Технологию улучшения свойств смол для авиации и судостроения разработали в ПНИПУ

Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ, Пермский Политех) впервые разработали технологию совместного применения модификаторов для эпоксидных смол, которая открывает возможность широкого использования таких составов в авиации, судостроении и автомобилестроении, сообщается в пресс-релизе ПНИПУ.

Эпоксидные смолы широко применяются в промышленности для создания прочных и долговечных композитов различного назначения. 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 смолы гражданского назначения нельзя задействовать в ответственных промышленных конструкциях (корпусах самолетов или лопастях генераторов), так как имеют низкую прочность и износостойкость и требуют применения специальных модификаторов.

Однако 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, 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».