Розробка багатофункціональних епоксидних нанокомпозитів з поліпшеними діелектричними властивостями для підвищення експлуатаційних характеристик транспортних засобів

Abstract

Сметанкін С.О. «Розробка багатофункціональних епоксидних нанокомпозитів з поліпшеними діелектричними властивостями для підвищення експлуатаційних характеристик транспортних засобів». – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 – матеріалознавство. – Херсонська державна морська академія, Міністерство освіти і науки України, Херсон, 2020. У дисертації вирішена науково-технічна задача, яка полягає у збільшенні ресурсу роботи технологічного устаткування за рахунок використання розроблених багатофункціональних епоксидних нанокомпозитів з поліпшеними діелектричними властивостями, а також у встановленні закономірностей взаємозв’язку фізико-механічних та теплофізичних властивостей зі структурою матеріалів, яку регулюють прогнозованим введенням у зв’язувач модифікатора 4,4 – сульфонілбіс (4,1 – фенілен) біс (N, N – диетилдитіокарбамату) та нанодисперсної сажі CARBON BLACK марки PowCarbon 2419G за оптимального вмісту. Актуальність даного напрямку досліджень зумовлена тим, що на сьогодні особливу увагу приділяють вивченню наноструктурних полімерних матеріалів, як найбільш перспективних багатофункціональних композитів. Причиною цьому слугує те, що при переході від мікро- до нанорозмірних часток композитні матеріали набувають нових характеристик, які не досяжні при використанні мікрочасток. Тому, введення нанодисперсних наповнювачів разом із модифікаторами дозволяє ефективно та спрямовано формувати функціональні полімерні композити з наперед заданими фізико-механічними, теплофізичними й діелектричними властивостями. Виходячи з цього, розроблення модифікованих епоксидних композитів шляхом введення нанодисперсного наповнювача обраної фізико-хімічної природи обумовлене актуальністю їх застосування. При цьому, використання таких матеріалів передбачає збільшення ресурсу роботи деталей та механізмів засобів транспорту, що дозволяє знизити затрати на їх виготовлення та ремонт. Мета дисертаційної роботи – встановити основні закономірності формування модифікованих і наповнених нанодисперсним технічним вуглецем (сажею) епоксидних багатофункціональних композитів з підвищеними експлуатаційними та діелектричними властивостями та видати рекомендації щодо створення на їх основі покриттів для захисту деталей транспортних засобів. У вступі показано сучасний стан проблеми, обґрунтовано актуальність вибору теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та завдання досліджень, наведено наукову новизну й практичне значення отриманих результатів. У першому розділі розглянуто та наведено необхідні експлуатаційні й технологічні характеристики, якими мають відзначатися полімерні зв’язувачі (матриця), що використовують при виготовленні захисних покриттів багатофункціонального призначення. Проведено аналіз існуючих полімерних матриць різної природи та складу. При цьому встановлено, що раціональним при формуванні багатофункціональних покриттів з поліпшеними діелектричними властивостями є використання реактопластичного зв’язувача на основі епоксидно-діанової смоли ЕД - 20 та твердника ПЕПА. Такий вибір компонентів для олігомерного зв’язувача обумовлений унікальними їх характеристиками, відносно незначною вартістю сировини і розвиненою базою в межах України. Проаналізовано основні напрямки підвищення експлуатаційних характеристик матеріалів шляхом хімічної, фізичної та фізико-хімічної модифікації епоксидного зв’язувача, що дозволяє суттєво впливати на структуру композитів та змінювати їх властивості. Обґрунтовано вибір модифікатора та нанонаповнювача для формування композитних матеріалів з поліпшеними діелектричними властивостями. У другому розділі описано характеристики компонентів зв’язувача, модифікатора та наповнювача. Наведені загальноприйняті методи дослідження адгезійних, фізико-механічних (руйнівні напруження при згинанні, модуль пружності при згинанні, ударна в’язкість, залишкові напруження), теплофізичних (термічний коефіцієнт лінійного розширення, теплостійкість, температура склування), реологічних (середня динамічна в’язкість, уявна енергія активації в’язкої течії, початок гелеутворення) та електрофізичних (електропровідність при змінному та постійному струмі, діелектрична проникність, тангенс кута діелектричних втрат) властивостей композитів. Додатково наведено сучасні методики дослідження структури епоксидних композитів (оптична, електронна мікроскопія, ДТА і ТГА-аналіз). Третій розділ присвячений питанням оптимізації вмісту модифікатора 4,4 – сульфонілбіс (4,1 – фенілен) біс (N, N – диетилдитіокарбамату) у епоксид¬ному зв’язувачі для поліпшення його адгезійних та когезійних властивостей. За результатами адгезійних досліджень матеріалів встановлено, що при однаковому вмісті модифікатора (q = 0,1 мас.ч.) кращими властивостями відзначається матриця, сформована шляхом гідродинамічного суміщення компонентів за допомогою ультразвукової обробки, порівнянні з матрицею, отриманою механічним поєднанням інгредієнтів. Встановлено вплив модифікатора на адгезійні властивості зв’язувача до різних поверхонь металів. Доведено, що для формування матриці з поліпшеними адгезійними властивостями до основи з алюмінієвих сплавів марки Д16 і марки АМг5 оптимальний вміст модифікатора становить q = 1,50...1,75 мас.ч. Розроблений матеріал відзначається наступними властивостями: адгезійна міцність при відриві матриці від основи з алюмінієвого сплаву марки Д16 – σа = 51,3...55,5 МПа, адгезійна міцність при відриві матриці від основи з алюмінієвого сплаву марки АМг5 – σа = 52,7...54,1 МПа. Для формування матриці з поліпшеними адгезійними властивостями до сталевої основи марки Ст 3 необхідно в епоксидний олігомер ЕД-20 (100 мас.ч.) вводити модифікатор в кількості q = 1,50 мас.ч. При цьому формується матеріал з наступними властивостями: адгезійна міцність при відриві матриці від основи зі сталі марки Ст 3 – σа = 41,9 МПа, адгезійна міцність при зсуві (основа – сталь марки Ст 3) – τ = 8,6 МПа. Додатково встановлено, що при вмісті модифікатора в кількості q = 1,5 мас.ч. суттєво підвищуються фізико-механічні властивості композитів. У такому випадку формується матеріал з наступними властивостями: руйнівні напруження при згинанні σзг = 65 МПа, модуль пружності при згинанні – Е = 3,4 ГПа, ударна в’язкість –W = 11,4 кДж/м2. Методом ДТА та ТГА аналізу встановлено температурні діапазони, при яких відбуваються структурні перетворення, що безпосередньо впливають на теплофізичні властивості розроблених матеріалів. У четвертому розділі розглянуто особливості впливу технічного вуглецю (нанодисперсної пігментної сажі) CARBON BLACK марки PowCarbon 2419G з дисперсністю 24 ± 2 нм на реологічні, фізико-механічні, тепло- та діелектричні властивості розроблених композитів. Проаналізовано вплив механічного та гідродинамічного суміщення олігомеру ЕД - 20 з наповнювачем у вигляді нанодисперсної сажі на властивості створених матеріалів. Доведено, що оптимальний вміст часток наносажі (q = 1 мас.ч.) в епоксидному зв’язувачі приводить до значного підвищення ударної в’язкості, як на першому, так і на другому етапі ударного навантаження зразків. Максимальне значення навантаження в момент першої стадії руйнування становить Р′= 1,01 кН, на другій – Р′′= 1,83 кН. Показано, що час поширення тріщин як на першій, так і на другій стадії зменшується відносно матриці на Δτ′ = 0,019 і Δτ"= 0,030 мс відповідно. Паралельно для таких матеріалів встановлені максимальні значення критичної деформації – l′ = 0,32 й l"= 0,96 мм, що в сукупності свідчить про збільшення міцності при ударі розроблених композитів. На основі експериментальних досліджень теплофізичних властивостей вивчено поведінку сажонаповнених композитів в умовах теплового впливу. Встановлено, що добавка у вигляді нанодисперсної сажі в кількості q = 1…5 мас.ч істотно збільшує теплостійкість щодо матриці від Т = 341 К до Т = 348...350 К. Встановлено, що частота електричного поля та кількість наповнювача суттєво впливають на електрофізичні властивості досліджуваних систем. Доведено, що зі збільшенням вмісту наповнювача у системі електропро¬відність експоненційно зростає, при цьому спостерігається перколяційний перехід, а це свідчить про утворення частками наповнювача електропровідної сітки у матриці. При цьому поріг перколяції становить = 6,9 мас.ч. Вивчено особливості діелектричної проникності матеріалів. Показано, що діелектрична проникність композитів майже не змінюється у частотному діапазоні 102-105 Гц, що пов’язано зі структурними особливостями часток, які забезпечують існування мінімального градієнту діелектричної проникності між матрицею та наповнювачем. У п’ятому розділі за допомогою математичного планування експерименту оптимізовано склад модифікованих сажонаповнених композитних матеріалів. Наведено результати дослідження фізико-механічних та електрофізичних властивостей отриманих композитів. Це дозволило розробити п’ять варіантів захисних покриттів для їх практичного впровадження. З урахуванням їх експлуатаційних характеристик здійснено практичне впровадження розроблених матеріалів для підвищення ресурсу роботи транспортних засобів. Нові композити і технологію їх формування впроваджено на судні «Triumph IV» судновласної компанії «Avrey Commerce Ltd» (Сейшельські острови) при його ремонті ТОВ «Сігран» на території Херсонського суднобудівного судноремонтного заводу, що забезпечило підвищення корозійної і гідроабразивної стійкості деталей технологічного устаткування у 1,9…2,4 разів та зменшення періодичності відновлення дефектних ділянок деталей у 1,3…1,6 разів.