Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

В настоящее время широкое распространение получили полимерные композиционные материалы, состоящие из полимерной основы (матрицы) и различных наполнителей. Данная разновидность композиционных материалов отличается большим разнообразием по составу, структуре и свойствам, характеризуется сочетанием высокой прочности, легкости, химической стойкости, низким водопоглощением, высокими диэлектрическими характеристиками и другими эксплуатационными показателями, что является причиной их широкого применения во многих областях человеческой деятельности [1–3]. Путем комбинирования связующих и наполнителей из различных материалов, а также за счет изменения соотношений между ними можно получать композиционные материалы с широким диапазоном значений основных эксплуатационных свойств.

Одной из сфер применения полимерных композиционных материалов является строительная и техническая теплоизоляция. Низкая теплопроводность полимерных композиционных материалов обеспечивается наличием в их структуре пор или элементов, образующих пустоты (сотовых каркасов или микросфер), а также за счет различных наполнителей [4, 5]. Одной из разновидностей теплоизоляционных полимерных композиционных материалов являются синтактные материалы, в которых наполнителем являются полые микросферы из различных материалов [4, 6, 7]. При этом в зависимости от нормативных требований и условий применения синтактного материала для его получения могут использоваться различные полимерные связующие [7–9]. Полые микросферы в составе синтактных материалов не только снижают теплопроводность, что позволяет использовать их для строительной и технической теплоизоляции, но и уменьшают плотность материала и изделий, получаемых из него [3, 5, 10]. Для улучшения прочности, адгезии и других эксплуатационных характеристик синтактного материала в его состав могут вводиться минеральные наполнители в виде порошков или волокон, а также различные функциональные добавки: стабилизаторы, пластификаторы и т.д. [8, 11, 12].

В случае применения в условиях высоких температур, важное значение имеет термостойкость синтактного материала, которая во многом определяется связующим. Наиболее распространенными термостойкими связующими являются полиорганосилоксаны, однако изделия на их основе можно длительно использовать при температурах, не превышающих 250 °С, так как при более высоких температурах прочность материалов на основе полиорганосилоксанов снижается, а при температурах свыше 300 °С кроме термоокислительной деструкции протекает еще и термическая деструкция [13, 14]. В результате деструкции синтактный материал необратимо теряет свои эксплуатационные свойства.

Целью данной работы является разработка полимерной композиции для получения термостойкого до 700 °С композиционного материала для технической теплоизоляции на основе кремнийорганического связующего, наполненного полыми микросферами.

Материалы и методы исследования

В данной работе основу полимерной матрицы составлял 10 %-ный раствор поликарбосилана в ксилоле. Кремнийорганическое связующее готовилось путем растворения порошка поликарбосилана с молекулярной массой 2500–3500 в ксилоле. Структурная формула звена поликарбосилана представлена на рисунке [15].

,

где n – количество карбосилановых групп.

Структурная формула линейного звена поликарбосилана

В зависимости от метода получения в структуре поликарбосилана наряду с линейными звеньями могут присутствовать кольцевые и разветвленные звенья, для которых характерно наличие большого количества активных боковых и перекрестных связей [15].

Для наполнения полимерного связующего в данной работе рассматривалось два варианта микросфер: полые корундовые (ПКМ) и полые алюмосиликатные микросферы (ПАСМ), характеристики которых представлены в табл. 1.

Применяемые в данной работе ПКМ представляли собой инертные сферические частицы, полученные путем раздува струи расплава оксида алюминия. Содержание примесей в ПКМ (в мас. %): 0,5 SiO2; 0,05 Fe2O3; 0,3 Na2O. Наряду с ПКМ в данной работе применяли ПАСМ, получаемые при сгорании топлива на тепловых электростанциях, где зола от сгорания угля удаляется в виде водной пульпы. ПАСМ образуются в результате грануляции расплава минеральной части углей, которая при дроблении образует мелкие капли, раздувающиеся под действием газовых включений. Химический состав ПАСМ (в мас. %): 59–65 SiO2; 18–37 Al2O3; оксиды K, Na Fe, Ca, Mn, Mg, Ti, Cr – остальное.

Таблица 1

Основные характеристики полых микросфер

В качестве волокнистого минерального наполнителя в данной работе использовались кварцевые волокна (КВ) с содержанием 99,9 мас. % SiO2, длиной 50–500 мкм и диаметром 1–2 мкм. Температура плавления кварцевых волокон составляет 1750 °С, плотность равна 2,2 г/см3, а модуль упругости равен 80 ГПа. Кварцевые волокна использовались как прочностная термостойкая армирующая добавка, что является важным при разработке термостойкого пеноматериала.

Полимерную композицию для получения термостойкого материала готовили путем предварительного приготовления 10 %-ного раствора поликарбосилана в ксилоле, в который затем добавляли полые микросферы и кварцевые волокна, перемешивая компоненты до однородной смеси при температуре 100–130 °С для удаления растворителя. Затем полимерные композиции разливали по формам, которые нагревали в печи в инертной атмосфере азота до 1000 °С при скорости нагрева100 °С/час.

У полученных образцов разрабатываемого материала определяли кажущуюся плотность по ГОСТ 409-2017, предел прочности на сжатие по ГОСТ Р 58527-2019 и теплопроводность по ГОСТ 23630.2-79.

Результаты исследования и их обсуждение

Образцы при выполнении данной работы изготавливались в соответствии с составами композиций, представленными в табл. 2.

У полученных образцов были определены основные характеристики, значения которых представлены в табл. 3.

Таблица 2

Составы композиций для получения образцов разрабатываемого материала

Таблица 3

Основные характеристики образцов разрабатываемого материала

Таблица 4

Основные свойства известного и разработанного термостойких композиционных теплоизоляционных материалов

Как следует из полученных данных, при использовании от 20 до 70 мас. % связующего и от 15 до 70 мас. % микросфер могут быть получены полимерные композиционные материалы с высокой прочностью, низкой насыпной плотностью и низкой теплопроводностью. При этом термостойкость и прочность материала подтверждаются прочностью на сжатие образцов после 10 ч при 700 °С на воздухе и обеспечиваются всеми компонентами материала. Так, для поликарбосилана, как и для других кремнийорганических соединений, характерно наличие силоксановой связи Si-O с высокой энергией связи, что и обеспечивает не только термостойкость, но также химическую стойкость, прочность и хорошие диэлектрические свойства. В случае термической деструкции поликарбосилана и при отрыве углеводородных групп возникают новые поперечные связи между макромолекулами, поэтому полимерная цепочка не распадается, а термостойкость и основные свойства связующего сохраняются [15].

Кварцевые волокна выполняют функцию основной армирующей добавки, повышающей прочность, и наряду с микросферами состоят преимущественно из термостойких и тугоплавких материалов: оксидов кремния и алюминия. Следует отметить, что полые микросферы также повышают прочность материала, и наиболее высокие прочностные показатели наблюдаются при совместном использовании полых микросфер и волокон. Кроме того, замена части кварцевых волокон полыми микросферами способствует снижению вязкости полимерной композиции.

Из табл. 3 также следует, что у композиционного материала, наполненного ПКМ, рассматриваемые показатели выше, чем у материала, наполненного ПАСМ. Образцы, полученные с использованием ПКМ, отличаются более низкой плотностью и более низкой теплопроводностью, а также превосходят образцы, полученные с использованием ПАСМ, по прочности, в том числе после выдержки в течение 10 ч при 700 °С на воздухе, что свидетельствует об их более высокой термостойкости.

На основании полученных данных было принято решение выбрать в качестве итогового состава композицию, состоящую из 20–70 мас. % раствора поликарбосилана в ксилоле, 15–65 мас. % ПКМ и 10–45 мас. % кварцевых волокон. Свойства материала на основе выбранного состава были оценены в сравнении с известным термостойким пеноматериалом, который может быть получен на основе композиции, содержащей 15–70 мас. % раствора поликарбосилана в ксилоле с аналогичной данной работе концентрацией поликарбосилана (10 %), 12–65 мас. % полых углеродных микросфер и 8–43 мас. % кварцевых волокон [15]. Свойства известного и разработанного композиционных материалов представлены в табл. 4.

При сравнении значений свойств из табл. 4 видно, что разработанный материал превосходит известный полиорганосилоксановый пеноматериал по прочности, в том числе по прочности после воздействия высоких температур, и теплоизоляционным характеристикам, а также сравним с ним по плотности.

Заключение

По итогам выполнения данной работы был получен полимерный композиционный материал на основе кремнийорганического связующего, наполненного микросферами для снижения теплопроводности и кварцевыми волокнами для повышения прочности. При этом все компоненты сырьевой смеси способствуют получению термостойкого материала. В результате сравнительных экспериментов установлено, что при использовании полых корундовых микросфер эксплуатационные свойства материала выше, чем при использовании полых алюмосиликатных микросфер. При сравнении полученного материала со сходным с ним по составу и области применения материалом выявлено, что разработанный материал превосходит известный по прочности при обычных условиях и после выдержки в течение 10 ч при 700 °С на воздухе. В связи с этим разработанный материал может эффективно применяться в качестве термостойкого композиционного материала для технической теплоизоляции поверхностей, которые в процессе эксплуатации нагреваются до 700 °С.