Новый композиционный материал на основе поликарбоната – «Дифлон МФ-42»
ВИАМ/1982-198548
Новый композиционный материал на основе
поликарбоната - «Дифлон МФ-42»
Н.М. Абакумова
Е.Н. Осипова
Е.Г. Сентюрин
М.М. Гудимов
Февраль 1982
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ РФ) - крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении
80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники.
1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем
30 научно-
исследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в
4 филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В
1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационно-
космической и других видов специальной техники
233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья
подготовлена
для
опубликования
в
журнале «Авиационная промышленность», № 8, 1982 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
Новый композиционный материал
на основе поликарбоната - «Дифлон МФ-42»
Н.М. Абакумова, Е.Н. Осипова, Е.Г. Сентюрин,
М.М. Гудимов
Из положительных свойств поликарбоната «Дифлон», обеспечивающих
его применение в промышленности, следует отметить повышенную
стойкость к ударным нагрузкам, особенно при минусовых температурах,
незначительное водопоглощение, хорошую размерную стабильность,
биологическую инертность, нетоксичность, хорошие оптические свойства. К
недостаткам «Дифлона», ограничивающим его распространение, относятся
низкая стойкость к атмосферным воздействиям, тенденция к
растрескиванию, горючесть.
Была проведена работа по созданию материала, сохраняющего
уникальные свойства поликарбоната и не обладающего его недостатками.
Поскольку одним из основных требований к материалам, применяемым в
авиационной промышленности, является негорючесть, на основе
поликарбоната «Дифлон» был создан негорючий материал «Дифлон МФ-42»,
физико-механические свойства которого приведены ниже:
плотность, кг/м3
1230-1250
деформационная теплостойкость по Вика, °С
155
температура начала деструкции, °С
410
горючесть, с
3-6 (самозатухающий)
кислородный индекс, %
33-35
водопоглощение за 24 ч, %
0,12-0,15
предел прочности при растяжении σв, МПа
61
относительное удлинение при разрыве δ, %
90
удельная ударная вязкость при изгибе, кДж/м2:
без надреза
105
с надрезом
57
серебростойкость по СС4, г
2 (растрескивания не происходит)
микологическая стойкость, баллы
2
способность к окрашиванию
окрашивается
в различные цвета.
«Дифлон МФ-42» - это «Дифлон», модифицированный фторпластом-42 и
двуоксидом титана. Фторопласт-42 обладает высокими деформационными
свойствами
(δ≈300%, ан=200 кДж/м2), стойкостью к атмосферным
воздействиям, имеет почти такие же, как поликарбонат, температурные
интервалы переработки методом литья под давлением*; двуоксид титана
является термостабилизатором для фторопласта-42 и, кроме того, способствует
стабилизации структуры полимера. «Дифлон МФ-42» не обладает оптическими
свойствами; это непрозрачный материал молочно-белого или чуть кремоватого
цвета. Он не склонен к растрескиванию и устойчив к атмосферным
воздействиям, поэтому может применяться как конструкционный материал.
Были проведены широкие исследования физико-химических свойств и влияния
различных факторов на его эксплуатационные свойства.
На рис.
1 приведены результаты дериватографических исследований
материалов
«Дифлон» и
«Дифлон МФ-42» при скорости подъема
температуры 5°С/мин. Видно, что «Дифлон МФ-42» обладает более высокой
термостабильностью в интервале 250-290°С; это гарантирует пониженную
деструкцию при переработке и положительно сказывается на свойствах
готовых деталей.
Рисунок 1. Зависимость потери массы от температуры:
1 - «Дифлон»; 2 - «Дифлон МФ-42»
Исследования механических свойств материала в диапазоне температур
от
-60 до
+130°С (табл.
1) показали, что с повышением температуры
наблюдается снижение механической прочности и увеличение
относительного удлинения при разрыве
(это характерно для всех
* Справочник по пластическим массам. Т. I. - М.: Химия, 1975, с. 171.
термопластов). Однако в указанном интервале температур материал
сохраняет свои механические свойства на достаточно высоком уровне. Даже
при
130°С предел прочности при растяжении составляет
45%, предел
вынужденной эластичности σв.э и прочность при статическом изгибе и
сжатии - 55% от значений при 20°С. Необходимо подчеркнуть способность
модифицированного поликарбоната так же, как и чистого полимера,
сохранять при низких температурах высокую деформируемость и высокое
сопротивление удару
(при испытании на ударный изгиб образцы не
разрушались). Ударная вязкость зависит от наличия надреза лишь при
минусовых температурах, при плюсовых - эта характеристика практически
постоянна.
Таблица 1.
Свойство
Температура испытаний, °С
-60
+20
+50
+100
+120
+130
σв, МПа
61
61
55
43
42
34
δ, %
45
90
90
110
135
115
σв.э, МПа
72
58
50
35
31
27
ан·10-3, Дж/м2:
без надреза
140
105
100
90
80
75
с надрезом
28
57
60
57
56
-
σв.изг, МПа
-
62
54
-
34
-
σ0,2сж, МПа
123
84
67
51
46
-
Для определения работоспособности
«Дифлона МФ-42» было изучено
влияние различных эксплуатационных факторов на его физико-механические
свойства. На рис. 2 показано изменение механических свойств материала в
процессе теплового старения. Как видно, разрушающее напряжение при
растяжении практически не зависит от величины и времени воздействия на
материал повышенных температур. Изменения, происходящие в материале,
проявляются в увеличении предела вынужденной эластичности и снижении
удлинения при разрыве, т.е. материал становится менее пластичным, более
жестким. Причем, как видно из рис. 2, с увеличением срока и повышением
температуры старения эти свойства усиливаются. Однако даже при воздействии
температуры 130°С в течение
2500 ч материал сохраняет способность к
пластическому течению при разрушении: кривая растяжения материала имеет
предел вынужденной эластичности и площадку течения; относительное
удлинение, характеризующее пластичность материала, остается достаточно
высоким. Внешний вид образцов в процессе теплового старения при всех
температурах в течение 2500 ч не изменился, после старения в течение 5000 ч
наблюдалось их некоторое потемнение; потеря массы составила 0,18-0,35% в
зависимости от температуры и времени ее воздействия.
Рисунок 2. Изменение физико-механических свойств материала
«Дифлон МФ-42» в процессе теплового старения:
а ---- при 60°С, - - - при 100°С; б --- при 120°С, - - - при 130°С
В табл. 2 приведены результаты исследования материала после выдержки
его в воде при 20°С. Видно, что деформируемость материала несколько
снижается: после 24 ч выдержки относительное удлинение падает на 20% и
на этом уровне сохраняется в течение всего срока испытаний - 5000 ч.
Механическая прочность практически не изменяется. Внешний вид образцов
остается прежним. Увеличение массы составляет 0,32%.
Таблица 2.
Свойство
Время старения, ч
вода
камера искусственного
тропического климата
0
24
1000
5000
150
500
1000
5000
σв, МПа
61
59
62
58
58
58
59
55
δ, %
90
70
80
70
85
70
70
70
σв.э, МПа
58
61
63
60
58
60
61
61
ан·10-3, Дж/м2
105
115
110
105
105
100
100
100
(без надреза)
Как показано выше, тепловое старение и старение во влажной среде не
оказывает значительного влияния на механические свойства
«Дифлона
МФ-42». Однако совместное воздействие этих факторов
(камера
искусственного тропического климата) сильно изменяет свойства исходного
поликарбоната, особенно проявляется склонность к растрескиванию: уже
после 1000 ч старения на образцах появляются трещины (серебро) и резко
снижаются механические характеристики. Поэтому при наследовании
свойств модифицированного поликарбоната особое внимание было уделено
его поведению в условиях одновременного воздействия влажности и
температуры. Результаты испытаний свидетельствуют о хорошей его
стойкости. Механические и деформационные свойства сохраняются на
высоком уровне: механическая прочность после выдержки
5000 ч
уменьшилась всего на 10%, относительное удлинение после 500 ч снизилось
на 20% (с 90 до 70%) и сохранялось на этом уровне в течение всего срока
старения. Никаких внешних изменений не произошло. Таким образом, можно
отметить положительную роль модификации поликарбоната.
Поликарбонат имеет ограниченную стойкость к действию
ионизирующего облучения. При облучении дозами 25-50 мрад наблюдается
сильное снижение деформационных свойств, изменение цвета (потемнение).
Модифицированный поликарбонат выдерживает дозы до 25 мрад (табл. 3)
без значительного ухудшения свойств. После облучения дозой
1 мрад
наблюдается снижение относительного удлинения на 20%, при дальнейшем
увеличении дозы до 25 мрад оно остается на этом уровне. Большие дозы
облучения резко ухудшают все механические свойства материала. При
радиационном воздействии отмечается изменение цвета материала:
незначительное - при облучении дозой 10 мрад и более сильное - при
больших дозах.
Таблица 3.
Свойство
Доза облучения, мрад
0
1
10
25
100
200
σв, МПа
61
63
61
62
50
40
δ, %
90
70
70
70
50
4
σв.э, МПа
58
61
60
59
56
-
ан·10-3, Дж/м2
105
100
110
110
15-115*
5**
(без надреза)
Цвет
Молочно-белый
Кремовый
Светло-коричневый
Коричневый
* Часть образцов разрушилась.
** Все образцы разрушились.
Образцы из «Дифлона. МФ-42» подвергали естественному старению во
влажных субтропиках (г. Батуми), умеренной холодной зоне (г. Москва) и в
морских тропиках (НИС) на открытых площадках и складах в течение 1 года.
Выбранные климатические зоны различаются по температуре и влажности. Как
видно из табл. 4, материал обладает хорошей стойкостью к воздействию
атмосферных факторов: прочность снижается не более чем на
10%,
деформируемость
- на
20%. В то же время у немодифицированного
поликарбоната после испытаний в течение
6 мес в условиях тропиков
механическая прочность снижается на 30%, относительное удлинение - на 85%.
Таблица 4.
Условия старения
Срок
σв,
δ,
σв.э,
ан·10-3, Дж/м2
старения
МПа
%
МПа
(без надреза)
Исходное состояние
61
90
58
105
Умеренная
склад
6 мес
63
85
64
110
холодная зона
1 год
59
80
57
105
открытая
6 мес
60
80
63
100
экспозиция
1 год
61
85
57
100
Влажная субтро-
склад
6 мес
60
80
61
100
пическая зона
1 год
58
70
60
110
камера из
6 мес
58
80
61
105
органического
1 год
58
70
60
110
стекла
Тропическая
склад
60
80
60
125
морская зона
открытая
6 мес
56
65
60
120
экспозиция
Исследовали влияние микологической среды на свойства
«Дифлона
МФ-42». После трех месяцев выдержки в соответствующих условиях был
отмечен рост грибов на поверхности образцов, однако изменений
поверхности по сравнению с исходной не обнаружено, физико-механические
свойства материала практически не изменились. Материал является
грибостойким.
При исследовании коррозионной активности модифицированного
поликарбоната было установлено, что материал не усиливает коррозии
нержавеющей стали 12Х18Н9Т и не вызывает коррозии конструкционной
стали 30ХГСА.
В связи с тем, что поликарбонат является конструкционно-декоративным
материалом, исследована возможность окраски
«Дифлона МФ-42» в
различные цвета. Установлено, что материал хорошо окрашивается и
достаточно стойко сохраняет цвет при старении.
Модифицированный поликарбонат
«Дифлон МФ-42» внедрен для
изготовления ряда деталей приборов и изделий специального назначения.
Детали отличаются красивым декоративным видом, стабильностью размеров
в процессе сборки и хранения, хорошими эксплуатационными свойствами.
Получен положительный результат при изготовлении из «Дифлона МФ-42»
высокоармированных деталей, при этом ликвидирован дефект
растрескивания, наблюдаемый при изготовлении деталей из чистого
поликарбоната.