Химия и химические технологии / 5. Фундаментальные проблемы создания новых

материалов и технологий

Д.т.н. Татаринцева О.С., к.т.н. Зимин Д.Е.

Учреждение Российской академии наук Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН,

г. Бийск Алтайского края, Россия

БАЗАЛЬТОПЛАСТИК С ПОВЫШЕННОЙ

ТЕПЛО- И ХИМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТЬЮ

Опыт применения металлических труб для химических производств, систем холодного и горячего водоснабжения, транспортировки нефтепродуктов и других агрессивных жидкостей показал, что они очень сильно подвержены коррозии, снижающей срок их эксплуатации до нескольких лет. Поэтому естественной является наблюдаемая в мире тенденция к замене стали и чугуна на композиционные материалы с высокой химической стойкостью и долговечностью, к которым в первую очередь следует отнести стеклопластики, обладающие комплексом высоких эксплуатационных свойств. Однако в настоящее время требования к композитам возросли, особенно в части их тепло- и химической стойкости, устойчивости к действию микроорганизмов, грунтовых и сточных вод.

В работе представлены результаты исследований по созданию полимерного композиционного материала (ПКМ) для намоточных трубчатых изделий, превосходящего по своим основным параметрам, аналогичного по применению стеклопластикам. В качестве армирующего материала выбран базальтовый ровинг с более высокими прочностными характеристиками и стойкостью к агрессивным средам по сравнению со стеклянным. Кроме того, как оказалось, скорость и полнота пропитки эпоксидным связующим базальтового волокна превосходят уровень этих параметров для стеклянного, что коррелирует с данными о его лучшем смачивании связующим. Проведенные в лабораторных условиях рецептурно-технологические проработки позволили предложить в качестве полимерной матрицы для разрабатываемого ПКМ с повышенной теплостойкостью связующее ТС на основе синтезированной азотсодержащей эпоксидной смолы. Имея технологические свойства и прочностные характеристики на уровне широко применяемых в производстве стеклопластиковых намоточных изделий связующих ЭДИ и ЭХДИ, ТС обладает повышенной теплостойкостью (154 ºС по Мартенсу) и низкой вязкостью при комнатной температуре, что позволяет снизить энергозатраты на его переработку. Немаловажным фактором при выборе связующего явилась его высокая водостойкость – на 50-70 % выше чем у ЭДИ и ЭХДИ.

Полученные в ходе экспериментальных исследований данные о преимуществах базальтового волокна и разработанного связующего в совокупности в полной мере реализованы в образцах армированного композита. Оценку его работоспособности проводили по изменению прочностных характеристик в условиях повышенных температур, влажности и агрессивных сред образцов, вырезанных в осевом направлении из базальтопластиковых труб, изготовленных методом косослойной продольно-поперечной намотки в промышленных условиях. При намотке изделий в кольцевом направлении использовали базальтовый ровинг РБ 13-800-76, в осевом – РБ 9-400. Технология изготовления труб включала в себя двухступенчатое отверждение (125 °С – 1 ч., 150 °С – 2 ч).

Эксперименты показали, что уровень механических характеристик (прочность s_tg и модуль упругости Е_tg в тангенциальном направлении) композитов, полученных с применением различных связующих, при комнатной температуре практически одинаков и достаточно высок, однако базальтопластики

на связующих ЭХДИ и ЭДИ более подвержены влиянию повышенной температуры (табл.1) и менее влагостойки при температуре 150 °С (рис. 1).

Рисунок 1 – Кинетика влагопоглощения при 150 °С базальтопластиков на

связующих: 1 – ТС; 2 – ЭХДИ; 3 – ЭДИ

Таблица 1 – Влияние температуры на прочностные свойства композитов

Марка связующего	Содержание связующего, %	Прочностные характеристики при Т, °С
		20		150
		stg , МПа	Еtg, МПа	stg, МПа	Еtg, МПа
ТС	22,8	921±28	24710±338	842±25	21745±238
ЭХДИ	24,0	901±28	23730±411	367±22	7380±192
ЭДИ	23,0	891±25	24340±401	510±24	13052±276

Безусловно, что самую надежную информацию об эффективности разработанного материала или изделия можно получить непосредственным испытанием его. Проведенные в экстремальных условиях (температура 150 °С, давление 15 МПа) гидроиспытания позволили установить не менее чем девятикратный запас прочности базальтопластиковых труб на основе теплостойкого связующего ТС.

Химическую устойчивость разработанного базальтопластика оценивали по изменению массы и прочностных характеристик после определенного времени выдержки образцов в агрессивной среде. В эксперименте участвовали образцы базальтопластика в виде колец, вырезанных из труб, изготовленных в промышленных условиях.

Для проведения исследований образцы, высушенные до постоянной массы при температуре 100±5 °С, помещали в эксикатор с раствором и выдерживали в нем 24 ч при комнатной температуре. В качестве растворов использовали дистиллированную воду, серную кислоту, щелочь, трансформаторное масло, бензин, ацетон и этиловый спирт. Увеличение массы после пребывания образцов в NaOH составило 0,05 %, в остальных растворах оно не превышало 0,03 %, что говорит о высокой химической стойкости базальтопластика.

Исследуя материал при кипячении в различных средах, образцы помещали в водяную баню, заполненную соответствующим реагентом, и кипятили в течение 30 ч. Результаты экспериментов представлены в таблице 2, из которой видно, что разработанный полимерный композит, армированный базальтовыми волокнами, достаточно устойчив в кислоте и щелочи.

Таблица 2 – Химическая стойкость базальтопластика

Показатель	Значение показателя
	исходный	H2SO4		NaOH
		1N	2N	1N	2N
σtg, МПа	921±28	842±26	803±22	872±26	852±26
Еtg, МПа	24710±338	22690±289	22280±317	23680±313	23220±236

Таким образом, в работе показана возможность создания тепло- и химически стойкого композиционного материала с применением в качестве армирующего наполнителя базальтового ровинга, а полимерной матрицы – связующего на основе азотсодержащей эпоксидной смолы. Композит может быть использован в производстве изделий для транспортировки воды, пара, нефти, химических реагентов и др.