Актуальность проблемы. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) в последние 50 лет так глубоко проникли в различные сферы промышленности, транспорта, бытового сектора, что степень их использования стала критерием уровня научно-технического прогресса любой страны. Применение их позволяет резко снизить расход остродефицитных материалов (титана, алюминия, бериллия, нержавеющей стали и других), повысить грузоподъемность и обеспечить значительную экономию топлива за счет уменьшения массы конструкций.

Особое место среди них занимают угле- (УП) и стеклопластики (СП), а в последние годы и базальтопластики (БП). Именно базальтопластики являются важными и значимыми в плане создания и развития производств ПКМ большой мощности с выпуском широкого ассортимента продукции, доступной по цене разным отраслям промышленности. Для этого наша страна обладает огромными запасами горных пород габбро-базальтовой группы и разработанными технологиями переработки их в высококачественные минеральные волокна, нити, ровинги, нетканые холсты, сетки и другой ассортимент.

Будущее за базальтопластиками еще и потому, что углеродные волокна очень дороги и количество их ограничено, производство стеклянных и органических (химических) волокон в Российской Федерации не удовлетворяет потребности промышленности. Поэтому разработка современной технологии базальтопластиков является актуальной проблемой.

Целью работы является разработка научных основ интеркаляционной технологии базальто-, стекло- и углепластиков поликонденсационным способом наполнения на основе фенолформальдегидного связующего и базальтовой, стеклянной и углеродной нитей.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

· установление закономерностей и параметров интеркаляционной технологии (ИТ);

· изучение особенностей адсорбции фенола поверхностью базальтовых (БН), стеклянных (СН) и углеродных (УН) нитей;

· установление взаимосвязи структура - свойства ПКМ на основе БН, СН и УН, полученных по интеркаляционной технологии;

· определение физико-химических и механических свойств исходных и модифицированных ПКМ на основе БН, СН и УН.

Научная новизна работы состоит в следующем:

· доказана эффективность получения ПКМ на основе БН, СН и УН и фенолформальдегидного связующего по ИТ;

· изучены свойства ПКМ на основе БН, СН и УН, и показана возможность их регулирования различными способами модификации;

· взаимодополняющими методами исследования установлено, что на основе неорганических нитей по ИТ формируется плотная и сшитая структура БП, СП и УП, обеспечивающая высокие прочностные и физико-химические характеристики материала.

Практическая значимость работы заключается в том, что установлена технико-экономическая эффективность использования ИТ для получения БП, СП и УП, а также эффективность модификации фенолформальдегидного олигомера (ФФО) на стадии синтеза связующего и гибридизации СН с УН.

На защиту выносятся следующие основные положения:

· результаты комплексных исследований влияния наполнителей на формирование структуры, механических и физико-химических свойств ПКМ;

· результаты исследования влияния модифицирующих добавок на свойства БП, СП и УП, сформированных по ИТ и достижения синергизма при гибридизации СН и УН.

Достоверность и обоснованность результатов исследования подтверждается комплексом независимых и взаимодополняющих методов исследования: термогравиметрического, рентгеноструктурного анализа, оптической, сканирующей туннельной и растровой электронной микроскопии, газовой и пиролитической хроматографии, методами определения физико-химических и механических свойств материалов.

Апробация результатов работы. Результаты работы доложены на 8 Международных и Всероссийских конференциях, в том числе: Международной конференции «Композит-98» (Саратов, 1998), I Всероссийской научной конференции "Физико-химия процессов переработки полимеров" (Иваново, 1999), Международной конференции «Современные технологии в образовании и науке. Высшая школа–99» (Саратов, 1999), Международной конференции по химии и химической технологии «МКХТ-2000» (Москва, 2000), Международной конференции по химическим волокнам "Химволокна-2000" (Тверь, 2000), ХХХI Научно-технической конференции "Актуальные проблемы современного строительства" (Пенза, 2001), Международной конференции «Композит–2001» (Саратов, 2001), Международной конференции "Стеклопрогресс-ХХI" (Саратов, 2002).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе три статьи в центральных изданиях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов; списка использованной литературы (192 источника); изложена на 121 странице, содержит 26 рисунков и 21 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы, цели и задачи исследований, научную новизну и практическую значимость работы.

Глава 1. Литературный обзор

Проведен анализ литературы по современному состоянию проблемы использования БН, СН и УН и ПКМ на их основе. Анализ и обобщение литературных данных свидетельствуют об эффективности применения поликонденсационного способа наполнения, разработанного на кафедре СГТУ (Пат. №1616930; №2021301, РФ), для повышения физико-химичес-ких и механических характеристик ПКМ; о практической целесообразности и эффективности производства БП, СП и УП, однако отсутствуют сведения о результативности использования БН и СН для ПКМ, сформированных поликонденсационным способом наполнения по ИТ; о технико-экономической эффективности применения модификации БП, СП и УП.

Глава 2. Объекты, методики и методы исследования

Представлены характеристики используемых материалов, методы и методики испытаний. В качестве исходных мономеров использовались: формальдегид (40%-й водный раствор) ГОСТ 1625-89, фенол ГОСТ 23519-93 и щелочной катализатор NаОН ГОСТ 11078-78. Для сравнения синтезировали в лабораторных условиях фенолформальдегидную смолу (ФФС). В качестве наполнителей использовали базальтовую нить (производства Украины), стеклянную нить (ЭЗ-200, ГОСТ 19907-83), углеродную нить (УКН –2,5/П). В качестве модифицирующих добавок применялись вторичный поливинилбутираль ("Solutia company", Бельгия), капролактам (ГОСТ 7850-86), лапрол (ТУ 2226-023-104880-57-95).

Основное содержание экспериментальной части

Глава 3. Физико-химические основы технологии поликонденсационного наполнения базальто-, стекло- и углепластиков

Сущность процесса поликонденсационного наполнения заключается в том, что для формирования полимерной матрицы пропитка нитей осуществляется не ФФС (традиционный способ), а смесью мономеров–фенола с формальдегидом и катализатором NaОН. Речь идет о принципиально новом процессе взаимодействия полимерное связующее-армирующие нити, основанного на интеркаляции (внедрении) смеси мономеров в структуру нитей с последующим синтезом олигомеров в виде ультратонких по-листруктур в порах, дефектах, трещинах и на поверхности нитей, что обеспечивает формирование плотной структуры и повышенные свойства ПКМ. Такая технология получила название интеркаляционной.