PL242518B1 - Laminat magnez-węgiel - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest laminat magnez-węgiel posiadający arkusze blachy magnezowej z warstwami anodowymi i warstwy kompozytu epoksydowo- węglowego charakteryzuje się tym, że składa się z arkuszy blachy magnezowej, które posiadają na obu powierzchniach warstwy (2) anodowe, przy czym warstwy (2) anodowe przylegają adhezyjnie do warstw (1) samonaprawiających się, zaś pomiędzy warstwami (1) samonaprawiającymi się nałożone są cztery jednakowe warstwy (5) kompozytu epoksydowo-węglowego połączone ze sobą za pomocą klejenia.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest laminat magnez-węgiel.

Dotychczas znane są laminaty na bazie aluminium z warstwami epoksydowymi z włóknami szklanymi, aramidowymi i węglowymi. Obecnie stosowane są w lotnictwie laminaty pod nazwą Glare® na bazie stopu aluminium z warstwą polimerową z włóknami szklanymi. Aktualnie poszukiwane są nowe rozwiązania technologiczne i materiałowe związane z dążeniem do obniżenia kosztów eksploatacji szczególnie w przemyśle lotniczym, gdzie paliwo generuje duże koszty. Ponadto dąży się, aby nowe materiały były lżejsze od poprzednich, przy zachowaniu tych samych, bądź korzystniejszych właściwości wytrzymałościowych i korozyjnych. Połączenie warstw magnezu i kompozytu epoksydowo-węglowego posiada korzystne właściwości wytrzymałościowe, szczególnie dzięki wysokiej sztywności włókien węglowych, a magnezu dzięki lekkości jako stopu metalu nieżelaznego. Problem w tym przypadku może stanowić występujące zjawisko korozji galwanicznej.

Znane są z polskich opisów patentowych nr PL 162006 (B1) i PL183754 (B1) metody wytwarzania laminatów i laminaty, jednakże dotyczą one laminatów polimer-metal-polimer i tytan-ceramika. Ponadto patenty polskie nr PL232952 (B1) i PL232870 (B1) opisują laminat metalowo-polimerowy na bazie stopu tytanu. Polskie zgłoszenie patentowe nr PL407557 (A1) opisuje sposób wytwarzania i laminat aluminium-węgiel-aluminium.

Znany jest również' z europejskiego zgłoszenia patentowego nr EP0312151 (A1) laminat metalowo-włóknisty złożony z naprzemiennie ułożonych i połączonych adhezyjnie cienkich blach metalowych oraz warstw kompozytu wzmacnianego włóknami szklanymi w osnowie polimerowej. Z amerykańskiego zgłoszenia patentowego nr US4500589 (A) znany jest laminat metalowo-włóknisty złożony z blach aluminiowych oraz warstw włókien aramidowych połączonych ze sobą za pomocą środka adhezyjnego. Natomiast ze zgłoszenia europejskiego nr EP2143559 (A1) znany jest materiał na bazie stopu magnezu i metoda wytwarzania.

Aktualny stan wiedzy na temat charakterystyki, procesów wytwarzania i zastosowania laminatów zawierających magnez i włókna węglowe został opisany w artykule „Zachowanie przy zginaniu laminatów hybrydowych kompozyt wzmacniany włóknami węglowymi/magnez o różnych grubościach warstw” przez M. C. Kuo i J. C. Huang w Key Engineering Materials vol. 274-276, 2004, str. 1153-11, jak również „Wytwarzanie wysokowydajnych kompozytów laminowanych magnezowo-węglowych/polieteroeteroketon” przez X. Wu, Y. Pan, G. Wu, Z. Huang, R. Tian, S. Sun w Advanced Composites Letters, Vol. 26, Iss. 5, 2017 str. 168-172. Sposób przygotowania warstwy na magnezie i badania wytrzymałości zostały przedstawione w artykule „Wpływ przygotowania powierzchni na wytrzymałość międzywarstwową w trybie otwartym i trybie przesuwnym laminatów kompozyt wzmacniany włóknami węglowymi/magnez” przez Y. Pan, G. Wu, Z Huang, M. Li, S Ji, Z. Zhang w Surface & Coatings Technology 319, 2017, na str. 309-317.

Niestety takie połączenie niesie za sobą ryzyko powstania korozji galwanicznej pomiędzy warstwą magnezu i kompozytu epoksydowo-węglowego, stąd poszukiwane są warstwy zabezpieczające i izolujące od siebie te warstwy. W ostatnich latach zaczęto rozwijać warstwy samonaprawiające się w odniesieniu do zabezpieczeń antykorozyjnych. Materiały samonaprawiające się należą do grupy materiałów inteligentnych, które zmieniają swoje właściwości w kontrolowany sposób w odpowiedzi na działanie bodźca zewnętrznego.

Mikrocząstki zalicza się do lekkiej frakcji glinokrzemianów jak podaje w artykule Lachowski, A. „Hybrydowe mikrocząstki krzemionka- substancja biologicznie czynna otrzymywane metodą zol-żel i suszenia” w Inżynieria Chemiczna i Procesowa 2004 Tom 25, zeszyt 3/2 str. 1255-1260. W artykule Suri S., Ruan G., Winter J. I Schmidt C.E. “Rozdział 1.2.19 - Mikrocząstki i Nanocząstki” w Biomaterials Science - 3 edycja w An Introduction to Materials in Medicine 2013, strony 360-388 przedstawili zakres określający wielkość i charakterystykę mikrocząstek, które są stosowane w naukach inżynierskich i biomedycynie. Ponadto w artykule tym podano, że dzięki kształtowi zbliżonemu do kuli oraz znikomej porowatości otwartej, ziarna mikrocząstek posiadają niewielką powierzchnię właściwą. Natomiast w artykule Dragosavac M.M., Vladisavljević G.T., Holdich R.G., Stillwell M.T., „Wytwarzanie porowatych mikrocząstek krzemianowych w procesie emulgacji membranowej” w Langmuir 2012, 28,1, str. 134-143 przedstawiony został sposób wytwarzania w kontrolowany sposób kształtu, rozmiaru i wielkości mikrocząstek. W artykule “Wytwarzanie wysoce jednorodnych i usieciowanych mikrocząstek polimocznikowych poprzez kopolimeryzację oraz ich właściwości i charakterystyka struktury” J. Xu, H. Han, L. Zhang, X. Zhu,

X. Jianga i X. Z. Kong w RSC Advances 4, 61: 32134, 2014 przedstawili proces wytwarzania mikrocząstek, czyli polimeryzacji prepolimeru diizocyjanianu izoforonu - IPDI i kopolimeru dietylenotriaminy DETA.

Znane i stosowane są mikrokapsułki zawierające środek naprawczy osadza się w matrycy polimerowej. Gdy w matrycy polimerowej powstają pęknięcia, środek naprawczy jest uwalniany z mikrokapsułek w celu sieciowania i naprawy pęknięć. Mikrokapsułkowanie środka naprawczego w rdzeniu można osiągnąć przez polimeryzację materiału otoczki jak opisują A. Adamus-Włodarczyk, E. Irzmańska, B. Brycki w artykule „Aktualny stan wiedzy o polimerach zdolnych do samonaprawy w aspekcie aplikacji do całogumowych rękawic ochronnych” w POLIMERY 2018, 63, nr 7-8 str. 495-502.

Wykazano w artykule „Aplikacje mikrokapsułek jako samonaprawiające się materiały polimerowe” S.N. Gan i N. Shahabudin w rozdziale książki „Mikrokapsułkowanie - procesy, technologie i przemysłowe zastosowania”, że mikrokapsułki wytwarzane przez mikrokapsułkowanie środka naprawczego w moczniku-formaldehydowym - UF, melaminie formaldehydowej/melaminie-moczniku-formaldehydowym - MF/MUF i mikrokapsułkach z poliuretanu - PU są w stanie wytrzymać warunki przetwarzania w żywicach termoutwardzalnych oraz w materiałach kompozytowych.

Mikrokapsułki i mikrocząstki oraz samonaprawiające się powłoki przedstawione są w artykule „Mikrokapsułki mocznikowo-formaldehydowe - synteza oraz wpływ prędkości mieszania na rozrzut wymiaru” autorów P. Bolimowski, R. Kozera, A. Boczkowska w czasopiśmie Polimery 2018, 63, nr 5 na str. 339-346.

W zabezpieczeniach przed korozją rozwijane są warstwy samonaprawiające się zawierające mikrokapsułki na przykład te opisane w amerykańskim zgłoszeniu patentowym nr US20130196071 (A1) „Mikrokapsułkowanie reaktywnych diizocyjanianów i zastosowanie do samonaprawiających się powłok antykorozyjnych”, który opisuje mikrokapsułkę poliuretanową składającą się z produktu polimeryzacji prepolimeru diizocyjanianu metylenodifenylu - MDI z poliolem, przy czym mikrokapsułka poliuretanowa zawiera w środku również ciekły związek izocyjanianowy zamknięty w tej mikrokapsułce. Ujawnienie zapewnia również samonaprawiające się kompozycje powłokowe zawierające takie polimerowe mikrokapsułki i sposoby zapobiegania lub spowalniania korozji przy użyciu takich kompozycji powłokowych.

W artykule „Mikrosfery na bazie krzemionki o wzajemnie połączonej makroporowatości przez rozdział faz” Mario Vale, Mónica V. Loureiro, M. Joao Ferreira i Ana C. Marques w Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2020 opisano nowatorską metodę tworzenia mikrosfer lub mikrocząstek na bazie krzemionki z dietylenotriaminą. Te nowe materiały mają zastosowanie w wielu dziedzinach, jako materiały pomocnicze lub mikrokomórki do fotokatalizy, materiały biomedyczne lub antykorozyjne zabezpieczenie.

W artykule „Mikrokapsułkowanie izoforonu diizocyjanianu (IPDI) dla klejów jednoskładnikowych: działanie aktywnych mono-komponentów H i NCO” Mahboobeh Attaei, Mónica V. Loureiro, Mario Do Vale , Jose A. D. Condeęo, Isabel Pinho, Joao C. Bordado i Ana C. Marques w Polymers 2018, 10(8), 825; opisano proces wytwarzania mikrokapsułek i ich skład. Mikrokapsułki zawierają powłokę poliuretanową - PU i zawarty w środku diizocyjanian izoforonu, które są przyjazne środowisku i mają zdolności samonaprawiające się w połączeniu z innymi komponentami np. metalem lub gumą.

Celem wynalazku jest uzyskanie laminatu magnez-węgiel z warstwą samonaprawiającą się.

Istotą laminatu magnez-węgiel posiadającego arkusze blachy magnezowej z warstwami anodowymi, warstwy kompozytu epoksydowo-węglowego, mikrokapsułki, z których każda składa się z powłoki poliuretanowej z poliizocyjanuranu diizocyjanianu toluenu w octanie etylu w ilości 48,8% wagowo i wypełnienia z izocjanatu diizocyjanianu izoforonu w ilości 51,2% oraz mikrocząstki, z których każda składa się z powłoki z porowatych mikrosfer krzemionki w ilości 6,43% wagowo i wypełnienia z wodnego roztworu dietylenotriaminy w ilości 93,57% wagowo, według wynalazku, jest to, że składa się z arkuszy blachy magnezowej o grubości od 0,25 mm do 0,5 mm każdy, które posiadają na obu powierzchniach warstwy anodowe o grubości od 5 μm do 20 μm każda. Warstwy anodowe przylegają adhezyjnie do warstw samonaprawiających się o grubości od 5 μm do 0,25 mm każda. Każda z warstw samonaprawiających się składa się z mikrokapsułek o wielkości od 5 μm do 100 μm i mikrocząstek o wielkości od 5 μm do 100 μm, które połączone są ze środkiem adhezyjnym na bazie żywicy epoksydowej. Pomiędzy warstwami samonaprawiającymi nałożone są cztery jednakowe warstwy kompozytu epoksydowo-węglowego połączone ze sobą za pomocą klejenia. Każda z czterech warstw kompozytu epoksydowo-węglowego posiada grubość 0,131 mm.

Korzystnie jest, gdy każda z warstw samonaprawiających się posiada grubość 45 μm.

Korzystnie jest, gdy każda z warstw anodowych posiada grubość 8 μm.

Korzystnie jest, gdy każdy z arkuszy blachy magnezowej posiada grubość 0,3 mm.

Korzystnie jest, gdy każda z warstw samonaprawiających się składa się z mikrokapsułek o wielkości 30 μm i mikrocząstek o wielkości 30 μm, które połączone są ze środkiem adhezyjnym na bazie żywicy epoksydowej.

Korzystnym skutkiem wynalazku jest to, że otrzymuje się laminat magnez-węgiel o wysokich właściwościach antykorozyjnych oraz wysokich właściwościach wytrzymałościowych, oraz tym, że do anodowanej blachy magnezowej z warstwą samonaprawiającą się dobrze przylega warstwa kompozytu epoksydowo-węglowego. Laminat zawiera warstwę samonaprawiającą się, która odbudowuje mikropęknięcia oraz zapobiega występowaniu zmian korozyjnych, a także stanowi warstwę izolującą anodowany magnez od warstwy kompozytu epoksydowo-węglowego.

Wynalazek został przedstawiony w przykładzie wykonania na schematycznym rysunku, który przedstawia przekrój poprzeczny laminatu magnez-węgiel z warstwami samonaprawiającymi się.

Mikrokapsułki, z których każda składa się z powłoki poliuretanowej z poliizocyjanuranu diizocyjanianu toluenu w octanie etylu w ilości 48,8% wagowo i wypełnienia z izocjanatu diizocyjanianu izoforonu w ilości 51,2% oraz mikrocząstki, z których każda składa się z powłoki z porowatych mikrosfer krzemionki w ilości 6,43% wagowo i wypełnienia z wodnego roztworu dietylenotriaminy w ilości 93,57% wagowo.

Przykład 1

Laminat magnez-węgiel składa się z czterech jednakowych warstw 5 kompozytu epoksydowo-węglowego o grubości 0,131 mm każda, które połączono ze sobą za pomocą klejenia. Po obu stronach warstw 5 kompozytu epoksydowo-węglowego znajduje się warstwa 1 samonaprawiająca się o grubości 5 μm składająca się z mikrokapsułek 4 o wielkości 5 μm i mikrocząstek 6 o wielkości 5 μm połączonych ze środkiem adhezyjnym na bazie żywicy epoksydowej. Każda mikrokapsułka 4 składa się z powłoki poliuretanowej z poliizocyjanuranu diizocyjanianu toluenu w octanie etylu w ilości 48,8% wagowo i wypełnienia z izocjanatu diizocyjanianu izoforonu w ilości 51,2%, a każda mikrocząstka 5 składa się z powłoki z porowatych mikrosfer krzemionki w ilości 6,43% wagowo i wypełnienia z wodnego roztworu dietylenotriaminy w ilości 93,57% wagowo. Arkusze 3 blachy magnezowej o grubości 0,3 mm posiadają na obu powierzchniach warstwy 2 anodowe o grubości 5 μm przylegające adhezyjnie do warstw 1 samonaprawiających się.

Przykład 2

Laminat magnez-węgiel składa się z czterech jednakowych warstw 5 kompozytu epoksydowo-węglowego o grubości 0,131 mm każda, które połączono ze sobą za pomocą klejenia. Po obu stronach warstw 5 kompozytu epoksydowo-węglowego znajduje się warstwa 1 samonaprawiająca się o grubości 0,25 mm składająca się z mikrokapsułek 4 o wielkości 100 μm i mikrocząstek 6 o wielkości 100 μm połączonych ze środkiem adhezyjnym na bazie żywicy epoksydowej. Każda mikrokapsułka 4 składa się z powłoki poliuretanowej z poliizocyjanuranu diizocyjanianu toluenu w octanie etylu w ilości 48,8% wagowo i wypełnienia z izocjanatu diizocyjanianu izoforonu w ilości 51,2%, a każda mikrocząstka 5 składa się z powłoki z porowatych mikrosfer krzemionki w ilości 6,43% wagowo i wypełnienia z wodnego roztworu dietylenotriaminy w ilości 93,57% wagowo. Arkusze 3 blachy magnezowej o grubości 0,5 mm posiadają na obu powierzchniach warstwy 2 anodowe o grubości 20 μm przylegające adhezyjnie do warstw 1 samonaprawiających się.

Przykład 3

Laminat magnez-węgiel składa się z czterech jednakowych warstw 5 kompozytu epoksydowo-węglowego o grubości 0,131 mm każda, które połączono ze sobą za pomocą klejenia. Po obu stronach warstw 5 kompozytu epoksydowo-węglowego znajduje się warstwa 1 samonaprawiająca się o grubości 45 μm składająca się z mikrokapsułek 4 o wielkości 30 μm i mikrocząstek 6 o wielkości 30 μm połączonych ze środkiem adhezyjnym na bazie żywicy epoksydowej. Każda mikrokapsułka 4 składa się z powłoki poliuretanowej z poliizocyjanuranu diizocyjanianu toluenu w octanie etylu w ilości 48,8% wagowo i wypełnienia z izocjanatu diizocyjanianu izofornu w ilości 51,2%, a każda mikrocząstka 5 składa się z powłoki z porowatych mikrosfer krzemionki w ilości 6,43% wagowo i wypełnienia z wodnego roztworu dietylenotriaminy w ilości 93,57% wagowo. Arkusze 3 blachy magnezowej o grubości 0,25 mm posiadają na obu powierzchniach warstwy 2 anodowe o grubości 8 μm przylegające adhezyjnie do warstw 1 samonaprawiających się.

Claims (5)

1. Laminat magnez-węgiel posiadający arkusze blachy magnezowej z warstwami anodowymi, warstwy kompozytu epoksydowo-węglowego, mikrokapsułki, z których każda składa się z powłoki poliuretanowej z poliizocyjanuranu diizocyjanianu toluenu w octanie etylu w ilości 48,8% wagowo i wypełnienia z izocjanatu diizocyjanianu izoforonu w ilości 51,2% oraz mikrocząstki, z których każda składa się z powłoki z porowatych mikrosfer krzemionki w ilości 6,43% wagowo i wypełnienia z wodnego roztworu dietylenotriaminy w ilości 93,57% wagowo, znamienny tym, że składa się z arkuszy (3) blachy magnezowej o grubości od 0,25 mm do 0,5 mm każdy, które posiadają na obu powierzchniach warstwy (2) anodowe o grubości od 5 μm do 20 μm każda, przy czym warstwy (2) anodowe przylegają adhezyjnie do warstw (1) samonaprawiających się o grubości od 5 μm do 0,25 mm każda, natomiast każda z warstw (1) samonaprawiających się składa się z mikrokapsułek (4) o wielkości od 5 μm do 100 μm i mikrocząstek (6) o wielkości od 5 μm do 100 μm, które połączone są ze środkiem adhezyjnym na bazie żywicy epoksydowej, zaś pomiędzy warstwami (1) samonaprawiającymi nałożone są cztery jednakowe warstwy (5) kompozytu epoksydowo-węglowego połączone ze sobą za pomocą klejenia, przy czym każda z czterech warstw (5) kompozytu epoksydowo-węglowego posiada grubość 0,131 mm.

2. Laminat, według zastrz. 1, znamienny tym, że każda z warstw (1) samonaprawiających się posiada grubość 45 μm.

3. Laminat, według zastrz. 1, znamienny tym, że każda z warstw (2) anodowych posiada grubość 8 μm.

4. Laminat, według zastrz. 1, znamienny tym, że każdy z arkuszy (3) blachy magnezowej posiada grubość 0,3 mm.

5. Laminat, według zastrz. 1, znamienny tym, że każda z warstw (1) samonaprawiających się składa się z mikrokapsułek (4) o wielkości 30 μm i mikrocząstek (6) o wielkości 30 μm, które połączone są ze środkiem adhezyjnym na bazie żywicy epoksydowej.