое соединение (например, ацетон).
Исследование методом капиллярного подъема влияния графенов на способность связующего смачивать различные типы волокон показало, что добавление наночастиц не изменяет смачиваемость углеродного волокна и на ~ 50% увеличивает ее у синтетических волокон.
Исследование хемостойкости матрицы к органическим и неорганическим растворителям показало, что добавление графенов не изменяют гидро- и лиофобность образцов и незначительно увеличивает хемостойкость к ацетону и к концентрированной соляной кислоте
После подбора наиболее подходящего способа предварительной обработки графенов и метода их введения в полимерное связующее были изготовлены ручным формированием образцы непрерывно-армированных полимерных наномодифицированных композитов.
Готовые композиты были сломаны после заморозки в жидком азоте, а получившиеся сколы - изучены на сканирующем электронном микроскопе. На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что модифицированная 1 масс. % смола проявляет наилучшую адгезию.
Исследования разрывной прочности и твердости показали, что добавление графенов в полимерное связующее повышает оба показателя на ~ 20%. Было замечено, что после введения графенов в количестве более 1 % увеличение прочности не столь велико. Поэтому рекомендованная концентрация графенов составляет 1%
По итогам работы составлена технико-экономическая оценка проекта.
Удельная прочность возрастает при введении графенов, а стоимость единицы прочности снижается. Благодаря этому возможно снижение количества армирующих слоев в модельном образце углепластика. Уменьшение количества слоев даже на один, позволяет снизить вес и толщину композита с наночастицами на 5%, а стоимость на 4%, чем в исходном 20-слойном углепластике.
Удельная прочность возрастает при введении графенов, а стоимость единицы прочности снижается. Благодаря этому возможно снижение количества армирующих слоев в модельном образце углепластика. Уменьшение количества слоев даже на один, позволяет снизить вес и толщину композита с наночастицами на 5%, а стоимость на 4%, чем в исходном 20-слойном углепластике.
Результаты работы
Подобран эффективный способ обработки графенов перед введением в полимерное связующие: термообработка при 300°С с последующей ультразвуковой диспергацией в ацетоне в течение 7 часов
Установлено, что введение графенов значительно улучшает смачиваемость связующим синтетических волокон
Показано, что введение графенов в полимерную матрицу в количестве 0,5-1,5 масс.% - не оказывает влияния на кинетику отверждения связующего и на его плотность, гидрофобность и лиофобность, но не значительно улучшает хемостойкость
Исследовано влияние концентрации графенов на адгезию полимерного связующего к волокнистому наполнителю: наибольшая адгезия достигается при 1 масс. % графенов
Изучены физико-механические характеристики композитов: с увеличением концентрации графенов - прочность увеличивается ~ 20%, однако, после введения более 1 масс.% графенов, увеличение не так явно.
Предложена технология изготовления полимерных наномодифицированных композитов с содержанием графенов 0,5-1,5 масс. %
Подготовлено технико-экономическое обоснование применения наномодифицированных композитов. Показано, что использование наномодифицированного связующего позволит снизить вес конструкции, что дает увеличение полезного объема и полезной массы, так необходимых для авиастроения и космического машиностроения
Работа над проектом
Планы дальнейшей работы
Планируется провести более углубленные исследования физико-механических характеристик, в том числе устойчивость полученных материалов к вибрационным воздействиям
Провести аналогичный комплекс исследований с полимерными композитами на основе других связующих (полиимидных, винилэфирных, фенолформальдегидных)
Команда проекта
- Твердохлеб Артемхимик-технолог
- Нестеров Никитахимик-исследователь
- Латышев ВадимХимик-технолог
- Фомина ДарьяХимик-исследователь
Наставники
- Наталья Сергеевна
- Ольга Игоревна
- Вадим Владимирович
