RU2755343C1 - Method for obtaining polymer-composite material and composite reinforcement - Google Patents

Method for obtaining polymer-composite material and composite reinforcement Download PDF

Info

Publication number
RU2755343C1
RU2755343C1 RU2021107000A RU2021107000A RU2755343C1 RU 2755343 C1 RU2755343 C1 RU 2755343C1 RU 2021107000 A RU2021107000 A RU 2021107000A RU 2021107000 A RU2021107000 A RU 2021107000A RU 2755343 C1 RU2755343 C1 RU 2755343C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
epoxy resin
composite material
polymer
colloidal solution
reinforcement
Prior art date
Application number
RU2021107000A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Валентинович Белкин
Константин Анатольевич Чаленко
Original Assignee
Сергей Валентинович Белкин
Константин Анатольевич Чаленко
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сергей Валентинович Белкин, Константин Анатольевич Чаленко filed Critical Сергей Валентинович Белкин
Priority to RU2021107000A priority Critical patent/RU2755343C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2755343C1 publication Critical patent/RU2755343C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L63/00Compositions of epoxy resins; Compositions of derivatives of epoxy resins
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E04BUILDING
    • E04CSTRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C5/00Reinforcing elements, e.g. for concrete; Auxiliary elements therefor
    • E04C5/07Reinforcing elements of material other than metal, e.g. of glass, of plastics, or not exclusively made of metal

Abstract

FIELD: building materials.
SUBSTANCE: invention relates to the field of building materials and is intended for the reinforcement of building structures. The method of obtaining a polymer-composite material is a multi-stage production of a colloidal solution based on epoxy resin with the addition of carbon nanotubes using heating and ultrasonic action. On the basis of a colloidal solution, a polymer composite material is manufactured, consisting of an epoxy resin, a hardener, an accelerator, a plasticizer and multilayer carbon nanotubes. With the use of a polymer composite material made according to the described method, a stressed reinforced composite reinforcement is produced. It consists of strained reinforcing fibers of straight glass roving made of alkali-resistant E-glass with a tension increase of 50-1500 kg, polymer and a twisted strand of straight glass roving made of alkali-resistant E-glass.
EFFECT: invention allows obtaining a reinforced stressed composite reinforcement with improved physical and mechanical characteristics, increased resistance to aggressive environments.
2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области строительных материалов и предназначено для армирования строительных конструкций.The invention relates to the field of building materials and is intended for the reinforcement of building structures.

Из уровня техники известно наномодифицированное эпоксидное связующее для композиционных материалов (RU 2584013, опубл. 20.05.2016, Бюл. №14). Наномодифицированное эпоксидное связующее для композиционных материалов включает эпоксидную диановую смолу и аминный отвердитель. В качестве отвердителя оно содержит полиамин марки «Арамин-Т», представляющий собой модифицированный ароматический полиамин. Композиционный материал содержит наночастицы силикатного типа, представляющие собой органофильную глину марки «Монамет 1Э1», и наночастицы углеродного типа, представляющие собой карбоксилированные углеродные нанотрубки марки «Таунит-М». При необходимости он содержит пластификатор-флотореагент оксаль Т-92, представляющий собой смесь диоксановых спиртов и их высококипящих эфиров. Композиционный материал содержит активный разбавитель, представляющий собой продукт конденсации анилина и эпихлоргидрина (эпоксианилиновая смола марки ЭА). Указанные компоненты содержатся в композиционном материале при следующем соотношении их (мас.%): эпоксидиановая смол (4,12-72,44), наночастицы силикатного типа (0,51-1,81), наночастицы углеродного типа (0,02-0,45), пластификатор (0,0-0,56), активный разбавитель (3,78-65,52), ароматический аминный отвердитель (22,69-28,1). Основным недостатком данного изобретения является холодный тип его отверждения. В качестве отвердителя используется аминный отвердитель. Процесс отверждения очень длительный и не подходит для производства композитной арматуры, где используют горячее отверждение и ангидридный отвердитель. Также к недостаткам можно отнести слишком малые по времени стадии диспергирования (перемешивания) наноматериалов. Углеродные нанотрубки (УНТ), как и другие наночастицы образуют довольно прочные агломераты и агрегаты, которые разбить и равномерно перемешать с эпоксидной смолой за 20-30 минут невозможно.A nano-modified epoxy binder for composite materials is known from the prior art (RU 2584013, publ. 05/20/2016, bull. No. 14). The nanomodified epoxy binder for composites includes dian epoxy resin and amine hardener. As a hardener, it contains a polyamine brand "Aramine-T", which is a modified aromatic polyamine. The composite material contains silicate-type nanoparticles, which are organophilic clay of the "Monamet 1E1" brand, and carbon-type nanoparticles, which are carboxylated carbon nanotubes of the "Taunit-M" brand. If necessary, it contains a plasticizer-flotation agent oxal T-92, which is a mixture of dioxane alcohols and their high-boiling ethers. The composite material contains an active diluent, which is a condensation product of aniline and epichlorohydrin (EA brand epoxyaniline resin). These components are contained in the composite material in the following ratio (wt%): epoxy resin (4.12-72.44), silicate-type nanoparticles (0.51-1.81), carbon-type nanoparticles (0.02-0 , 45), plasticizer (0.0-0.56), active diluent (3.78-65.52), aromatic amine hardener (22.69-28.1). The main disadvantage of this invention is its cold curing type. An amine hardener is used as a hardener. The curing process is very long and is not suitable for the production of composite rebar using hot cure and anhydrite hardener. Also, the disadvantages can be attributed to the stage of dispersion (mixing) of nanomaterials that are too short in time. Carbon nanotubes (CNTs), like other nanoparticles, form rather strong agglomerates and aggregates that cannot be broken up and evenly mixed with epoxy resin in 20-30 minutes.

Наиболее близким техническим решением является эпоксидная композиция для высокопрочных, щелочестойких конструкций (патент на изобретение RU 2536141 С2, опубл. 20.12.2014, Бюл. №35). Эпоксидная композиция горячего отверждения в качестве связующего для изготовления стеклопластиковых материалов включает в себя эпоксидный диановый олигомер марки ЭД-20, отвердитель - изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид (изо-МТГФА) и катализатор реакции полимеризации, согласно изобретению в качестве модифицирующей добавки она дополнительно содержит наноматериалы углеродного типа, представляющие собой углеродные нанотрубки (УНТ), либо углеродные нановолокна (УНВ), либо смесь углеродных наноматериалов: фуллерен, нанотрубки, нановолокна (СУНМ), либо сажевый углерод (сажа), при следующем содержании компонентов, мас.ч.: эпоксидный олигомер - 100, изо-МТГФА - 80, вышеуказанный катализатор - 1,5, углеродные наноматериалы - 0,05-1,5. Недостатком данного изобретения является смешивание углеродного наноматериала с компонентами полимерной матрицы с помощью ультразвукового генератора с недостаточно эффективной частотой 22 кГц. В совокупности с малым временем термической и механической обработки данное изобретение не позволяет достичь высокой степени однородности распределения УНТ и, соответственно, высокой механической и химической стойкости полимерного композитного материала (ПКМ).The closest technical solution is an epoxy composition for high-strength, alkali-resistant structures (patent for invention RU 2536141 C2, publ. 20.12.2014, bull. No. 35). The hot curing epoxy composition as a binder for the manufacture of fiberglass materials includes an epoxy dian oligomer of the ED-20 brand, a hardener - iso-methyltetrahydrophthalic anhydride (iso-MTHFA) and a polymerization reaction catalyst, according to the invention, it additionally contains carbon-type nanomaterials as a modifying additive , which are carbon nanotubes (CNT), or carbon nanofibers (CNF), or a mixture of carbon nanomaterials: fullerene, nanotubes, nanofibers (CUNM), or carbon black (soot), with the following content of components, parts by weight: epoxy oligomer - 100, iso-MTHFA - 80, the above catalyst - 1.5, carbon nanomaterials - 0.05-1.5. The disadvantage of this invention is the mixing of carbon nanomaterial with the components of the polymer matrix using an ultrasonic generator with an insufficiently effective frequency of 22 kHz. In combination with a short time of heat and mechanical treatment, this invention does not allow achieving a high degree of uniformity of distribution of CNTs and, accordingly, high mechanical and chemical resistance of a polymer composite material (PCM).

Самым главным недостатком всех известных изделий является слабое натяжение (напряжение) армирующих нитей (волокон) несущего стержня (ствола) композитной арматуры. Именно в сильном предварительном напряжении (натяжении) армирующих волокон ствола сосредоточен главный потенциал усиления прочностных характеристик композитной арматуры. Усиленная наномодифицированная полимерная матрица также помогает усилить эти характеристики, но ее вклад в это усиление гораздо скромнее. Только усилением полимера в композитной матрице, введением в него различных наполнителей можно добиться лишь небольшого усиления физико-механических характеристик композитной арматуры.The main drawback of all known products is the weak tension (stress) of the reinforcing threads (fibers) of the bearing rod (trunk) of the composite reinforcement. It is in the strong preliminary stress (tension) of the reinforcing fibers of the trunk that the main potential for enhancing the strength characteristics of composite reinforcement is concentrated. The reinforced nanomodified polymer matrix also helps to enhance these characteristics, but its contribution to this enhancement is much more modest. Only by reinforcing the polymer in the composite matrix and introducing various fillers into it can only a slight enhancement of the physicomechanical characteristics of the composite reinforcement be achieved.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании ПКМ с усиленным сопротивлением к механическим и химическим нагрузкам.The technical problem to be solved by the claimed invention is to create a PCM with enhanced resistance to mechanical and chemical stress.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение механической и химической стойкости полимерной матрицы.The technical result provided by the given set of features is to increase the mechanical and chemical resistance of the polymer matrix.

Заявленное техническое решение направлено на разработку способа получения полимерно-композитного материала для усиленной композитной арматуры.The claimed technical solution is aimed at developing a method for producing a polymer-composite material for reinforced composite reinforcement.

Усиленную напряженную композитную арматуру используют для армирования:Reinforced stressed composite reinforcement is used for reinforcement:

- обычных строительных конструкций и изделий;- conventional building structures and products;

- предварительно напряженных строительных конструкций и изделий;- prestressed building structures and products;

- монолитных бетонных и сборных зданий;- monolithic concrete and prefabricated buildings;

- термоизоляционных стеновых панелей;- thermal insulation wall panels;

- морских и припортовых сооружений;- marine and port facilities;

- грунта оснований зданий и сооружений;- soil foundations of buildings and structures;

- оснований автомагистралей и дорог;- foundations of highways and roads;

- крепления различных грунтов;- fastening of various soils;

- для анкеровки в грунте подпорных стен и сооружений.- for anchoring retaining walls and structures in the ground.

По своей сути композитная арматура представляет собой пучок армирующих волокон, надежно заключенный в прочную полимерную матрицу. Прочность на разрыв и модуль упругости композитной арматуры определяется нитями стеклянных, базальтовых, углеродных или арамидных армирующих волокон, из которых состоит ее несущий стержень (ствол арматуры). Равномерное сильное натяжение (напряжение) этих нитей заставляет их работать одновременно как единое целое и позволяет значительно повысить прочность на разрыв и модуль упругости композитной арматуры. Для скрепления этих нитей в монолитный прочный несущий стержень, а также защиты от нежелательных воздействий агрессивных сред служит полимерная матрица.At its core, composite reinforcement is a bundle of reinforcing fibers securely enclosed in a strong polymer matrix. The tensile strength and modulus of elasticity of the composite reinforcement is determined by the filaments of glass, basalt, carbon or aramid reinforcing fibers, of which its supporting rod (the reinforcement barrel) consists. The uniform high tension (stress) of these threads makes them work simultaneously as a whole and can significantly increase the tensile strength and modulus of elasticity of the composite reinforcement. A polymer matrix is used to fasten these threads into a solid, strong bearing rod, as well as to protect against the unwanted effects of aggressive media.

Главным недостатком у всех производителей композитной арматуры является слабое натяжение армирующих волокон. После застывания полимерной матрицы волокна внутри находятся в ненапряженном (провисшем) состоянии. В такой ненапряженной композитной арматуре, когда возникает продольная нагрузка на разрыв, ее принимает на себя полимерная матрица. Полимер не самый прочный компонент в композитной арматуре, он деформируется и разрушается до того, как начнут работать армирующие волокна. Только после этого натягиваются армирующие волокна и начинают сопротивляться нагрузке на разрыв. А так как они не были равномерно натянуты изначально, то и натягиваться, и сопротивляться нагрузке будут не равномерно. В итоге заявленная теоретическая прочность на разрыв, модуль упругости, прочность при изгибе и большинство других физико-механических характеристик такой композитной арматуры на практике не совпадают с действительностью, а намного меньше.The main disadvantage of all manufacturers of composite reinforcement is the weak tension of the reinforcing fibers. After solidification of the polymer matrix, the fibers inside are in a relaxed (sagging) state. In such an unstressed composite reinforcement, when a longitudinal tensile load occurs, it is absorbed by the polymer matrix. Polymer is not the strongest component in composite reinforcement, it deforms and breaks down before the reinforcing fibers begin to work. Only then do the reinforcing fibers stretch and begin to resist the breaking load. And since they were not evenly tensioned initially, they will not stretch and resist the load evenly. As a result, the declared theoretical tensile strength, elastic modulus, bending strength and most other physical and mechanical characteristics of such composite reinforcement in practice do not coincide with reality, but much less.

В заявленной усиленной напряженной композитной арматуре все волокна силового стержня перед полимеризацией сильно и равномерно натянуты (напряжены) мощным тянущим устройством, усилие натяжения: 50-1500 кг. Вместе с усиленной наномодифицированной полимерной матрицей заявленная усиленная напряженная композитная арматура представляет собой единый напряженный монолит с равномерными физико-механическими характеристиками в любом сечении.In the claimed reinforced stressed composite reinforcement, all the fibers of the power rod before polymerization are strongly and evenly stretched (strained) by a powerful pulling device, tensile force: 50-1500 kg. Together with the reinforced nano-modified polymer matrix, the claimed reinforced stressed composite reinforcement is a single stressed monolith with uniform physical and mechanical characteristics in any section.

Введение модификаторов (наполнителей) в полимерную матрицу в определенном соотношении, ориентация наполнителей позволяют создать усиленный к механическим нагрузкам полимер с повышенной стойкостью к агрессивным средам (кислотостойкость и щелочестойкость).The introduction of modifiers (fillers) into the polymer matrix in a certain ratio, the orientation of the fillers make it possible to create a polymer strengthened to mechanical stress with increased resistance to aggressive media (acid resistance and alkali resistance).

Наиболее эффективной является наномодифицированная полимерная матрица, в которой обычная эпоксидная смола заменена на модифицированную эпоксидную смолу, до отверждения представляющую собой коллоидный раствор, в котором дисперсионная среда - это обычная эпоксидная смола, а дисперсная фаза - это углеродные наноматериалы: многослойные углеродные нанотрубки, концентрация дисперсной фазы (углеродного наноматериала) в дисперсионной среде находится в интервале 0,001 - 5% от массы дисперсионной среды. Оптимальная концентрация углеродного наноматериала составляет 0,1% от массы дисперсионной среды.The most effective is a nano-modified polymer matrix, in which the usual epoxy resin is replaced by a modified epoxy resin, which, before curing, is a colloidal solution, in which the dispersion medium is an ordinary epoxy resin, and the dispersed phase is carbon nanomaterials: multilayer carbon nanotubes, the concentration of the dispersed phase (carbon nanomaterial) in the dispersion medium is in the range of 0.001 - 5% of the mass of the dispersion medium. The optimum concentration of carbon nanomaterial is 0.1% of the mass of the dispersion medium.

Частицы углеродных наноматериалов стремятся образовать агломераты и агрегаты. Необходимо разрушить их и равномерно распределить наночастицы по всему объему полимера и добиться его однородности.Particles of carbon nanomaterials tend to form agglomerates and aggregates. It is necessary to destroy them and distribute nanoparticles evenly throughout the volume of the polymer and achieve its homogeneity.

Для предотвращения образования агломератов и агрегатов, а также для равномерного распределения УНТ по всему объему полимера предлагается использовать последовательное создание коллоидных композиций: от 10% концентрированного коллоидного раствора до раствора с рабочей концентрацией (вплоть до концентрации 0,1%) с шагом уменьшения концентрации 10:1. При шаге более чем 100:1 УНТ распределяются недостаточно равномерно, шаг менее чем 10:1 экономически не выгоден. Для предотвращения образования агломератов и агрегатов используется вакуумный диссольвер с подогревом и ультразвуковой смеситель.To prevent the formation of agglomerates and aggregates, as well as to uniformly distribute CNTs over the entire volume of the polymer, it is proposed to use the sequential creation of colloidal compositions: from a 10% concentrated colloidal solution to a solution with a working concentration (up to a concentration of 0.1%) with a step of decreasing the concentration of 10: 1. With a step of more than 100: 1, CNTs are not distributed evenly enough; a step less than 10: 1 is not economically viable. To prevent the formation of agglomerates and aggregates, a heated vacuum dissolver and an ultrasonic mixer are used.

Получение коллоидной системы производится в три этапа.The colloidal system is obtained in three stages.

Первый этап - изготовление концентрированного 10% коллоидного раствора с концентрацией УНТ 10%, являющийся основой для последующего создания раствора нужной концентрации в следующей последовательности: The first stage is the preparation of a concentrated 10% colloidal solution with a CNT concentration of 10%, which is the basis for the subsequent creation of a solution of the required concentration in the following sequence:

1. Создается концентрированный коллоидный раствор из эпоксидной смолы и УНТ с соотношением масс эпоксидной смолы к УНТ как 10:1.1. A concentrated colloidal solution is created from epoxy resin and CNTs with a mass ratio of epoxy resin to CNTs of 10: 1.

2. Коллоидный раствор в течение 20-30 часов перемешивается в вакуумном диссольвере при температуре 55-80°С.2. The colloidal solution is stirred for 20-30 hours in a vacuum dissolver at a temperature of 55-80 ° C.

3. Коллоидный раствор в течение 20-30 часов перемешивается в ультразвуковом смесителе с частотой 25-60 кГц.3. The colloidal solution is stirred for 20-30 hours in an ultrasonic mixer with a frequency of 25-60 kHz.

При недостаточной однородности распределения УНТ по всему объему раствора (агломераты и агрегаты углеродных нанотрубок хорошо видны в микроскоп с 1000-кратным увеличением), последовательно повторяют пункты 2 и 3 до достижения гомогенности коллоидного раствора.If the uniformity of the distribution of CNTs over the entire volume of the solution is insufficient (agglomerates and aggregates of carbon nanotubes are clearly visible under a microscope with 1000x magnification), steps 2 and 3 are successively repeated until the colloidal solution is homogeneous.

Второй этап - из полученного на первом этапе 10% коллоидного раствора изготавливается 1% коллоидный раствор с концентрацией УНТ 1%: The second stage - from the 10% colloidal solution obtained at the first stage, a 1% colloidal solution with a CNT concentration of 1% is prepared:

1. В эпоксидную смолу вводится концентрированная 10% коллоидная система, полученная на первом этапе в соотношении по массе эпоксидной смолы к коллоидной системе как 10:1.1. A concentrated 10% colloidal system is introduced into the epoxy resin, obtained at the first stage in the ratio by weight of epoxy resin to the colloidal system as 10: 1.

2. Коллоидный раствор в течение 2-5 часов перемешивается в вакуумном диссольвере при температуре 55-80°С.2. The colloidal solution is stirred for 2-5 hours in a vacuum dissolver at a temperature of 55-80 ° C.

3. Коллоидный раствор в течение 2-5 часов перемешивается в ультразвуковом смесителе с частотой 25-60 кГц.3. The colloidal solution is stirred for 2-5 hours in an ultrasonic mixer with a frequency of 25-60 kHz.

При недостаточной однородности распределения УНТ по всему объему раствора (агломераты и агрегаты УНТ хорошо видны в микроскоп с 1000-кратным увеличением), последовательно повторяют пункты 2 и 3 до достижения гомогенности коллоидного раствора.If the uniformity of the distribution of CNTs over the entire volume of the solution is insufficient (agglomerates and aggregates of CNTs are clearly visible under a microscope with 1000x magnification), steps 2 and 3 are successively repeated until the colloidal solution is homogeneous.

Третий этап - из полученного во втором этапе 1% коллоидного раствора изготавливается коллоидный раствор с концентрацией УНТ 0,1%: The third stage - from the 1% colloidal solution obtained in the second stage, a colloidal solution with a CNT concentration of 0.1% is prepared:

1. В эпоксидную смолу вводится концентрированная коллоидная система, полученная на втором этапе в соотношении по массе эпоксидной смолы к коллоидной системе как 10:1.1. A concentrated colloidal system is introduced into the epoxy resin, obtained in the second stage in a ratio by weight of epoxy resin to the colloidal system as 10: 1.

2. Коллоидный раствор в течение 2-5 часов перемешивается в вакуумном диссольвере при температуре 55-80°С.2. The colloidal solution is stirred for 2-5 hours in a vacuum dissolver at a temperature of 55-80 ° C.

3. Коллоидный раствор в течение 2-5 часов перемешивается в ультразвуковом смесителе с частотой 25-60 кГц.3. The colloidal solution is stirred for 2-5 hours in an ultrasonic mixer with a frequency of 25-60 kHz.

Если не удалось равномерно распределить наночастицы по всему объему раствора и добиться его однородности, то пункты 2 и 3 повторяют до достижения гомогенности коллоидного раствора.If it was not possible to evenly distribute the nanoparticles throughout the entire volume of the solution and achieve its homogeneity, then steps 2 and 3 are repeated until the colloidal solution is homogeneous.

Таким образом, процесс приготовления полимерной матрицы состоит в замене основного компонента - эпоксидной смолы - на рабочий коллоидный раствор с концентрацией УНТ 0,1% от массы дисперсионной среды. Создание коллоидного раствора с концентрацией УНТ более чем 5% не имеет смысла, т.к. цена матрицы возрастает более чем в 2 раза.Thus, the process of preparing a polymer matrix consists in replacing the main component - epoxy resin - with a working colloidal solution with a CNT concentration of 0.1% of the mass of the dispersion medium. The creation of a colloidal solution with a CNT concentration of more than 5% does not make sense, because the price of the matrix more than doubles.

Далее к полученному коллоидному раствору добавляются отвердитель, ускоритель и пластификатор при следующем соотношении компонентов (в долях):Further, a hardener, an accelerator and a plasticizer are added to the resulting colloidal solution with the following ratio of components (in fractions):

- коллоидный раствор - 1;- colloidal solution - 1;

- отвердитель - 0,8;- hardener - 0.8;

- ускоритель - 0,04-0,06;- accelerator - 0.04-0.06;

- пластификатор - 0,04-0,1.- plasticizer - 0.04-0.1.

Примеры соотношения компонентов:Examples of the ratio of components:

Пример 1.Example 1.

- эпоксидная смола - 1 кг;- epoxy resin - 1 kg;

- отвердитель - 0.8 кг;- hardener - 0.8 kg;

- ускоритель - 0.05 кг;- accelerator - 0.05 kg;

- пластификатор - 0.05 кг;- plasticizer - 0.05 kg;

- многослойные углеродные нанотрубки - 0,001 кг.- multilayer carbon nanotubes - 0.001 kg.

Пример 2.Example 2.

- эпоксидная смола - 1 кг;- epoxy resin - 1 kg;

- отвердитель - 0,8 кг;- hardener - 0.8 kg;

- ускоритель - 0,06 кг;- accelerator - 0.06 kg;

- пластификатор - 0,1 кг;- plasticizer - 0.1 kg;

- многослойные углеродные нанотрубки - 0,05 кг.- multilayer carbon nanotubes - 0.05 kg.

Пример 3.Example 3.

- эпоксидная смола - 1 кг;- epoxy resin - 1 kg;

- отвердитель - 0.8 кг;- hardener - 0.8 kg;

- ускоритель - 0.04 кг;- accelerator - 0.04 kg;

- пластификатор - 0.04 кг;- plasticizer - 0.04 kg;

- многослойные углеродные нанотрубки - 0,00001 кг.- multilayer carbon nanotubes - 0.00001 kg.

В качестве эпоксидной смолы используют эпоксидную смолу ЭД-20, или эпоксидную смолу DER-331, либо эпоксидную смолу Epikot, либо эпоксидную смолу KER-828.The epoxy resin used is ED-20 epoxy resin, or DER-331 epoxy resin, Epikot epoxy resin, or KER-828 epoxy resin.

В качестве отвердителя используется изо-МТГФА (Изо Метилтетрагидрофталевый ангидрид).Iso-MTHFA (Iso Methyltetrahydrophthalic anhydride) is used as a hardener.

В качестве ускорителя используется DMP-30 (Алкофен).DMP-30 (Alkofen) is used as an accelerator.

В качестве пластификатора используется ДЭГ-1.DEG-1 is used as a plasticizer.

Прочность композитной арматуры определяется прочностью армирующих волокон ее несущего стержня (ствола). Чем больше нитей в несущем стержне, тем больше прочность композитной арматуры. Но также уменьшается и содержание в ней полимера, т.е. падает ее защита от агрессивных факторов окружающей среды, а также способность образовывать из армирующих волокон единый прочный напряженный монолит.The strength of the composite reinforcement is determined by the strength of the reinforcing fibers of its bearing bar (trunk). The more threads in the support bar, the greater the strength of the composite reinforcement. But the content of polymer in it also decreases, i.e. its protection from aggressive environmental factors decreases, as well as the ability to form a single strong stressed monolith from reinforcing fibers.

Таким образом, оптимальный интервал соотношения армирующих волокон к композитно-полимерному материалу по массе: от 75% до 90% армирующих волокон в композите.Thus, the optimal range of the ratio of the reinforcing fibers to the composite-polymer material by weight is from 75% to 90% of the reinforcing fibers in the composite.

Минимальное содержание армирующих волокон в композитной арматуре однозначно определяет ГОСТ 31938 - 2012: 75% от массы. При снижении содержания армирующих волокон менее 75% резко снижается прочность на разрыв, модуль упругости и другие физико-механические характеристики композитной арматуры. При увеличении содержания армирующих волокон более 90% резко падает техническая возможность надежно заключить это волокно в полимерный материал, его становится мало. Композитная арматура становится сухой на ощупь, колючей, хрустит и ломается при любом изгибе. Резко падают и все физико-механические характеристики. Наилучшие показатели композитная арматура показывает при содержании равномерно натянутых армирующих волокон 80-85%.The minimum content of reinforcing fibers in composite reinforcement is uniquely determined by GOST 31938 - 2012: 75% by weight. With a decrease in the content of reinforcing fibers less than 75%, the tensile strength, elastic modulus and other physical and mechanical characteristics of the composite reinforcement sharply decrease. With an increase in the content of reinforcing fibers over 90%, the technical ability to reliably enclose this fiber in a polymer material sharply decreases, and it becomes small. Composite reinforcement becomes dry to the touch, prickly, crunches and breaks at any bend. All physical and mechanical characteristics also drop sharply. Composite reinforcement shows the best performance when the content of uniformly stretched reinforcing fibers is 80-85%.

В качестве армирующих волокон используется стеклянный ровинг из щелочестойкого Е-стекла с усилением натяжения 50-1500 кг.Glass roving made of alkali-resistant E-glass with an increase in tension of 50-1500 kg is used as reinforcing fibers.

Необходимое количество армирующих волокон заливается полимером, после чего происходит процесс отверждения.The required amount of reinforcing fibers is filled with polymer, after which the curing process takes place.

При использовании ангидридного отвердителя, которым является изо-МТГФА, необходимым условием отверждения эпоксидной смолы является температура. При повышении температуры до 60 (начинается процесс отверждения, а при повышении температуры после 80 (скорость полимеризации возрастает по экспоненте)). Однако высокая температура негативно влияет на готовый отвержденный полимер. При температурах свыше 150 (начинается деструкция (разрушение) молекул полимера).When using an anhydride hardener, which is iso-MTHFA, temperature is a prerequisite for curing the epoxy resin. When the temperature rises to 60 (the curing process begins, and when the temperature rises after 80 (the polymerization rate increases exponentially)). However, high temperatures have a negative effect on the finished cured polymer. At temperatures above 150 (destruction (destruction) of polymer molecules begins).

Для отверждения используется производственная линия компании с одиннадцатиметровой полимерной печью с восьмью зонами нагрева.For curing, the company's production line with an eleven-meter polymer oven with eight heating zones is used.

В начале процесса высокая температура не оказывает разрушительного воздействия на молекулы полимера. Эпоксидная смола еще жидкая, и состоит пока исключительно из смеси молекул мономера и отвердителя. Композитная арматура заходит в печь холодной (<30°). Необходимо разогреть арматуру как можно быстрее, но так, чтобы сама арматура (ее полимер) не прогрелись выше 150°. Таким образом, в первых двух температурных зонах печи температура поднимается до 300-350°. При этом оптимальная скорость производства составляет 10-20 м/мин. При таких соотношениях температуры и скорости производства композитная арматура быстро разогревается, запускается лавинообразный процесс полимеризации, температура полимера композитной арматуры не превышает 120-130°С.At the beginning of the process, the high temperature does not have a destructive effect on the polymer molecules. Epoxy is still liquid, and so far consists exclusively of a mixture of monomer and hardener molecules. Composite fittings enter the furnace cold (<30 °). It is necessary to warm up the reinforcement as quickly as possible, but so that the reinforcement itself (its polymer) does not heat up above 150 °. Thus, in the first two temperature zones of the furnace, the temperature rises to 300-350 °. In this case, the optimal production speed is 10-20 m / min. With such ratios of temperature and production rate, the composite reinforcement quickly heats up, an avalanche-like polymerization process starts, the polymer temperature of the composite reinforcement does not exceed 120-130 ° C.

Температура в середине печи (3-5 температурные зоны) составляет 200-250°, а в конце печи (6-8 температурные зоны) 150-200°. Важным является удержание температуры композитной арматуры на выходе из печи не выше 150°. Оптимальная скорость производства 20 м/мин.The temperature in the middle of the furnace (3-5 temperature zones) is 200-250 °, and at the end of the furnace (6-8 temperature zones) 150-200 °. It is important to keep the temperature of the composite reinforcement at the outlet from the furnace not higher than 150 °. The optimum production speed is 20 m / min.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:The essence of the invention is illustrated by drawings, which show:

на фиг.1 - вид усиленной напряженной композитной арматуры в разрезе,figure 1 is a sectional view of a reinforced stressed composite reinforcement,

гдеwhere

1 -полимерный композитный материал;1 -polymer composite material;

2 - скрученная нить прямого стеклянного ровинга;2 - twisted straight glass roving thread;

3 - напряженные армирующие волокна.3 - stressed reinforcing fibers.

Преимуществами полученного заявленным способом продукта являются:The advantages of the product obtained by the declared method are:

1. УНТ равномерно распределены в эпоксидной смоле до полимеризации. Электронные облака атомов углерода в УНТ объединяются с электронными облаками атомов эпоксидного мономера, образуя прочную связь.1. CNTs are evenly distributed in the epoxy resin before polymerization. The electron clouds of carbon atoms in CNTs combine with the electron clouds of epoxy monomer atoms to form a strong bond.

2. При полимеризации молекулы мономеров эпоксидной смолы выстраиваются в трехмерную пространственную решетку, образуя прочную структуру эпоксидного полимера.2. During polymerization, the molecules of the epoxy resin monomers line up in a three-dimensional spatial lattice, forming a strong epoxy polymer structure.

3. Углеродные нанотрубки дополнительно укрепляют трехмерную пространственную структуру полимерной матрицы, армируя ее и повышая тем самым физико-механические характеристики полимерного композитного материала, в котором используется.3. Carbon nanotubes additionally strengthen the three-dimensional spatial structure of the polymer matrix, reinforcing it and thereby increasing the physical and mechanical characteristics of the polymer composite material in which it is used.

4. Улучшается пропитка и защита полимерной матрицей армирующих волокон полимерного композитного материала (композитной арматуры) от окружающей среды.4. The impregnation and protection of the reinforcing fibers of the polymer composite material (composite reinforcement) from the environment by the polymer matrix is improved.

5. Образуется прочный напряженный монолит с армирующими волокнами.5. A strong, stressed monolith with reinforcing fibers is formed.

6. Повышается стойкость полимерной матрицы к воздействию агрессивных сред. Это особенно актуально для полимерного композитного материала (композитной арматуры), т.к. основное ее применение - это армирование щелочной среды бетона.6. The resistance of the polymer matrix to aggressive environments is increased. This is especially true for polymer composite material (composite reinforcement), because its main application is the reinforcement of the alkaline environment of concrete.

Claims (2)

1. Способ получения полимерного композитного материала, включающий смешение эпоксидной смолы, отвердитель, ускоритель, пластификатор и углеродные нанотрубки, отличающийся тем, что вначале готовят коллоидный раствор последовательным созданием коллоидных растворов таким образом, что первый этап включает создание концентрированного коллоидного раствора из эпоксидной смолы и углеродных нанотрубок с соотношением масс 10:1, перемешивание раствора на протяжении 20-30 часов в вакуумном диссольвере при температуре 55-80°С, перемешивание раствора на протяжении 20-30 часов в ультразвуковом смесителе с частотой 25-60 кГц, после чего осуществляется второй этап, включающий смешивание эпоксидной смолы и полученного в первом этапе коллоидного раствора с соотношением масс 10:1, перемешивание раствора на протяжении 2-5 часов в вакуумном диссольвере при температуре 55-80°С, перемешивание в ультразвуковом смесителе на протяжении 2-5 часов с частотой 25-60 кГц, после чего осуществляется третий этап, включающий смешивание эпоксидной смолы и полученного во втором этапе коллоидного раствора с соотношением масс 10:1, перемешивание раствора на протяжении 2-5 часов в вакуумном диссольвере при температуре 55-80°С, перемешивание в ультразвуковом смесителе на протяжении 2-5 часов с частотой 25-60 кГц, затем к нему добавляют отвердитель, ускоритель и пластификатор и смешивают, при этом входящие в состав получаемого полимерного композитного материала эпоксидная смола, отвердитель, ускоритель, пластификатор и многослойные углеродные нанотрубки находятся в соотношении 1:0,8:(0,04÷0,06):(0,04÷0,1):(0,00001÷0,05).1. A method of producing a polymer composite material, including mixing an epoxy resin, a hardener, an accelerator, a plasticizer and carbon nanotubes, characterized in that first a colloidal solution is prepared by sequential creation of colloidal solutions in such a way that the first stage includes the creation of a concentrated colloidal solution from epoxy resin and carbon nanotubes with a mass ratio of 10: 1, stirring the solution for 20-30 hours in a vacuum dissolver at a temperature of 55-80 ° C, stirring the solution for 20-30 hours in an ultrasonic mixer with a frequency of 25-60 kHz, after which the second stage is carried out , including mixing the epoxy resin and the colloidal solution obtained in the first stage with a mass ratio of 10: 1, stirring the solution for 2-5 hours in a vacuum dissolver at a temperature of 55-80 ° C, stirring in an ultrasonic mixer for 2-5 hours at a frequency 25-60 kHz, after which the third stage is carried out, including mixing the epoxy resin and the colloidal solution obtained in the second stage with a mass ratio of 10: 1, stirring the solution for 2-5 hours in a vacuum dissolver at a temperature of 55-80 ° C, stirring in an ultrasonic mixer for 2-5 hours at a frequency of 25 -60 kHz, then a hardener, an accelerator and a plasticizer are added to it and mixed, while the epoxy resin, hardener, accelerator, plasticizer and multilayer carbon nanotubes included in the resulting polymer composite material are in a ratio of 1: 0.8: (0.04 ÷ 0.06) :( 0.04 ÷ 0.1) :( 0.00001 ÷ 0.05). 2. Усиленная напряженная композитная арматура, содержащая напряженные армирующие волокна прямого стеклянного ровинга из щелочестойкого Е-стекла с усилием натяжения 50-1500 кг, полимерный композитный материал и скрученную нить стеклянного ровинга из щелочестойкого Е-стекла, отличающаяся тем, что полимерный композитный материал изготовлен способом по п.1.2. Reinforced strained composite reinforcement containing strained reinforcing fibers of straight glass roving from alkali-resistant E-glass with a tensile force of 50-1500 kg, polymer composite material and twisted glass roving thread from alkali-resistant E-glass, characterized in that the polymer composite material is made by the method according to claim 1.
RU2021107000A 2021-03-17 2021-03-17 Method for obtaining polymer-composite material and composite reinforcement RU2755343C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021107000A RU2755343C1 (en) 2021-03-17 2021-03-17 Method for obtaining polymer-composite material and composite reinforcement

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021107000A RU2755343C1 (en) 2021-03-17 2021-03-17 Method for obtaining polymer-composite material and composite reinforcement

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2755343C1 true RU2755343C1 (en) 2021-09-15

Family

ID=77745639

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021107000A RU2755343C1 (en) 2021-03-17 2021-03-17 Method for obtaining polymer-composite material and composite reinforcement

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2755343C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7875212B2 (en) * 2005-12-20 2011-01-25 University Of Hawaii Polymer matrix composites with nano-scale reinforcements
RU2536141C2 (en) * 2013-01-29 2014-12-20 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии Коми Научного Центра Уральского Отделения Российской Академии Наук Epoxy composition for highly strong alkali-resistant constructions
US9284398B2 (en) * 2010-06-11 2016-03-15 National Research Council Of Canada Modified carbon nanotubes and their compatibility
RU2637227C1 (en) * 2016-09-30 2017-12-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") Method of producing polymeric composite materials
RU180464U1 (en) * 2018-01-17 2018-06-14 Общество с ограниченной ответственностью "ПолиКомпозит" COMPOSITE FITTINGS MADE FROM GLASS AND EPOXY BINDING
RU2684271C1 (en) * 2017-12-18 2019-04-04 Общество с ограниченной ответственностью "ФАР ИСТ КОМПОЗИТ" (ООО "ФАР ИСТ КОМПОЗИТ") Composite reinforcement bars

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7875212B2 (en) * 2005-12-20 2011-01-25 University Of Hawaii Polymer matrix composites with nano-scale reinforcements
US9284398B2 (en) * 2010-06-11 2016-03-15 National Research Council Of Canada Modified carbon nanotubes and their compatibility
RU2536141C2 (en) * 2013-01-29 2014-12-20 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии Коми Научного Центра Уральского Отделения Российской Академии Наук Epoxy composition for highly strong alkali-resistant constructions
RU2637227C1 (en) * 2016-09-30 2017-12-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") Method of producing polymeric composite materials
RU2684271C1 (en) * 2017-12-18 2019-04-04 Общество с ограниченной ответственностью "ФАР ИСТ КОМПОЗИТ" (ООО "ФАР ИСТ КОМПОЗИТ") Composite reinforcement bars
RU180464U1 (en) * 2018-01-17 2018-06-14 Общество с ограниченной ответственностью "ПолиКомпозит" COMPOSITE FITTINGS MADE FROM GLASS AND EPOXY BINDING

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Effects of hydrothermal aging on carbon fibre/epoxy composites with different interfacial bonding strength
Lee et al. Thermal stability and physical properties of epoxy composite reinforced with silane treated basalt fiber
US8470946B1 (en) Enhanced strength carbon nanotube yarns and sheets using infused and bonded nano-resins
Yang et al. Surface decoration of polyimide fiber with carbon nanotubes and its application for mechanical enhancement of phosphoric acid-based geopolymers
JP4105754B1 (en) Reinforced cured body and method for producing the same
Li et al. Epoxy-functionalized polysiloxane/Nano-SiO2 synergistic reinforcement in cryogenic mechanical properties of epoxy and carbon fiber reinforced epoxy laminate
Mei et al. Multiscale carbon nanotube-carbon fiber reinforcement for advanced epoxy composites with high interfacial strength
Irshidat et al. Flexural strength recovery of heat-damaged RC beams using carbon nanotubes modified CFRP
Kim Enhancement of thermal and physical properties of epoxy composite reinforced with basalt fiber
Rostami et al. An investigation into influence of physical and chemical surface modification of macro-polypropylene fibers on properties of cementitious composites
Junger et al. Joule heating as a smart approach in enhancing early strength development of mineral-impregnated carbon-fibre composites (MCF) made with geopolymer
TW201945442A (en) FRP rebar and method of making same
Supit et al. Compressive and flexural strength behavior of ultra-high performance mortar reinforced with cellulose nano-fibers
RU2755343C1 (en) Method for obtaining polymer-composite material and composite reinforcement
Gao et al. Road performance of liquid nitrile-butadiene rubber modified unsaturated polyester resin concrete
Pang et al. Interfacial shear strength and thermal properties of electron beam-treated henequen fibers reinforced unsaturated polyester composites
Martinez-Barrera et al. Performance improvement of polymer concrete produced with unsaturated resin, by a post-cure process, polyester fibers and gamma radiation
Martínez‐Barrera et al. Effects of γ radiation on fiber‐reinforced polymer concrete
Lisyatnikov et al. Repair compositions based on methyl methacrylate modified with polyphenylsiloxane resin for concrete and reinforced concrete structures
Yadav et al. Effect of the impact strength of glass fibre reinforced plastic composite using wet layup process
RU2404201C2 (en) Nanocomposite material
KR20050042553A (en) Concrete composition reinforced by fiber coated with thermoset resin and preparation method thereof
RU2637227C1 (en) Method of producing polymeric composite materials
CN108384467A (en) A kind of high-strength anti-flaming adhesive and preparation method thereof
Randjbaran et al. Tensile strength of epoxy composites reinforced with carbon nanotubes