Реологические свойства фосфорсодержащего олигоэфир(мет)акрилата для переработки методом вакуумной инфузии

Цели. Для получения полимерных композиционных материалов (ПКМ) с повышенным уровнем физико-механических свойств методом безавтоклавной технологии (vacuum assisted resin transfer molding, VaRTM) связующие должны обладать вязкостью до 500 мПа·с. В ряде случаев это приводит к ограничению по применению тех или иных материалов, либо требует использования временных разбавителей, что неразрывно связано с ухудшением других требуемых характеристик композита, например, увеличением горючести. Нами были синтезированы три фосфорсодержащих олигоэфир(мет)акрилата PhOEM-1, PhOEM-2, PhOEM-3, обладающих значительными отличиями по характеристикам вязкости в ряду PhOEM-1 << PhOEM-2 << PhOEM-3, при этом полимер на основе PhOEM-1, обладая меньшей вязкостью, характеризуется худшими физико-механическими свойствами. В связи с этим, целью исследования явилось изучение вязкостных характеристик смесей метакрилатных связующих одинаковой природы, разного строения и функциональности путем изучения реологических свойств исходных олигоэфир(мет)акрилатов и их смесей, взятых в различных соотношениях, с применением метода оптимизации составов по симплекс-решетке (плану Шеффе) для получения ПКМ по безавтоклавной (VaRTM) технологии.
Методы. Исследование реологических свойств фосфорсодержащих олигоэфир(мет)акрилатов и их смесей проводили методом ротационной вискозиметрии на вискозиметре Brookfield LVDV-II + Pro с использованием шпинделя 27 при скоростях сдвига в диапазоне от 0 до 70 с⁻¹ и температурах от 30 до 70°С. Параллельно проводили реологические исследования на вискозиметре Lamy Rheology GT300 PLUS (GEL TIMER) в том же диапазоне скоростей сдвига и температур.
Результаты. Установлено, что исследуемые объекты, в зависимости от температуры, характеризуются значениями вязкости от 96 до 2137 мПа·с. По характеру вязкого течения фосфорсодержащие олигоэфир(мет)акрилаты и их смеси ведут себя аналогично ньютоновским жидкостям только при определенных скоростях сдвига. Рассчитаны эффективные энергии активации вязкого течения связующих и их смесей, установлено влияние температуры на вязкость связующих.
Выводы. Определены особенности и характер кривых течения фосфорсодержащих олигоэфир(мет)акрилатных связующих одинаковой природы, разного строения и функциональности, а также их смесей. Установлены области оптимальных составов трех- компонентных смесей фосфорсодержащих олигоэфир(мет)акрилатов для использования их в технологическом процессе VaRTM при получении ПКМ в диапазоне температур от 30 до 70°С. Определены оптимальные составы и температурные условия для получения ПКМ методом VaRTM, что позволяет получать полимерные изделия сложной геометрической формы и разного размера.

1. Ткачук А.И., Донецкий К.И., Терехов И.В., Караваев Р.Ю. Применение термореактивных связующих для изготовления полимерных композиционных материалов методами безавтоклавного формования. Авиационные материалы и технологии. 2021;1(62):22–33. https://doi.org/10.18577/2713-0193-2021-0-1-22-33

2. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года». Авиационные материалы и технологии. 2015;1(34): 3–33. http://doi.org/10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33

3. Коган Д.И., Чурсова Л.В., Панина Н.Н., Гребенева Т.А., Голиков Е.И., Шарова И.А., Баторова Ю.А. Перспективные полимерные материалы для конструкционных композиционных изделий с энергоэффективным режимом формования. Пластические массы. 2020;3–4:52–54. https://doi.org/10.35164/0554-2901-2020-3-4-52-54

4. Постнова М.В., Постнов В.И. Опыт развития безавтоклавных методов формирования ПКМ. Труды ВИАМ. 2014;4:6. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2014-0-4-6-6

5. Michels J., Widmann R., Czaderski C., Allahvirdizadeh R., Motavalli M. Glass transition evaluation of commercially available epoxy resins used for civil engineering applications. Compos. Part B: Eng. 2015;77:484–493. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2015.03.053

6. Меркулова Ю.И., Мухаметов Р.Р. Низковязкое эпоксидное связующее для переработки методом вакуумной инфузии. Авиационные материалы и технологии. 2014;1(30):39–41. https://doi.org/10.18577/2071-9140-2014-0-1-39-41

7. Сакошев З.Г., Блазнов А.Н., Сакошев Е.Г., Задворных Г.С. Исследование реологических свойств связующих на основе эпоксидной смолы и отвердителей ХТ-152Б, ИМТГФА и Этал-450. В сб.: Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: Материалы XV Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием. Бийск: Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова; 2022. P. 234–237.

8. Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., Чурсова Л.В., Коган Д.И. Новые полимерные связующие для перспективных методов изготовления конструкционных волокнистых ПКМ. Авиационные материалы и технологии. 2011;2(19):38–42.

9. Саяпин С.Н. Новый подход к технологии изготовления длинномерных полых изделий из волокнистых полимерных композиционных материалов. Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2022;11(752):38–46. https://doi.org/10.18698/0536-1044-2022-11-38-46

10. Донецкий К.И., Усачева М.Н., Хрульков А.В. Методы инфузии для изготовления полимерных композиционных материалов (обзор). Часть 1. Труды ВИАМ. 2022;6(112): 58–67. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2022-0-6-58-67

11. Хрульков А.В., Донецкий К.И., Усачева М.Н., Горянский А.Н. Методы инфузии для изготовления полимерных композиционных материалов (обзор). Часть 2. Труды ВИАМ. 2022;7(113):50–62. https://doi.org/10.18577/2307-2022-0-7-50-62

12. Новаков И.А, Бахтина Г.Д., Кочнов А.Б., Кострюкова Ю.В. Способ получения фосфорхлорсодержащих метакрилатов: пат. 2447079 РФ. Заявка № 2011100594/04; заявл. 11.01.2011; опубл. 10.04.2012.

13. Тужиков О.И., Тужиков О.О., Буравов Б.А., Бочкарев Е.С., Солодовникова К.В., Хохлова Т.В., Сидоренко Н.В., Аль-Хамзави А.Х.Д. Применение олигоэфиракрилата ((((4-((1-(2-((бис((1-галоген-3-(мет-акрилоилокси)-пропан-2-ил)окси)фосфин)окси)-3-галогенпропокси)3-хлорпропан-2-ил)окси)-1-галоген-бутан-2-ил)окси)фосфиндиил) бис(окси))бис(3-галоген-пропан-2,1-диил)бис(2-метакрилата) в качестве мономера для получения термо- и теплостойких полимеров с пониженной горючестью: пат. 2712107 РФ. Заявка № 2019125870; заявл. 16.08.2019; опубл. 24.01.2020.

14. Тужиков О.И., Тужиков О.О., Буравов Б.А., Бочкарев Е.С., Солодовникова К.В., Хохлова Т.В., Сидоренко Н.В., Аль-Хамзави А.Х.Д. Применение олигоэфиракрилата ((((((((((2-гидрокси-пропан-1,3-диил) бис (окси)) бис (4,1-фенилен)) бис (пропан-2,2-диил)) бис (4,1-фенилен)) бис(окси)) бис (1-галогенпропан-3,2-диил)) бис (окси)) бис(фосфинтриил))тетракис (окси)) тетракис (3-галогенпропан-2,1-диил)тетракис (2-метилакрилата) в качестве мономера для получения термо- и теплостойких полимеров с пониженной горючестью: пат. 2712116 РФ. Заявка № 2019126186; заявл. 20.08.2019; опубл. 24.01.2020.

15. Буравов Б.А., Аль-Хамзави А., Бочкарев Е.С., Гричишкина Н.Х., Борисов С.В., Сидоренко Н.В., Тужиков О.И., Тужиков О.О. Синтез новых фотоотверждаемых фосфорсодержащих олигоэфирметакрилатов со спейсером в структуре. Тонкие химические технологии. 2022;17(5):410–426. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2022-17-5-410-426

16. Кочетыгов А.А. Анализ данных с использованием системы STATISTICA: учебное пособие. Тула: ТулГУ; 2023. 324 с. ISBN 975-5-7679-5255-7

17. Полежаева Н.И. Разработка органического связующего для паяльных паст со строго заданными реологическими характеристиками. Решетневские чтения. 2018,1:619–620.

18. Короткова Е.И. Оптимизация многофакторного эксперимента в химии: учебное пособие. Томск: ТПУ; 2021. 85 с. ISBN 978-5-4387-1055-4

19. Вершинин В.И., Перцев В.И. Планирование и математическая обработка результатов химического эксперимента. Санкт-Петербург: Лань; 2022. 236 с. ISBN 978-5-8114-9167-4

20. Четверикова Д.К., Брежнев А.М. Особенности планирования многофакторного эксперимента. В сб.: Теория и практика инновационных исследований в области естественных наук: Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Оренбург: Оренбургский государственный университет; 2022. С. 221–225.

21. Чепурненко А.С., Кондратьева Т.Н. Прогнозирование реологических параметров полимеров методами машинного обучения. Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don). 2024;24(1):36–47. https://doi.org/10.23947/2687-1653-2024-24-1-36-47