Способ определения содержания компонентов в композиционных полимерных материалах

(21) (22) м ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПИЙс 3595474/24-2520. 05. 83(7) Ордена Трудового КрасногоЗнамени институт тепло- и массообмена им.А.В.Лыкова(54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ КОМПОНЕНТОВ В КОМПОЗИЦИОННЬХПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛАХ, основанныйна нагреве образца композиционногоматериала, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью упрощения процессаопределения, нагревают образцы композиционного материала,.его наполнителя и связующего до температуры полного удаления влаги, делают выдераку при зтой температуре до прекращения изменения массы образца, послечего производят их дальнейший нагревдо полного прекращения потери массы и по полученным термогравиметрическим кривьвч, совмещенным на одномграфике, определяют начальное содержание компонентов.11574Изобретение относится к машиностро" ению и материаловедению и может быть использовано для определения содержания основных компонентов в компози" ционных полимерах, используемых в качестве конструкционных, электро- и теплоизоляционных и теплозащитных материалов.Известен способ определения содержания компонентов в композиционных 1 О материалах с полимерными связующими и неорганическими наполнителями, основанный на нагреве образцов композиционного материала в муфельной печи при 500-550 С до полного выгорания связующего и последующем определении содержания оставшегося наполнителя И .Однако этот способ не приемлем для материалов с органическими наполнителями, температурный интервал разложения которых близок к температурному интервалу разложения связующего либо перекрывается с ним.25Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения содержания компонентов в композиционных полимерных материалах, заключающийся в нагреве с постоянной скоростью образца известной массы материала до температуры неполного разложения связующего и напол нителя, которая выбираетсяиз области температур максимального различия в кинетике разложения компонентов материала, его изотермической вы держке при этой температуре в течение времени установления постоянной скорости разложения, измерении относительной потери массы образца и40 определении содержания наполнителя по предварительно полученной для данного вида композиционного материала калибровочной зависимости45 относительной потери массы от содержания наполнителя при идентичном температурном воздействии 23 .1Однако прииспользовании известного способа требуется специально иэгото вить ряд композиций (не менее двух образцов каждой), идентичных по составу изучаемому композиционному материалу, но с различным процентным содержанием компонентов, используя для 55 этого технологию, близкую или идентичную технологии изготовления самого материала. С изготовленными образцами, а также с образцами иэ чистых связующе го и наполнителя требуется провести две серии специальных предварительных термогравиметрических экспериментов: первую - для определения области максимального различия в кинетике разложения связующего и наполнителя, выбора предельной температуры нагрева и времени изотермической выдержки, вторую, проведенную в выбранном режиме нагрева, для определения относительной потери массы образцов каждой из указанных композиций и построения калибровочной зависимости потерь масси от содержания наполнителя,.Только после этого проводят термогравиметрический эксперимент в идентичных условиях с изучаемым материалом и определяют искомую величину содержания наполнителя по найденной калибровочной зависимости.Такой процесс нахождения содержания компонентов сложен и требует больших затрат времени и труда на выполнение указанных операций и экспериментов;Кроме того воэможность построения калибровочной зависимости по двум точ. кам, соответствующим относительной потере массы чистых наполнителя и свя зующего для любых двухкомпонентных систем и режимов температурного воздействия не доказанаЦелью изобретения является упрощение процесса определения содержания компонентов в композиционных полимерных материалах.Поставленная цель достигается тем что при способе определения содержания компонентов в композиционных полимерных материалах, основанном на нагреве образца композиционного материала нагрева.т образцы композиционного материала, его наполнителя и связующего до температуры полного удаления влаги, делают выдержку при этой температуре до прекращения изменения массы образца, после чего производят их дальнейший нагрев до полного прекращения потери массы и по полученным термогравиметрическим кривым, совмещенным на одном графике, определяют начальное содержание компонентов. Уравнение баланса массы для любого значения температуры внутри тем1157пературного интервала разложения всех трех образцов имеет вид11 х + 1 с(1-х) = "где х - содержание наполнителя;И - текущее значение относительнной массы наполнителя;Ус- то же, связующего;Ук- то же композиционного материала.Отсюда начальное содержание напол О нителяИ -Ис Ах(1)От.е. искомая. величина находится иэ совмещенного графика термогравимет рических кривых как отношение расстояния А по иэотерме между кривыми для композиционного материала и связующего к расстоянию В по той же изотерме между кривыми для наполнителя Ю и связующего. Наиболее достоверные значения х получаются при температуре вблизи точки перегиба для композиционного материала.Нагрев трех образцов исследуемо го материала и его двух компонентов) в строго идентичных условиях и выбранный температурный режим обеспечивают справедливость уравнения баланса массы для любого мгновенного30 состояния этих трех образцов при одной и той же температуре в процессе нагрева. При реализации предлагаемого способа нет необходимости останавливать процесс нагрева при неполном разложении и дожидаться труднодостигаемой постоянной скорости потери массы, можно использовать это уравнение в любой момент времени при любой температуре внутри температурно- щ го интервала разложения благодаря непрерывной записи потери массы всех трех образцовСпособ осуществляется следующим образом. 45Приготавливают три образца примерно одинаковых размеров имассы композиционного материала объекта исследования, его наполнителя и его связующего. Вид. образцов может быть 50 разным: кусочки, порошкообразные навески и т.д. На термогравиметрической установке с непрерывной записью массы снимаются кривые потери массы каждого из трех образцов при 55 укаэанном температурном режиме: каждый из образцов нагревается с постоянной скоростью до 120-130 С, вь- ю425 фдерживается при этой температуре до прекращения изменения его массы изза удаления влаги и нагревается далее с постоянной скоростью до полного прекращения потери массы. Скорость нагрева всех трех образцов должна быть одинаковой, Полученные кривые совмещаются на одном графике. Процентное содержание наполнителя определяется по отношению (1).Если измерение расстояний А и В производить при нескольких значениях температуры внутри температурного интервала разложения, можно рассчитать величину х еще более надежно методом среднего БАх = --- тЯ В(2) или методом наименьших квадратовЕА 1 В (3)х = - г --Х В 1 Процесс обработки данных и определения процентного содержания компонентов может быть автоматизировано. Данные о текущих значениях массы образцов поступают, например, через цифровой вольт-амперметр П р и м е р , На чертеже представлены термогравиметрические кривые, полученные после изотермической выдержки для эпоксидного связующего ЭДТ(М ), наполнителя из полиамидного волокна СВМ (И) и композиционного материала на их основе (11).Кривые получены непрерывной записью потери массы образцов на термогравиметрической установке ТГС"Перкин-Элмер" при скорости нагрева 160 град/мин, Образец связующего представляет собой порошок отвержденного ЭДТ; наполнителя - мелко нарезанные волокна СВМ, композиционного материала - тщательно перемешанный порошок предварительно измельченного материала,Образцы берут с начальной массой 0,7-0,8 мг.При расчете по формуле (1) по изотерме, проходящей через точку К, получено значение х =4,17, по формуле (2)- 48,3%, по формуле ( 3) - 48,6 Ж, паспортное значение .содержания наполнителя 487.Точками на чертеже обозначены расчетные значения относительной убыли массы композиционного материала, исходя из х = 48,671157425 Составитель С.БеловодченкоТехред ИдГегель Корректор Л.ПилипенкоТираж 897 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий13035 Москваа ЖРащская наб. д.4/5 Редактор О.Юрковецкая Заказ 3359/41 филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4 Щв память микро-ЭВМ 15 ВСМ,где они обрабатываются по программе, предусматривающей их сглаживание, выбор заданной температуры(или температур внутри температур.- 5ного интервала разложения всехтрех образцов и определение искомойвеличины по формулам 1)-(31. Использование предлагаемого спо 10 соба позволяет исключить изготовление образцов с различным содержанием компонентов, сократить затраты времени и труда. Кроме того, предлагаемый способ позволяет по полученным термогравиметрическим кривым проводить качественный и количественный анализ процесса термического разложения композиционного материала и его компонентов определять их термостойкость, содержание компонентов при любой температуре внутри температурного интервала разложения, рассчитывать кинетические параметры этого процесса, что может быть использовано для созда;шя новых материалов с заданными свойствами,