Способ получения полиимидных композиционных материалов - RU2051932C1
Код документа: RU2051932C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к получению полиимидных композиционных материалов, которые находят широкое применение в различных областях, в частности в аэрокосмической технике.
Полиимиды, используемые при высоких температурах, должны иметь высокую температуру стеклования Тст и обладать достаточной термоокислительной стабильностью, чтобы сохранять механические свойства на протяжении всего срока службы при прогнозируемых температурах эксплуатации.
Известен способ получения полиимидных композиционных материалов путем пропитки волокнистого наполнителя раствором, содержащим неравновесные количества исходных полиимидообразующих компонентов ароматического диамина, при смеси ароматических диаминов и тетракарбоновой кислоты, или ее функционального эквивалента, или смеси этой кислоты с ароматическим моноангидридом, последующей полимеризацией исходных мономеров в полученном препреге и дегазацией образующихся летучих веществ при постепенном нагревании препрега под вакуумом и отверждением препрега в автоклаве под давлением получаемые продукты имеют недостаточно высокие Тст и довольно высокое содержание пустот (выше 1%).
Предлагаемый способ отличается от известного тем, что после полимеризации и дегазации полученного препрега его нагревают до температуры, выше температуры стеклования полиимида, отверждают при этой температуре до снижения содержания пустот менее 1% а затем на второй стадии нагревают полученный материал до тех пор, пока температура стеклования образовавшегося продукта не станет равной или большей, чем температура стеклования полиимида на основе тех же исходных мономеров, взятых в стехиометрическом соотношении.
Данное изобретение позволяет по- лучать композиционные материалы, содержащие менее 1% пустот, с высокими Тст при умеренных давлениях в процессе отверждения расплава.
Высококачественные изделия из композитов, получаемые по способу, описанному в настоящем изобретении, могут быть изготовлены из непрерывного однонаправленного волоконного препрега, тканого препрега, препрега с рубленым волокном или другой формой волокна. Могут быть использованы обычные армирующие волокна, такие как углеродные, стеклянные или арамидные. В качестве исходных мономеров можно применять любые из различных ароматических тетракарбоновых кислот или их функциональных эквивалентов. Типичными функциональными эквивалентами являются диэфиры кислот и диэфирдихлорангидриды кислот. Примерами являются 2,2-бис(2,4-дикарбоксифенил)гексафторопропан или его функциональный эквивалент, диэфир пиромеллитовой кислоты или ее функциональный эквивалент и диангидрид 3,3'4,4'-бензофенонтетракарбоновой кислоты или его функциональные ароматические диамины: пара- и мета-фенилендиамин, 4,4'-(1,1'-бифенил)-2,5-диилбис(окси)/бис- бензоламин.
Исходные мономеры вводят в неравновесном количестве (избыток 10-15 мол.) для получения полиимида с
ограниченным молекулярным весом. При этом возможны следующие варианты;
а) используют избыток кислоты или ее функционального эквивалента;
б) используют избыток диамина и дополнительно
вводят ароматический моноангидрид, например фталевый, в количестве, достаточном для нейтрализации молярного избытка диамина, обычно это количество составляет 5-20 мол. по отношению к диамину.
Важно, чтобы удаление возникающих при полимеризации летучих побочных продуктов и растворителя, в основном, завершалось до стадии отверждения в расплаве. Это достигается нагреванием с применением, если требуется, вакуума. Важно в основном удалить летучие. Если необходимо предотвратить чрезмерное образование пустот и/или разрушение ориентации волокон в ламинатах путем образования пузырей, то следует достигнуть уровня летучих, менее, чем 1% и предпочтительно менее, чем 0,5% Оба этих фактора приводят к снижению механических свойств.
После удаления летучих температур полиимида с ограниченной молекулярной массой поднимают выше температуры стеклования до тех пор, пока вязкость расплава полимера не станет достаточно низкой, с тем, чтобы отверждение в расплаве протекало без существенной деструкции при давлении ниже 4,48 МПа. Отверждение в расплаве и уплотнение предпочтительно проводить, как только это станет возможным, поскольку продолжительное нагревание вызывает дальнейшую полимеризацию и сопутствующие сложности при переработке, такие, как необходимость использования при переработке более высоких температур и/или давлений.
Преимущество данного способа заключается в том, что композиты могут быть получены с использованием технологического оборудования, доступного в настоящее время, характеризующегося ограниченной мощностью по давлению, и при температурах ниже температур, вызывающих чрезмерную деструкцию полимера в процессе операции отверждения в расплаве. Для того, чтобы получать композиты с требуемыми стpуктурами, чтобы стадия отверждения в расплаве снижала содержание пустот ниже 1% Это может быть определено обычными методами.
После стадии отверждения в расплаве композит следует нагревать в течение длительного промежутка времени для повышения температуры стеклования, Тст. Эту операцию отверждения предпочтительно проводят с использованием ограничивающего приспособления, чтобы сохранить форму композита. Отверждение при температурах, превышающих температуры, используемые при отверждении в расплаве, ускоряет достижение высокой Тст.
Растворы исходных веществ, пригодные для реализации настоящего изобретения, получают по обычным методикам. Типичной является методика получения раствора с высоким содержанием исходных твердых веществ на основе 2,2-бис(3',4'-дикарбоксифенил)гексафторопропана и смеси пара- и мета-фенилендиамина. Подходящее количество 2,2-бис(3,4-декарбоксифенил)гексафторопропана добавляют к смеси растворителей, состоящей из 55 ч, этанола и 45 ч N-метилпирролидона (NMP). Смесь нагревают для растворения 2,2-бис(3,4-дикарбоксифенил)гексафторопропана. Температуру снижают и постепенно добавляют соответствующее количество диаминов. При этом смесь продолжают нагревать, чтобы перевести все ингредиенты в раствор. Во время этого процесса мономеры между собой реагируют слабо. Приготовленный раствор хранят при 0оС или ниже, чтобы свести к минимуму дальнейшее протекание реакции.
Препрег получают посредством пропитки подходящей волокнистой заготовки раствором соответствующих исходных веществ, используя стандартное промышленное технологическое оборудование. Препрег кладут на подходящую разделительную пленку и наматывают на оправку для удобства использования и хранения. Тканый препрег может быть покрыт погружением в раствор, обычно содержащий около 50 мас. твердого вещества в пересчете на отвержденную смолу. Однонаправленный ленточный препрег может быть пропитан раствором исходных веществ с более высокой концентрацией твердых продуктов.
Способ формования композиционного ламината начинается с нарезки препрега на куски подходящей формы и размера. Заготовки для автоклавного формования составляют штабелированием отдельных слоев, которые тщательно ориентируют в желательных направлениях. В случае толстых конструкций после каждой укладки дополнительных 4-6 слоев проводят операцию уменьшения объемности с использованием стандартных методик вакуумного сжатия.
При автоклавновном формовании заготовку укладывают в приспособление с вакуумным мешком для "мокрого" препарата с использованием промышленных высокотеплостойких упаковочных и уплотнительных материалов.
На первом этапе, для того, чтобы полимеризовать и удалить летучие смолы, используют постепенный нагрев и наложение вакуума. Скорость нагрева должна быть такой, чтоб в результате слишком быстрого процесса отверждение/удаление летучих не происходила сильная деструкция заготовки. Пригодная скорость нагрева от 0,2 до 5оС в минуту. Скорости в 1оC/мин или менее успешно используют для ламинатов, содержащих вплоть до 96 слоев. В начале процесса, для того, чтобы уменьшить вытекание раствора исходных веществ, приводящее в результате к потере смолы и возможной композиционной неоднородности, используют низкий вакуум 51 102 мм Нд. Такой низкий вакуум поддерживают до начала полимеризации и быстрого нарастания вязкости, которая обычно начинается при температуре приблизительно 120оС. Низкий вакуум способствует сохранению пористой структуры, которая облегчает удаление летучих. Полный вакуум применяют на стадиях, протекающих при температурах свыше 120оС.
Когда удаление летучих, в основном, завершено, т.е. содержание летучих составляет менее, чем 1% температуру поднимают до температуры, при которой вязкость расплава достаточно низка, чтобы позволить проводить прессование при доступных давлениях, обычно ниже 4,48 МПа (приблизительно на 100оС выше Тст смолы, полученной на стадии 1). Для того, чтобы началось отверждение, в автоклаве на протяжении приблизительно 15 мин постепенно повышают давление. Это снижает содержание пустот посредством процессов уплотнения и течения смолы. При наложении достаточного давления пустоты могут быть, в основном ликвидированы. Нежелательно достигать отверждения путем слишком медленного нагревания, поскольку смола подвергается отверждению при температурах прессования и, в конце концов, становится слишком вязкой для переработки. По подобным причинам температура процесса не должна повышаться неконтролируемо до стадии отверждения.
После отверждения препрег выдерживают под давлением (в сжатом состоянии, чтобы избежать разрушения монолитности) при высокой температуре до тех пор, пока не будет достигнут желаемый уровень Тст. Эта температура может быть температурой отверждения или, если требуется, достижение Тст может быть ускорено повышением температуры.
П р и м е р 1. Этот пример описывает реализацию настоящего изобретения на практике с использованием избытка ароматической тетракарбоновой кислоты.
Раствор исходных веществ, приводящих к образованию полиимида, на основе 2,2-бис(3,
4-дикарбоксифенилгексафторпро- пана) 6FТА и мета-фенилендиамина (MPD) и пара-фенилендиамина (РРD) получают согласно следующей методике. Необходимое количество растворителей N-метилпирролидона (NМР) и
этанола, взятых в соотношении 45 ч/55 ч, наливают в реакционный сосуд, который был продукт сухим азотом. Перемещение поддерживают на всем протяжении процесса. Постепенно добавляют 6 FТА, и смесь
нагревают до температуры, лежащей в интервале 60о-70оС. После завершения добавления 6 FТА температуру смеси поднимают до величины, лежащей в пределах от 92оС, до
температуры кипения и выдерживают в течение 3,5 ч для растворения 6FТА. Затем раствор охлаждают до 60-65оС и постепенно добавляют диамины: 5 ч мета и 95 ч. пара-изомера. Смесь выдерживают в
течение 1,5 ч при 60-65оС для растворения диаминов. Затем раствор помещают на хранение при 0оС. Перед использованием эти растворы подогревают. Для получения раствора исходных
веществ, характеризующегося мономерным дисбалансом композиции в 10 молярных избытка 6FТА, используют следующие ингpедиенты, г: NMР 7668,9 этанол 9373,2 6 FTА (96,97% чистоты) 71861,1 145,09 моль МРD
712,66 6,59 моль РРD 13540,7 125,2 моль
Этот получающийся в результате раствор исходных веществ, содержащий 63,5% твердого вещества в пересчете на отвержденную смолу, используют для
приготовления ленты препрега шириной 0,305 м с углеродным волокном/марки "Геркулес AS-4/12 К/. Получающийся в результате препрег содержит приблизительно 37,7 мас. смолы в пересчете на полностью
отвержденную смолу. Препрег хранят во влагостойких упаковках при 0оС.
Композиционный материал получают следующим образом. Вынимают препрег их холодильника и дают ему возможность нагреться до комнатной температуры. Разрезают его на куски длиной 0,305 м и готовят заготовку со следующей схемой укладки: 24 слоя размером 0,305 м х 0,305 х 0,610 м (однонаправленной конфигурации), используют стадию вакуумного уплотнения продолжительность 10-20 мин при номинальном давлении 709 мм рт.ст. после наложения каждый 6 дополнительных слоев. Эту предварительно отформованную заготовку укладывают в приспособление для автоклавного формования методом вакуумного мешка. При этом используют следующие материалы; вакуумный мешок из полиимидной пленки марки "Каптон" толщиной 3 мил (0,0762 мм), слои из стеклоткани, через отверстия которой отходят газы; разделительный слой; слой, препятствующий вытеканию, и стальные торцевые перегородки. Три предварительно отформованных заготовки помещают на плоской поверхности оснастки из нержавеющей стали, имеющей 6 встроенных каналов для подачи вакуума, и формуют в автоклаве размером 0,98 х x1,64 м. В начале автоклав находится при температуре окружающей среды с вакуумом в мешке, составляющем 51 мм Нд при атмосферном давлении снаружи. Термопары расположены вблизи предварительно отформованных заготовок. Автоклав нагревают со скоростью 0,5оС/мин от температуры окружающей среды до 400оС и выдерживают в течение 1 ч. При 385оС в автоклаве создают давление в 2,76 МПа в автоклаве создают давление в 2,76 МПа в течение 15 мин для отверждения композита. Последующее отверждение, целью которого является увеличение Тст, достигают нагреванием со скоростью 1о С/мин до 430оС, выдерживанием при этой температуре в течение 4 ч охлаждением до 300оС со скоростью приблизительно 1,7оС/мин и последующим охлаждением до температуры окружающей среды со скоростью 5оС/мин. Вакуум сбрасывают от 51 до 102 мм нд при 160оС и до 203 мм Нд при 180оС. При 200оС вакуум поднимают до 405 мм рт.ст. и при 210оС вакуум сбрасывают полностью.
Фактическую плотность получаемого этим способом материала определяют по методу Архимеда. Содержание пустот определяют, используя фактическую плотность и плотность, оцененную для материала, лишенного пустот (теоретическая плотность), исходя из массового баланса, где плотность смолы и углеродного волокна принимают равной 1,45 г/см3 (1450 кг/м3) и 1,80 г/см3, (1800 кг/м3) соответственно, по уравнению: пустот 100х/1 (фактическая плотность/плотность без пустот). Затем из материала вырезают образцы требуемого размера и в требуемом количестве для различных испытаний. Температуру стеклования, Тст, определяют с использованием динамического механического анализатора (система типа "Du Pont 9900ТА", где использован модуль из модели 983 DМА), работающего в резонансном режиме, применяя образец размером 82 х 13,7 х 3,55 мм и поднимая температуру со скоростью 10оС/мин до 430оС. Температуру стеклования Тст определяют стандартным методом, как пересечение касательных к кривым изменения модуля до и после достижения Тст.
Прочность при изгибе определяют согласно стандарту А ТМ-790. Используют образцы размером 25,4 х 76,2 х 3,55 мм и испытание проводят при отношении расстояния между опорами к толщине, равном 16:1. Приводимая прочность является средней из пяти значений.
Оценку термоокислительной стабильности проводят на образцах размером 25,4x х 76,22 х 3,55 мм, которые подвергают старению в печи с воздушной циркуляцией при 370оС. Для этого используют печь модели "Blue Multra Temp", имеющую камеру размером 0,682 х 0,548 х 0,548 м с контролируемой входной задвижкой, позволяющей осуществлять подачу воздуха со скоростью 0,0426 м3 с-1. После завершения старения в течение 216 ч образцы удаляют и испытывают. Делают две оценки термостабильности: изменение (потерю) веса, усредненное по двум образцам, и сохранение прочности при изгибе, определяемой как детально описано ранее. Результаты испытаний образцов приводятся в табл.1.
П р и м е р 2 (контрольный). Этот пример является контрольным, где используют такой же стехиометрический дисбаланс, как и в примере 1.
Материал готовят из препрега примера 1 тем же самым способом, исключая лишь стадию нагревания полимера для повышения Тст в автоклавном цикле обработки. В этом примере охлаждение автоклава следует сразу же после того, как автоклав был выдержан при 400оС в течение 1 ч. Данные по содержанию пустот и Тст для этого по- лученного образца представлены в табл.1.
П р и м е р 3. Этот пример показывает использование большего
стехиометрического дисбаланса, чем в примере 1. Раствор исходных веществ, характеризующийся избытком к 6 FTA, равным 15 мол. по отношению к стехиометрическому количеству, где соотношение МР/РР такое
же, как в примере 1, получают с приблизительно 63,5% твердого вещества в пересчете на отвержденную смолу согласно методике, описанной в примере 1, используя следующие ингредиенты, г: NМР 7858,1 этанол
9604,3 6 FTA (97,16% чистоты) 37612,8 75,87 моль МРD 357,5 3,30 РРD 6788,8 62,77 моль
Готовят препрег, армированный углеродными волокнами, содержащий 37,0% твердого вещества в пересчете на
отвержденную смолу и отверждение осуществляют в автоклаве при 2,76 МПа по методике, описанной в примере 1. Испытания проводят таким же образом, как в примере 1, полученные результаты представлены в
табл.1.
П р и м е р 4 (контрольный). Раствор исходных веществ, характеризующийся стехиометрическим соотношением мономеров, приготовленный из 6 FТА тетракарбоновой кислоты с
использованием отношения MPD/РРD диамина такого же, как в примере 1, получают с приблизительно 63,5% содержанием твердого вещества в пересчете на отвержденную смолу, как в примере 1 и следующих
ингредиентов, г: NMР 7654,0 этанол 9355,0 6 FТА (97,74% чистоты) 37331,0 75,97 моль МРD 410,9 3,47 моль РРD 7807,7 72,19 моль
Готовят препрег с углеродным волокном, содержащий 36,2% твердых
веществ в пересечете на отвержденную смолу, а материал получают в автоклаве при 4,48 МПа по методике, описанной в примере 1, за исключением того, что после отверждения не проводят стадию нагревания
для повышения Тст, т.е. сразу же после 1 часовой выдержки при 400оС автоклав охлаждают. Испытания проводят как описано в примере 1. Применение до отверждения повысило бы Тст, но не уменьшило бы содержание пустот.
П р и м е р 5. Препрег шириной 0,305 м изготовливают с применением углеродного волокна марки IМ6 (производимого фирмой "Геркулес") и раствора исходных веществ, образующих в результате реакции полиимид. Раствор исходных веществ получают из диэтилового эфира пиромеллитовой кислоты и 5% молярного избытка 4,4'-/(1,1'-бифенил)/-2, 5диилбис(окси)/бисбензоламина в N-метилпирролидона в качестве растворителя. Избыточный амин нейтрализуют фталевым ангидридом. Готовят раствор, содержащий приблизительно 64 мол. твердого вещества в пересчете на отвержденную смолу, и препарат, содержащий около 40 об. полиимидной смолы в пересчете на полностью отвержденную смолу. Препрег разрезают на куски, и выкладывают 3 панели со следующими размерами и ориентациями слоев: 0,219 х 0,300 м (0о)32, 0,383x х 0,383 м (+45о, 90о, -45о,0о)3 и 0,383 х 0,383 м (+45о, -45о)8. Ламинат (0о) имеет вдоль одной стороны две полости шириной в 25,4 мм из пленки марки "Каптон" толщиной 3 мил, (0,0762 мм), вставленные между слоями 16 и 17 в качестве инициаторов трещин. Эти панели помещают на плоскую крафитовую оснастку, покрытую разделительным барьерным слоем, и покрывают одним разделительным слоем и 4 слоями ткани из стекловолокна марки (S), через отверстия которой выходят газы. Слой пленки марки "Каптон" толщиной 3 мил уплотняют по периметру графитовой оснастки с помощью уплотнительной ленты, получая вакуумный мешок. Эту систему помещают в автоклав и подвергают отверждение в следующем режиме.
Прикладывают вакуум 127 мм рт. ст. и автоклав нагревают со скоростью 0,5оС/мин от комнатной температуры до 360оС. При 204оС вакуум делают равным 709 мм рт.ст. и композит отверждают, прилагая давление в 1,28 МПа, со скоростью 0,0689 МПа в минуту при 360оС. Для более эффективного автоклав нагревают до 393оС со скоростью 0,5оС/мин и выдерживают в течение 1 ч при 393оС. Продукты охлаждают от 393оС до 248оС со скоростью 0,5оC/мин и от 248оС до температуры окружающей среды со скоростью 2,5оC/мин. Давление сбрасывают при 93оС.
После разупаковки и обрезки кромок из панелей вырезают образцы для испытаний. До вырезания образцов по методу Архимеда была измерена плотность квазиизотропных панелей и панелей со схемой укладки слоев ±45о и было обнаружено, что она составляет 1,56 г/см3 (1560 кг/м3) против теоретической плотности, составляющей 1,56 г/см3. Тст материала измеряют с помощью динамического механического анализатора (DMA) по методике, аналогичной описанной в примере 1. В табл.2 суммированы результаты термического анализа. В таблицу также включены типичные величины для материала, полученного, в процессе, когда автоклав сразу же охлаждали после 1 часовой выдержки при 360оС, т.е. когда композит не подвергали доотверждению после охлаждения в расплаве.
Реферат
Использование: изобретение относится к области получения полиимидных композиционных материалов, которые находят широкое применение в различных областях техники, в частности, в аэрокосмической технике. Полиимиды, используемые при высоких температурах дложны иметь высокую температуру стеклования, чтобы сохранять механические свойства при прогнозинуемых температурах эксплуатации. Существо: получение полиимидных композиционных материалов осуществляют путем пропитки волокнистого наполнителя раствором, содержащим избыточное количество (до 10 - 15 мас.%) исходных полиимид-образующих мономеров - ароматического диамина или смеси ароматических диаминов и ароматической тетракарбоновой кислоты или ее функциональное эквивалента или смеси указанной кислоты с ароматическим моноангидридом с последующей полимеризацией указанных мономеров, дегазацией летучих веществ при постепенном нагревании полученного препрега под вакуумом до температуры превышающей температуру стеклования полиимида и отверждением полученного препрега под давлением до снижения содержания пустот менее 1% и последующего нагревания материала до тех пор, пока температура стеклования не будет равной или большей, чем температура стеклования полиимида на основе тех же исходных мономеров, взятых в стехиометрических соотношениях. Отдельные слои препрега перед полимеризацией укладывают в пакет. В качестве исходного диамина используют смесь п - и м-фенилендиамина, а в качестве тетракарбоновой кислоты 2,2-бис (3,4-дикарболенфенил) гексафторпропан, в качестве диамина также используют избыток 4,41-(1,1-дифенил) 2, 5-диилбис (окси) био-бензоламин, а в качестве кислоты используют диэтиловый эфир пиромеллитовой кислоты, при этом избыток амина нейтрализуют фталевым ангидридом. 4 з. п. ф-лы.
