Высокоэффективные полимерные композиционные материалы для радиационной защиты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Высокоэффективные полимерные композиционные материалы для радиационной защиты

Эпоксидные полимеры занимают особое место среди других известных типов связующих, используемых в производстве высокопрочных композитов. Это вызвано целым комплексом универсальных свойств эпоксидных смол, широко используемых в атомной, аэрокосмической и других отраслях промышленности [1-5]. Такая универсальность связана со спецификой их молекулярной структуры - наличием как электрон-донорных, так и электрон-акцепторных групп, способных образовывать прочные донорно-акцепторные комплексы и химические связи с поверхностью наполнителей. Эпоксидные олигомеры в стеклообразном состоянии рентгеноаморфны и характеризуются высоким значением коэффициента молекулярной упаковки (КМУ = 0,71-0,72), что выше, чем, например, для ПС.

В качестве базового эпоксидного олигомера использована диановая неионогенная эпоксидная смола (ЭП) марки ЭД-20 (ГОСТ 10587-83). Общая формула дианового эпоксидного олигомера может быть представлена в виде:

эпоксидный полимер композит

В качестве разбавителя ЭП использован химически неактивный по отношению к смоле дибутилфталат (ДБФ) - С₆Н₄(СООС₄Н₉)₂ с температурой кипения 613 К. ДБФ выполняет роль пластификатора эпоксидной композиции, улучшает реологические свойства связующего и влияет на механические характеристики эпоксидной смолы после отверждения.

Для отвердения ЭП использован полиэтилполиамин (ПЭПА) - [-CH₂-CH₂-NH-]_n (n = 1800 ПаЧс) и малеиновый ангидрид C₄H₂O₃ (Т_кип = 475 К, h = 16Ч10^-4 ПаЧс при 333 К), отверждающие эпоксидную композицию соответственно при 298 и 423К.

Модификатором ЭП служил синтетический эпоксикремнийорганический олигомер. Такие соединения обладают повышенной реакционной способностью и теплостойкостью по сравнению с диановыми эпоксидными смолами. Низкая вязкость таких олигомеров позволяет использовать их в качестве разбавителей ЭП.

Эпоксикремнийорганический олигомер синтезирован путем взаимодействия эпоксидно-диановой смолы ЭД-20 и этилсиликоната натрия (ГКЖ-10) при соотношении компонентов 4,5:1,5 по схеме 3:

УЗ-кавитация является мощным инструментом для преобразования небольшой плотности энергии акустического поля, которая рассеивается в большом объеме, в высокую локальную плотность энергии, концентрирующуюся в микроскопических объемах и приводящая к усилению химического взаимодействия эпоксидиановой смолы с синтезируемым эпоксикремнийорганическим олигомером.

Ведение в систему ЭП (70% мас.) - ДБФ (5%) - ЭП-ГКЖ (25%) наполнителя ПЭСС сказывается на изменении динамической вязкости (рис. 1) суспензии и свойств отвердевшей композиции.

Рис. 1. Изменение динамической вязкости системы ЭП-ДБФ - (ЭП+ГКЖ) при введении карбонатных (1) и железооксидных (2) систем, модифицированных ПЭСС

При наполнении системы как в «холодном» так и в «горячем» состоянии вязкость монотонно возрастает соответственно до 50 и 65% мас., выше которых наблюдается резкое увеличение вязкости композиции. Данные показатели по степени наполняемости являются предельными при осуществлении формования эпоксидных композиций методом литья под давлением.

Оптимальной дозировкой модифицированных ПЭСС карбонатных и железооксидных систем при 353 К являются соответственно 45 и 60% мас. при формовании композиций методом литья под давлением.

При более высоких дозировках наполнителей формование эпоксидных композиций надо производить методом экструзии или прессованием с последующим нагревом пресс-формы с композицией.

На микрофотографиях эпоксидного ПК, наполненного ПЭСС и отформованного методом литья под давлением видно образование значительного количества дислокаций и дислокационных петель (рис. 2, фото 2,3); в не наполненной ПЭСС отвердевшей эпоксидной матрице (Рис. 2, фото 1) наблюдается сохранение воздушных микропор размером 4-10 мкм, которые практически исчезают при пластификации и наполнении ЭП.

Рис. 2. Микрофотографии эпоксидного ПК с различной степенью наполнения ПЭСС

Методом ультразвукового импульсного контроля установлены оптимальные дозировки наполнителей для высоконаполненных эпоксидных ПК, которые составляют: для наполнителя на основе ПЭСС - 80; СаCO₃ - 65 и Fe₃O₄ - 75% мас.

Принята следующая маркировка эпоксидных композитов с оптимальным содержанием наполнителей:

ЭП - 50С - наполнитель ПЭСС (50% мас.), формование методом литья.

ЭП - 80С - наполнитель ПЭСС (80% мас.), формование методом прессования.

ЭП - 45К - наполнитель СаCO₃ (45% мас.), модифицированный ПЭСС (метод литья).

ЭП - 65К - наполнитель СаCO₃ (65% мас.), модифицированный ПЭСС (метод прессования).

ЭП - 60М - наполнитель Fe₃O₄ (60% мас.), метод литья.

ЭП - 75М - наполнитель Fe₃O₄ (75% мас.), метод прессования.

Прессование ПК с отвердителем типа ПЭПА осуществлено на гидравлическом прессе в стальных формах, смазанных циатимом по следующему режиму: подъем давления до Р_уд = 50-55 МПа; нагрев пресс-формы до Т = 423-443 К, экспозиция 5 мин. (V_т = 100°/мин); охлаждение пресс-формы до Т = 343-353 К; сброс давления до атмосферного.

Таким образом, наполнители различного класса способствуют существенному улучшению физико-механических показателей ПК на основе ЭП.

Работа выполнена при поддержке проектной части Государственного задания Минобрнауки РФ, проект №11.2034.2014/K и гранта РФФИ, проект. №14-41-08067.

Литература

1. Pavlenko V.I. Simulation of the processes of gamma-radiation transport through shielding containers for radioactive waste / Pavlenko V.I., Yastrebinskii R.N., Lipkanskii V.M. // Russian Physics Journal. 2003. Т. 46. №10. С. 1062-1065.

2. Pavlenko V.I. Modeling of processes of interaction of high-energy radiations with radiation-protective oxide of iron composites / Pavlenko V.I., Yastrebinskij R.N., Degtyarev S.V. // Электромагнитные волны и электронные системы. 2005. Т. 10. №1-2. С. 46-51.

3. Матюхин П.В. Композиционный материал, стойкий к воздействию высокоэнергетических излучений / Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2012. №2. С. 25-27.

4. Композиционный материал для защиты от гамма-излучения / Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Матюхин П.В., Четвериков Н.А. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. №3. С. 17-20.

5. Ястребинская А.В. Модифицированный конструкционный стеклопластик на основе эпоксидных олигомеров для строительных изделий: Автореф. дис. канд. техн. наук. / Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Белгород. 2004. 19 с.

6. Ястребинский Р.Н. Модифицированные железооксидные системы - эффективные сорбенты радионуклидов / Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Бондаренко Г.Г., Ястребинская А.В., Черкашина Н.И. // Перспективные материалы. - 2013. - №5. - С. 39-43.

7. Перспективы создания современных высококонструкционных радиационно-защитных металлокомпозитов / Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Бондаренко Ю.М. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2011. - №2. - С. 27-29.

8. Композиционный материал для радиационной защиты / Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Бондаренко Ю.М. // Патент на изобретение, RUS 2470395, 20.12.2010.

9. Матюхин П.В. Исследование механизмов модифицирования поверхности природных железорудных минералов алкилсиликонатами / Матюхин П.В., Ястребинский Р.Н. // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. - 2005. - Т. 48. - №4. - С. 140.

10. Павленко В.И. Радиационно-защитный бетон для биологической защиты ядерных реакторов / Павленко В.И., Епифановский И.С., Ястребинский Р.Н. // Перспективные материалы. - 2006. - №3. - С. 22.

11. Павленко В.И. Радиационно-защитный тяжелый бетон на основе железорудного минерального сырья / Павленко В.И., Воронов Д.В., Ястребинский Р.Н. // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2007. - №4. - С. 40-42.

12. Радиационно-защитный бетон для биологической защиты ядерных реакторов / Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Смоликов А.А., Дегтярев С.В., Воронов Д.В. // Перспективные материалы. - 2006. - №2. - С. 47-50.

13. Павленко В.И. Тяжелый бетон для защиты от ионизирующих излучений / Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Воронов Д.В. // Строительные материалы. - 2007. - №8. - С. 48-49.

14. Павленко В.И. Исследование тяжелого радиационно-защитного бетона после активации быстрыми нейтронами и гамма-излучением / Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Воронов Д.В. // Инженерно-физический журнал. - 2008. - Т. 81. - №4. - С. 661-665.

15. Радиационно-защитный бетон для АЭС c РБМК на основе железо-серпентинитовых композиций с цементным связующим / Павленко В.И., Смоликов А.А., Ястребинский Р.Н., Дегтярев С.В., Панкратьев Ю.В., Орлов Ю.В. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2004. - №8. - С. 66.

16. Полимерные радиационно-защитные композиты / Павленко В.И. монография // В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский. Белгород. 2009.

17. Термопластичные конструкционные композиционные материалы для радиационной защиты / Павленко В.И., Епифановский И.С., Ястребинский Р.Н., Куприева О.В. // Перспективные материалы. 2010. №6. С. 22-28.

18. Нанонаполненные полимерные композиционные радиационно-защитные материалы авиационно-космического назначения / Едаменко О.Д., Ястребинский Р.Н., Соколенко И.В., Ястребинская А.В. // Современные проблемы науки и образования. 2012. №6. С. 128.

19. Радиационно-защитный композиционный материал на основе полистирольной матрицы / Павленко В.И., Едаменко О.Д., Ястребинский Р.Н., Черкашина Н.И. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2011. - №3. - С. 113-116.

20. Высокодисперсные органосвинецсилоксановые наполнители полимерных матриц / Павленко В.И., Ястребинская А.В., Павленко З.В., Ястребинский Р.Н. // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2010. №2. С. 99-103.

21. Павленко В.И. Полимерные диэлектрические композиты с эффектом активной защиты / Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Ястребинская А.В. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2009. №3. С. 62-66.

22. Thermoplastic constructional composite material for radiation protection Pavlenko V.I., Yastrebinskii R.N., Kuprieva O.V., Epifanovskii I.S. // Inorganic Materials: Applied Research. 2011. Т. 2. №2. С. 136-141.

23. Ястребинская А.В. Разработка и применение композиционного материала на основе эпоксидиановой смолы для строительных конструкций и теплоэнергетики / Ястребинская А.В., Огрель Л.Ю. // Современные наукоемкие технологии. 2004. №2. С. 173.

24. Ястребинская А.В. Коррозионностойкие полимеркомпозиты на основе эпоксидных и полиэфирных олигомеров для строительства / Ястребинская А.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н. // Перспективы развития строительного комплекса. - 2012. - Т. 1. - С. 243-247.

25. Структурообразование металлоолигомерных водных дисперсий / Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Ястребинская А.В., Матюхин П.В. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2012. №2. С. 121-123.

26. Механическая активация полимерных диэлектрических композиционных материалов в непрерывном режиме / Ястребинская А.В., Павленко В.И., Матюхин П.В., Воронов Д.В. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2009. №3. С. 74-77.

27. Огрель Л.Ю. Полимеризация эпоксидного связующего в присутствии добавки полиметилсилоксана / Огрель Л.Ю., Ястребинская А.В., Бондаренко Г.Н. / Строительные материалы. 2005. №9. С. 82-87.

28. Огрель Л.Ю. Структурообразование и свойства легированных эпоксидных композитов / Огрель Л.Ю., Ястребинская А.В. // Строительные материалы. 2004. №8. С. 48-49.

29. Расчеты процессов прохождения гамма-квантов через полимерный радиационно-защитный композит/ Павленко В.И., Липканский В.М., Ястребинский Р.Н. // Инженерно-физический журнал. 2004. Т.77. №1. С. 12-15.

30. Моделирование прохождения высокоэнергетических электронов в высоконаполненном полимерном композите / Соколенко И.В., Ястребинский Р.Н., Крайний А.А., Матюхин П.В., Тарасов Д.Г. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. №6. С. 145-148.

Размещено на Allbest.ru