ИДЕНТИФИКАЦИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА РЕФЛЕКТОРОВ ЛЕГКОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

АННОТАЦИЯ

В статье идентифицированы составляющие полимерного композиционного материала, используемого в производстве рефлекторов легковых автомобилей марки  Menzolit BMC 3102. Выявлено, что он включает органическую часть – смолу  15-18 % от общей массы. С помощью рентгенофлуоресцентции изучен состав неорганической части композита. Его примерное количество 60%. Основываясь на эти исследования был получен аналогичный полимерный композиционный материал на основе местного сырья. Определены прочностные свойства полученных образцов.  Термомеханическим методом исследован процесс отверждения полученного композита.

ABSTRACT

The article identifies the components of the polymer composite material used in the manufacture of reflectors for passenger cars of the Menzolit BMC 3102 brand. It was revealed that it includes an organic part - resin 15-18% of the total mass. The composition of the inorganic part of the composite was studied using X-ray fluorescence. Its approximate amount is 60%. Based on these studies, a similar polymer composite material was obtained based on local raw materials. The strength properties of the obtained samples are determined. The curing process of the resulting composite was studied by the thermomechanical method.

Ключевые слова: Полимерные композиционные материал (ПКМ), Menzolit BMC 3102,  состав, строение, ненасыщенный полиэфир.

Keywords: Polymer composite material (PCM), Menzolit BMC 3102, composition, structure, unsaturated polyester.

Введение

Использование композиционных материалов становится все более масштабным. В автомобильной промышленности композитные материалы используются уже много лет, и с каждым годом уровень их использования увеличивается [1,2]. Применение пластиков и полимерных композиционных материалов обеспечивает следующие преимущества: снижение массы конструкции при его высокой прочности, высокая электрическая прочность,  дугостойкость,  стойкость к УФ излучению и.т.д. Кроме этого использование ПКМ в автомобилестроении позволить снизить его массу на 15-30%, а снижение массы на 100 кг приводит к снижению расхода топлива 0,5 л на каждые 100 км [3].

Все ведущие автопроизводители  проводят  исследовательские  работы   по внедрению угле- и стеклопластиков  в  конструкции  автомобилей  [4,5].

Известно [6], что конструкционные материалы получают из термопластов и реактопластов. Если изготавливать композицию из термопластов то после нагрева у них появляется чувствительность к пвышению температуры, вызванной лампой, когда фара включена. Этот недостаток проявляется в появлении локальных деформаций, влияющих на качество отраженного светового пучка. Чем меньше объем рефлектора, тем заметнее этот нежелательный эффект [7]. Если в качестве связующего использовать термореактивные олигомеры (эпоксидные, полиэфирные смолы) то вышеперечисленные недостатки устраняется.

Обычно фара автомобиля, по существу, содержит лампу, расположенную в центре фокуса вогнутого рефлектора, чтобы излучать определенный световой пучок, удовлетворяющий требованиям безопасности. Рефлектор должен иметь отражающую поверхность особенно высокого качества, чтобы обеспечить правильное распределение отраженного луча без дефектов или неровностей, которые могут привести к паразитным отражениям, способным вызвать ослепление [7]. Этих композиции называют «Bulk Moulding Compound» - объемные формовочные массы (BMC). Их перерабатывают методом литья под давлением и компрессионного литья.  Композиции  содержать стекловолокно  короткой и средней длины. Их можно добавлять в измельченном виде, в форме стержней или гранул [8].  Кроме этого BMC также широко используются в электронике, бытовой технике, автомобилестроении и транспортной промышленности. BMC обычно используются для светоактивных поверхностей отражателей.

Одной из таких композиции является Menzolit BMC 3102 и имеет ценные специфические свойства с редкими характеристиками [9,10]. Menzolit BMC 3102 представляет собой тип поликомпонентного композитного материала, состоящего из органической полимерной матрицы, образованной полиэфирной смолой и двумя основными неорганическими компонентами, минеральным наполнителем CaCO₃ и неравномерно расположенными стеклянными волокнами. Подходящее соотношение этих компонентов обеспечивает желаемую термостойкость при сохранении достаточных механических свойств для предполагаемого использования в автомобильной промышленности.

Menzolit BMC 3100 можно считать термостойким композитным материалом, пригодным для использования в условиях постоянной температуры до 200°C. Выше этой температуры материал начинает разлагаться на поверхности, особенно его органическая составляющая (полиэфирная смола) [7].  По этой причине такие материалы используются в качестве альтернативы в автомобильных фарах последнего поколения, поскольку они обладают значительно более высокими показателями термостойкости и механической прочности.

В Республике Узбекистан начиная 2006 года организовано производства легковых автомобилей на «GM Uzbekistan».  Для этих автомобилей необходимы различные полимерные и полимерные композиционные материалы. Одним из таких деталей является гнездо фар автомобилей  (легковой и грузовой).   Одно из предприятий производящих детали фар для автомобилей является СП «УзЧасис», который производит гнезда фар из «BMC» композиции, завозимой по импорту.

Данная статья статья посвящена изучению  состава  ВМС композиции и изысканию возможности разработки аналогичных материалов на основе местного сырья.

Экспериментальная часть

Объектом исследования был выбран ВМС компаунд марки Menzolit BMC-3102. Марка  Menzolit BMC-3102, который имеет следующие технологические свойства: плотность-2,0 г/см³; предел прочности при изгибе - ≥85 МПа; модуль упругости при изгибе - ≥ 11.500 МПа, ударная вязкость - >25 кДж/м².

Состав и структуру известного ПКМ исследовали следующим образом:

1.        Состав определяли следующим образом, в коническую колбу взвешивали 100 гр Menzolit BMC-3102 и добавляли 200 гр. ацетона. Далее тщательно взбалтывали и отделяли органическую часть от неорганической. Затем разделяли неорганический часть на дисперсный и волокнистый. А смолистый часть оделяли отдельно.  Все фракции были взвешиваны.

2.        Зольность определяли по ГОСТу 10847-74, дисперсный состав ноорганической части на рентгенофлуоресцентном спектрометре модели Rigaku NEX CG EDXRF-9022 19 0000(Япония), прочность при изгибе по ГОСТ 22181-91, ударная вязкость по ГОСТР 57715-2017.

3.        Композицию готовили следующим образом: в пластмассовый стакан взвешивали полиэфир, дисперсные наполнители, инициатор, диспергаторы, перемешивали и добавляли согласно рецептуре  стекловолокно. После приготовлении композиции ее прессовали в форме размерами 120х10х15 мм при 180^оС и  давлении 10 тонн. Полученные бруски  имели гладкую поверхность, без видимых дефектов.

4.        В качестве связующего использовали ненасыщенный полиэфир, синтезированный в лабораторных условиях, имеющий следующие свойства: плотность – 1,25 г/см³ ; молекулярная масса - >1600 ; вязкость – 369 мПа×с ; время гелеобразования – 24 мин.  

Обсуждение результатов

Обычно BMC (премикс) — полиэфирный стеклонаполненный пресс материал представляет собой тестообразную волокнистую массу. В его состав входят ненасыщенные полиэфирные смолы, рубленое стекловолокно (длина волокон — 12-20 мм), дисперсный минеральный наполнитель, пигменты, инициаторы и другие добавки. В качестве полимерной матрицы в BMC используются ортофталевые, изофталевые ненасыщенные полиэфирные смолы. Пресс материал на основе изофталевых смол обладает повышенной стойкостью к действию разбавленных кислот и щелочей. Длина и количество стекловолокна варьируется в широких пределах для придания прессматериалу необходимых физико-механических свойств и регулирования текучести композиции. Процесс приготовление BMC состоит из стадий приготовления связующего, введения в его состав добавок, пигментов и порошкообразных наполнителей. Паста смешивается со стекловолокнами в смесителе. Готовый ВМС упаковывается непроницаемые полимерные мешки [11].

Предложена композиция, состоящая из  ненасыщенного полиэфира марки T766 (связующий), полистирола марки N714 (модификатор), стирола (активный разбавитель), TBPB (инициатор), стеарат цинка (диспергатор), CaCO₃ и стекловолокно (наполнители) [10]. Состав приведен в табл. 1.

Таблица 1.

Рецептура ВМС

Из данных таблицы 1 видно, неорганическая часть композиции практически не превышает 67 мас.ч.

На предприятии СП «УзЧасис» для получение рефлекторов гнезд фар используют ВМС композиции марки  Menzolit® BMC 3102. Menzolit® BMC 3102 это марка в основном применяется для детали корпусов автоматических выключателей, детали рубильников, контакторов (в т.ч. высоковольтных), шинодержатели, рефлекторы автомобилей, детали двигателей и прочие. Благодаря своей теплостойкости точная геометрия отражателя сохранить свою форму при высоких температурах [7].

Рисунок 1. Вид Menzolit® BMC 3102

В этой связи требовалась разработка полимерного композиционного материала     с аналогичными Menzolit® BMC 3102 свойствами. Для этого  возникла необходимость идентификации композиции. Согласно литературным данным в состав аналогичных материалов входят связующий полимер, стекловолокнистый и дисперсный наполнители, целевые добавки.

Для определение состава вначале определили зольность композита при температуре 700-800^оС и продолжительности 1 час. Результаты исследований приведены  в табл. 2.

Таблица 2.

Минеральные составляющие  Menzolit® BMC 3102

Из таблицы 1 видно, что неорганический часть образца составляет 76,4 % при температуре 700^оС, а органическая часть имеет 23,6%, в случае повышения температуры до 800^оС процентная количества неорганической части уменьшается до 64,25%. 

Затем на рентгенофлуоресцентном спектрометре японской модели Rigaku NEX CG EDXRF-9022 19 0000 (рис.2) исследовали неорганическую часть. Установлено, что дисперсный наполнитель содержит 50,8 % СaO, 0,3 % SiO2, 0,244 % Al2O3, 0,2 % MgO, 0,168 % ZrO2 и другие элементы. Тот факт, что массовая доля СaO в его составе составляет более 50 %, позволил сделать вывод, что дисперсным наполнителем является мел, так как в работах [4] также показано, после термообработки выше 600 ^оС СаСО₃ разлагается на оксид.

Рисунок 2. Рентгенофлуоресцентный спектрометрический анализ дисперсных наполнителей

Полученные данные дали первоначальные выводы о составе композиции Menzolit® BMC 3102.

Анализом органической части аределено,что она содержит 25% смолы. Разделением неорганической части показано что она состоит из 60% порошкового наполнителя (оксид кальция или мел) и 15% стекловолокна.

Основываясь на результаты исследований по определению состава промышленного ПКМ и литературным данным [12,13] была составлена предварительная рецептура ВСМ. В качестве сырья использовали синтезированный в в лабораторных условиях ненасыщенный полиэфир, свойства которых приведены в табл. 3.

Таблица 3.

Физико-химические свойства ненасыщенного полиэфира

Далее нами приготовлен раствор НПЭФ в стироле. Полиэфиры часто использовать в виде 30-50% раствора в стироле или метилакрилате. Комплекс MEKP/Co2+ является наиболее широко используемой системой инициирования для отверждения ненасыщенных полиэфиров [12]. В этой связи был приготовление 35-40% раствор в стироле. В качестве ингибиторе использовали 0,01% гидрохинон.

Из приготовленной композиции прессованием в форме размером 120х10х15 мм  получены опытные образцы в виде стандартных брусков (Рис. 3.1), прочностные показатели которых сведены в табл. 4.

Рисунок 3. Отпрессованные стандартные бруски

Таблица 4.

Физико-механические свойства ПКМ на основе местного сырья

Из данных таблицы 4 видно, что прочностные свойства частично не соответствуют аналогичным показателям промышленный композиции Menzolit® BMC 3102. Дальнейшие работы необходимо направляет на оптимизацию композиции.

Выводы

Изучены состав и строение  промышленного композита Menzolit® BMC 3102. Выявлено, Menzolit® BMC 3102 содержит  16 % стекловолокна, 60% СаО и 24% смолы. Предложена рецептура на основе преимущественно местного сырья, изучены физико-химические и технологические свойства. Показано, что прочностные свойства композиции уступает промышленным. Дальнейшие исследования будет направлены на на оптимизацию композиции.

Список литературы:

1. Тuмошков П.Н., Хурьков А.В., Язвенко Л.Н. Композиционные материалы в автомобильной промышленности // ТРУДЫ ВИАМ -2017. – C.61-68 DOI: 10.18577/2307-6046-2017-0-6-7-7.
2. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации [Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года] // Авиационные материалов и технологии. 2015. – №1(34). – С.3-33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
3. Борщев А.В., Гусев Ю.А. Разработка и внедрение ПКМ в  автомобильную  промышленность // Журнал Авиационные материалы и технологии. 2014. – №4. – С. 48-52.
4. Chensong Dong. A modified rule of mixture for the vacuum-assisted resin transfer moulding process simulation // Composites science and technology. 2008. V. 68. №9. P.2125-2133.
5. Simacek P., Suresh G., Stanley A. Modeling Flow in Compression Resin Transfer Molding for Manufacturing of Complex Lightweight High-Performance Automotive Patrs // Journal of Composite Materials. 2008. №42. P.2523-2545.
6. Берлина А.А. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие.  –M.: Изд. 2014. – C.592.
7. Patent US № 005260368A, 9.11.1993.
8. Motor venicle headlamp reflector of thermosetting plastics material // Patent US № 5260368. 1993.  Valeo Vision, Bobigny Cedex
9. Grauck B,  Frundt  P. Einstieg in die Kunststoff- chemie. 3. Auflage, Carl Hanser Verlag, Munchen Wien 1991.
10. “Уникальные компаунды Menzolit”. БИЗНЕС-ПАРТНЕР ПЛАСТИКС. – №12 (106) 2011]  read the article in english — [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: http:// www.plastics.ru2.
11. Pavol Kostial, Zora kostialova Jancikova, Ondrej Krejcar, Kamil Kuca, Oluwaseun Fadeyi, Adebola Ororgun, Robert Frischer. Thermal aging of Menzolit BMC 3100 // Advances in Materials Science and Engineering. 2020. Vol.  P.1-8
12. Derosa R., Telfeyan E., G.Gaustad and S. Mayes. Strength and Microscopic Investigation of Unsaturated Polyester BMC Reinforced with SMC-Recyclate // New York State College of Ceramics School of Engineering at Alfred University 2 Pine Street, Alfred, NY, 14802, USA. P.333-349
13. Адхамов А., Нумонов А. Перспективы применения ПКМ в  автомобильной промышленности // Андижанский машиностроительный институт  Андижан, Узбекистан  Teхника. 2021. – №1. – С. 8-13.
14. Седов Л.Н., Михаилова З.В. Ненасыщенные полиэфиры. - М.: Химия, 1977. – C.232
15. Улрых Пот. Полиэфиры и алкидные смолы. –М.: Паинт Медия, 2009. - C.232