RU2810129C1 - Древесно-полимерный композит - Google Patents

Древесно-полимерный композит Download PDF

Info

Publication number
RU2810129C1
RU2810129C1 RU2022117079A RU2022117079A RU2810129C1 RU 2810129 C1 RU2810129 C1 RU 2810129C1 RU 2022117079 A RU2022117079 A RU 2022117079A RU 2022117079 A RU2022117079 A RU 2022117079A RU 2810129 C1 RU2810129 C1 RU 2810129C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
wood
polymer composite
density
acetone
polymethyl methacrylate
Prior art date
Application number
RU2022117079A
Other languages
English (en)
Inventor
Михаил Андреевич Баяндин
Алексей Валерьевич Намятов
Николай Витальевич Смертин
Валерия Олеговна Манжула
Дмитрий Геннадьевич Слащинин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГУ им. М.Ф. Решетнева)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГУ им. М.Ф. Решетнева) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГУ им. М.Ф. Решетнева)
Application granted granted Critical
Publication of RU2810129C1 publication Critical patent/RU2810129C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к материалам с низким значением температурного коэффициента линейного расширения и может быть использовано в ракетно-космической технике. Древесно-полимерный композит, включающий углеродсодержащие волокна, в качестве которых используют активированную древесную массу, дополнительно содержит полиметилметакрилат, ацетон, дибутилфталат при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: активированная древесная масса 50-75, полиметилметакрилат 10-15, ацетон 5-10, дибутилфталат 5-10. Снижается плотность и коэффициент теплового линейного расширения древесно-полимерного композита. 1 табл.

Description

Изобретение относится к материалам с низким значением температурного коэффициента линейного расширения (3,7-7,5)×10-6 1/град, предназначенным для эксплуатации в условиях термических нагружений в диапазоне от 0 до 200°С, например в виде форм или оснастки для формирования крупноформатных прецизионных изделий сложной геометрической формы, рефлекторов зеркальных антенн телекоммуникационных спутников с контурной диаграммой направленности, и может быть использовано в ракетно-космической технике.
Наиболее широкое распространение для изготовления цельных крупноформатных форм для производства изделий или оснастки при производстве прецизионных изделий из полимеров, отверждаемых путем термического воздействия получили специальные сплавы с низким коэффициентом теплового линейного расширения (далее КТЛР). Применение древесины и материалов на ее основе для формирования большеформатных прецизионных изделий в настоящее время крайне ограничено. Это во многом обусловлено физико-химической структурой лигноуглеводной матрицы древесинного вещества, что предопределяет сравнительно высокие деформации при изменении температурно-влажностных условий окружающей среды. Наравне с этим, ввиду особенностей анатомической структуры, древесина и материалы на ее основе имеют ярко выраженную анизотропию ее свойств.
Известен высокопрочный инварный сплав, который содержит следующие компоненты, мас. %: никель 25,0-48,0; кобальт 2,0-20,0; углерод 0,01-0,4; титан 0,05-4,0; молибден 0,02-5,0; ванадий 0,01-3,0; железо остальное, при выполнении следующих зависимостей: % никеля / % кобальта = 2,4-24; % титана + % молибдена / % углерода = 7-52; % никеля + % кобальта / % титана + % молибдена + % ванадия = 9-20. Техническим результатом изобретения является получение низких значений температурного коэффициента линейного расширения (меньше 3×10-6 К-1) в интервале температур от 77 до 600 К и повышение уровня прочностных свойств. (Патент RU №2154692 (13) Cl, опубл. 20.08.2000).
Недостатком данного технического решения является то, что смесь в своем составе имеет большое количество различных компонентов, что значительно усложняет технологию изготовления и увеличивает стоимость материала. Предлагаемые сплавы в составе имеют дорогостоящие металлы. Материал имеет высокую плотность (от 7200 до 8130 кг/м3), что предопределяет большой вес изделий, высокую материалоемкость и соответственно высокий углеродный след от производства исходных компонентов.
Известен композитный материал с инварными свойствами, который содержит функциональный металл со средним значением КЛТР, не превышающим 13×10 К в диапазоне температур 4,5-32 К или 3.22×10 К в диапазоне температур 32-250 К, и соединение с отрицательным КЛТР, при этом в качестве соединения с отрицательным КЛТР используют валентно-нестабильное соединение на основе самария (ВНС), при этом количественное соотношение компонентов композита определяют из условия Тернера: (α V K + α V K)/(V K + V L)=0, где: α - КЛТР функционального металла, α - КЛТР валентно-нестабильного соединения; V и V - объемные доли металла и ВНС соответственно; K и K - объемные модули упругости металла и ВНС. (Патент RU №2676537 (13) С1, опубл. 09.01.2019).
Недостатком данного технического решения является то, что данный материал может применяться только при отрицательных температурах. Наравне с этим, существенным недостатком данного изобретения является высокая плотность и низкая химическая стойкость. Это во многом не позволяет их использовать при производстве крупноформатных изделий на основе полимерных композитов, где неотъемлемым компонентом являются агрессивные среды.
Известен композиционный материал с карбидкремниевой матрицей, предназначенный для работы под избыточным давлением в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды и могут быть использованы в химической, нефтяной и металлургической промышленности, а также в авиатехнике. Карбид кремния, армированный длинномерными жаростойкими волокнами, совместимыми по коэффициенту линейного термического расширения с компонентами матрицы, содержит равномерно распределенные по объему материала свободный кремний и углерод в количестве до 6 и 15 вес.%, соответственно, при этом размеры отдельных фрагментов кремния не превышают 10-15 мкм. Часть карбида кремния представлена наноразмерными зернами, волокнами или трубками. Для изготовления изделий из вышеописанного карбида кремния формируют каркас из длинномерных волокон, на волокнах каркаса формируют пироуглеродное покрытие, затем на основе каркаса и коксообразующего связующего формуют пластиковую заготовку, производят ее карбонизацию. Поры карбонизованного пластика заполняют наноразмерным углеродом в форме частиц, волокон или трубок и производят силицирование заготовки паро-жидкофазным методом путем капиллярной конденсации паров кремния в интервале температур от 1350 до 1500°С при температуре паров кремния, превышающей температуру заготовки на 50-100°С, при этом меньшей температуре на заготовке соответствует большая разница между температурой паров кремния и заготовкой и наоборот, после чего производят нагрев и выдержку при температурах от 1700 до 1750°С в отсутствие указанной разницы температур. Данное решение позволяет во многом решить проблему химической стойкости материала и обеспечить долговечность при температурах более 1000°С. (Перспективы конструирования оправок с малым КЛТР для изготовления рефлекторов А.П. Белоглазов, А.В. Габов, В.И. Елистратов Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов).
Однако получение такого материала имеет достаточно сложные технические решения и соответственно высокую стоимость. При этом стоимость одного квадратного метра прецизионной поверхности из карбида кремния или бериллия составляет один миллион долларов, а цикл изготовления - около 1 года. Наравне с этим это не решает проблему высокой плотности материала, что предопределяет большую массу форм, оправок, что при их использовании требует дополнительных затрат на транспортировку. Это во многом ограничивает сферы применения его использования для изготовления крупноформатных криволинейных форм, оправок и т.д. Высокая твердость материалов существенно увеличивает затраты на его механическую обработку.
Наиболее близкое по технической сущности является направление разработки составов композитов на основе углеродных волокон и синтетических полимеров, известны решения композитов состоящих из неметаллических материалов и углепластика, что позволяет нивелировать такие недостатки, как высокое тепловое расширение при частичном снижении плотности материалов. В работе (Перспективы конструирования оправок с малым КЛТР для изготовления рефлекторов А.П. Белоглазов, А.В. Габов, В.И. Елистратов Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов) предлагается углерод-керамическая композиционная матрица.
Однако данные решения не позволяют кардинально решить вопрос снижения плотности, технологичности производства и стоимости материалов.
Также следует отметить, что производство таких материалов имеет высокие выбросы углерода, что не согласуется с сегодняшней повесткой развития зеленых технологий.
Задачей заявляемого изобретения является создание древесно-полимерного композита с низким коэффициента теплового линейного расширения и плотностью до 1000 кг/м3, уменьшение себестоимости.
Технический результат заявляемого изобретения направлен на снижение плотности и коэффициента теплового линейного расширения, уменьшение энергетических затрат и себестоимости, за счет применения в композиции активированной древесной массы с полимерами.
Указанный технический результат достигается тем, что древесно-полимерный композит, включающий углеродсодержащие волокна, согласно изобретению, в качестве углеродсодержащих волокон используют активированную древесную массу, дополнительно содержит полиметилметакрилат, ацетон, дибутилфталат, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
Активированная древесная масса 50-75
Полиметилметакрилат 10-15
Ацетон 5-10
Дибутилфталат 5-10
Материалы на основе возобновляемого сырья, имеют в данном случае больше преимуществ, низкая плотность при высоких механических показателях, возможность механической обработки, минимальные энергетические затраты на изготовление. Как известно древесинное вещество представляет собой лигноуглеводный композит, который представляет собой аморфную полимерную матрицу армированную целлюлозными волокнами с кристаллической структурой. Это во многом определяет анизотропию ее свойств, в том числе коэффициент теплового линейного расширения. Вдоль волокон, данный показатель составляет от -1×10-6 до 2×10-6, а поперек может достигать до 43×10-6 (Tsunehisa Miki*, Hiroyuki Sugimoto, Yuzo Furuta, Ichinori Shigematsu and Kozo Kanayama Anomalous thermal expansion behaviors of wood under dry and low-temperature conditions) в зависимости от термо-влажностных условий окружающей среды, что во многом определено гидрофильность полимеров входящих в ее состав.
В качестве сырья согласно изобретения используется активированная древесная масса хвойных или лиственных пород полученная путем механической активации в гидродинамическом диспергаторе, способ получения которой описан (Формирование структуры плит малой плотности из гидродинамически активированных мягких отходов деревообработки / В.Н. Ермолин, М.А. Баяндин, С.Н. Казицин, А.В. Намятов // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. - 2019. - №5(371). - С. 148-157. - DOI 10.17238/issn0536-1036.2019.5.148).
Полиметилметакрилат получают блочной полимеризацией метилметакрилата в формах из силикатного стекла в присутствии инициаторов. При получении пластифицированного полиметилметакрилата добавляется дибутилфталат.
В таблице 1 приведены сравнительные характеристики физических свойств аналогов и предлагаемого древесно-полимерного композита
Из табл. 1 видно, что показатели плотности и КЛТР заявленного изобретения по сравнению с аналогами сравнительно низкие, что говорит о преимуществе древесно-полимерного композита.
Получение древесно-полимерного композита происходит следующим образом.
Активированные древесные частицы гидродинамическим способом, обезвоживают за счет удаления воды путем механического отжима до влажности 400%, затем формируют плиту, т.е. основу материала путем сушки в камере при температуре от 40 до 100°С. Способ получения данных плит, подробно описан в работе (Исследование свойств плит малой плотности из механо-активированных древесных частиц без использования связующих веществ / А.В. Намятов, М.А. Баяндин, С.Н. Казицин, В.Н. Ермолин // Строение, свойства и качество древесины - 2018: Материалы VI Международного симпозиума имени Б.Н. Уголева, посвященного 50-летию Регионального Координационного совета по современным проблемам древесиноведения, Красноярск, 10-16 сентября 2018 года. - Красноярск: Издательство Сибирского отделения РАН, 2018. - С. 149-15). Полученная плита имеет высокую пористость и низкую плотность от 200 до 500 кг/м3, но при этом значения ее свойств в зависимости от направления существенно не меняются. Формирование структуры изотропной плиты объясняется тем, что гидродинамически активированные частицы при высокой влажности и малых размерах (от 0,01 до 3 мм) могут ориентироваться хаотично и при этом образовывать водородные связи. Полученную плиту пропитывают эмульсией пластифицированного дибутилфталатом полиметилметакрилата в ацетоне. После пропитки, осуществляется выдержка в камере при температуре от 120 до 150°С. При этом, происходит полимеризация полимера и удаление растворителя ацетона. Заявленное значение величины КЛТР, при нагреве от 20 до 160°С составляет (3,7-10)×10-6 1/град, в зависимости от плотности, несмотря на относительно высокий КЛТР полимера 81×10-6 1/град.
Недостатком полимерных смесей является невозможность радикального снижения плотности менее 1000 кг/м3, а использование целлюлозных волокон позволяет снизить плотность и обеспечить снижение стоимости на несколько порядков крупноразмерных объемных изделий для производства оснасток дефлекторов, экранов, антенн и т.д.
Необходимо отметить, что прототип, не имеет в своем составе возобновляемого сырья, что предопределяет существенные отличия физических свойств материала. Согласно же изобретению после формирования и сушки изделий доля древесины может достигать 75 м.ч.
Исследования физико-механических характеристик материала после механической обработки показали, что прочность при статическом изгибе составляет 5-7 МПа, КЛТР при влажности материала 4% и окружающей среды 65%, при нагреве от 20 до 200°С составляет (3,7-7,5)×10-6 1/град, что указывает на возможность его использования при производстве прецизионных изделий.
Данное изобретение направлено на снижение плотности и коэффициента теплового линейного расширения, за счет активированной древесной массы, а также уменьшение энергетических затрат и себестоимости. Использование активированной древесной массы, позволяет снизить выбросы углерода в окружающую среду, что является актуальным условием в настоящее время.

Claims (2)

  1. Древесно-полимерный композит, включающий углеродсодержащие волокна, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащих волокон используют активированную древесную массу, дополнительно содержит полиметилметакрилат, ацетон, дибутилфталат при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
  2. активированная древесная масса 50-75 полиметилметакрилат 10-15 ацетон 5-10 дибутилфталат 5-10
RU2022117079A 2022-06-23 Древесно-полимерный композит RU2810129C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2810129C1 true RU2810129C1 (ru) 2023-12-22

Family

ID=

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU302355A1 (ru) * В. Я. Тюшин, М. А. Мирзо К. И. Хрущев, В. Г. Шуметов, Р. М. Анан В. Г. Раевский , Н. М. Маринина Клеевая композиция
RU2132347C1 (ru) * 1997-10-17 1999-06-27 Открытое акционерное общество "Московский институт материаловедения и эффективных технологий" Древесно-полимерная композиция и способ ее получения
RU2154692C1 (ru) * 1999-04-23 2000-08-20 Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина Высокопрочный инварный сплав
RU2255103C1 (ru) * 2003-12-05 2005-06-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют" Клеевая композиция
EP1630195A1 (en) * 2004-08-26 2006-03-01 Sony Corporation Composite composition and molding using the same
RU2520462C2 (ru) * 2011-07-19 2014-06-27 Марат Мухамадеевич Галеев Полимерная композиция на основе органического наполнителя для изготовления изделий
RU2676537C1 (ru) * 2017-09-06 2019-01-09 Дмитрий Александрович Серебренников Композитный материал с инварными свойствами
RU2762669C1 (ru) * 2021-05-31 2021-12-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГУ им. М.Ф. Решетнева) Активированная древесная масса для 3d печати

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU302355A1 (ru) * В. Я. Тюшин, М. А. Мирзо К. И. Хрущев, В. Г. Шуметов, Р. М. Анан В. Г. Раевский , Н. М. Маринина Клеевая композиция
RU2132347C1 (ru) * 1997-10-17 1999-06-27 Открытое акционерное общество "Московский институт материаловедения и эффективных технологий" Древесно-полимерная композиция и способ ее получения
RU2154692C1 (ru) * 1999-04-23 2000-08-20 Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина Высокопрочный инварный сплав
RU2255103C1 (ru) * 2003-12-05 2005-06-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют" Клеевая композиция
EP1630195A1 (en) * 2004-08-26 2006-03-01 Sony Corporation Composite composition and molding using the same
RU2520462C2 (ru) * 2011-07-19 2014-06-27 Марат Мухамадеевич Галеев Полимерная композиция на основе органического наполнителя для изготовления изделий
RU2676537C1 (ru) * 2017-09-06 2019-01-09 Дмитрий Александрович Серебренников Композитный материал с инварными свойствами
RU2762669C1 (ru) * 2021-05-31 2021-12-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГУ им. М.Ф. Решетнева) Активированная древесная масса для 3d печати

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4263367A (en) Discontinuous graphite fiber reinforced glass composites
Zhou et al. The effects of a water environment on anomalous absorption behavior in graphite/epoxy composites
DE69802748T3 (de) Silicium-Siliciumcarbidwerkstoff und siliciumcarbidfaserverstärkter Silicium-Siliciumcarbidverbundwerkstoff
DE69309109T2 (de) Verfahren zur herstellung von gegenständen aus kohlenstoffsiliziumkarbid-verbundwerkstoff, und kohlenstoff-siliziumkarbid-verbundwerkstoff
US4256378A (en) Graphite-glass composite laser mirror
EP0142683B1 (en) A method of manufacturing a friction article
JPS60141676A (ja) 炭化珪素/グラフアイト/炭素の複合セラミツク体
US4605595A (en) Method of manufacturing a friction article
KR102434077B1 (ko) 복합 내화물 및 그 제조방법
KR20000069367A (ko) 섬유 복합 재료 및 그 제조 방법
EP3269696A1 (en) Braking material
RU2810129C1 (ru) Древесно-полимерный композит
JP2735151B2 (ja) 繊維強化炭化ケイ素複合セラミックス成形体の製造方法
US4357286A (en) Method of making a graphite-glass composite laser mirror
DE102017002735A1 (de) Cordierit-basierter Sinterkörper, Verfahren zur Herstellung desselben und Verbund- werkstoffsubstrat
Herzog et al. Porous SiC ceramics derived from tailored wood‐based fiberboards
Chang et al. Fabrication of Carbon-Carbon Composites by Using Carbon Fibers Impregnated with Resin and Their Mechanical Properties
RU2179161C1 (ru) Способ получения композиционного материала
Yu et al. Thermal shock behavior of a novel TiC x–Ni 3 (Al, Ti)/Ni functionally graded composite
JP2010254541A (ja) 炭素繊維強化シリコン含浸炭化ケイ素セラミックスの製造方法及びこの製造方法によって製造されたセラミックス
KR100673432B1 (ko) 탄소나노튜브를 함유한 탄소 복합체의 제조방법
Huang et al. Evolution of thermophysical properties of gel-cast SiAlON green bodies in thermal debinding process
KR102309595B1 (ko) 전파투과용 세라믹 복합재 및 이의 제조방법
JP3125246B2 (ja) 炭化珪素セラミックス及びその製造方法
Sherwood et al. Low Cost, Near‐Net Shape Ceramic Composites Using Resin Transfer Molding and Pyrolysis (RTMP)