Пермские ученые разработали технологию комплексного улучшения полимерных смол для авиации и судостроения

Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработали технологию комплексного улучшения свойств полимерных смол для авиации и судостроения за счет совместного применения модификаторов. В результате прочность выросла на треть, износ снизился в 5 раз, а влагопоглощение — в 1,2–1,8 раза.

Сегодня в промышленности широко применяются полимерные смолы. Они необходимы для создания композитных материалов, которые, в свою очередь, используют для изготовления деталей и конструкций в авиации, судостроении, автомобилестроении, ветроэнергетике и химической отрасли. Из них делают корпуса самолетов и катеров, фюзеляжи, крылья, лопасти ветрогенераторов, трубы и многое другое.

Для таких ответственных отраслей традиционно используют эпоксидные смолы, которые обладают высокой прочностью, долговечностью и стойкостью к влаге и химикатам. Однако они дороги, сложны в производстве и требуют специальных условий обработки.

В гражданском строительстве, при производстве сантехники, мебели и электротехники широко используют полиэфирные смолы. Они значительно дешевле, легко заливаются в формы любой сложности и не требуют дорогого оборудования. Существуют также более современные смолы — виниловые и эпокси-виниловые эфиры. Они также недорогие и используются для тех же целей, что и полиэфирные. Именно они являются самым массовым компонентом композитных материалов на рынке.

Проблема в том, что такие немодифицированные составы плохо выдерживают ударные нагрузки, а также активно впитывают влагу, что со временем разрушает детали изнутри. В результате изделия из этих смол трескаются, теряют прочность и быстро изнашиваются. Это значит, что их невозможно использовать в ответственных конструкциях, например, в самолетах, без дорогой и сложной доработки.

Для улучшения свойств таких смол применяют гибридные модификаторы — специальные добавки, которые меняют структуру смолы на молекулярном уровне, улучшая ее свойства. Например, они могут повышать прочность или уменьшать влагопоглощение. Каждый модификатор по отдельности позволяет улучшить 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 улучшить 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. Для исследования авторы 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», — рассказал один из авторов исследования, аспирант кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ Алексей Полин.

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.

«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. Это 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 профессор кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ, доктор технических наук Галина Шайдурова.

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.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России по программе «Приоритет-2030» нацпроекта «Молодежь и дети».

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации