Способ получения слоистой композиционной структуры

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОИСТОЙ КОМПОЗИЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Шаповалов Виктор Михайлович Кудин Сергей Владимирович Купчинов Борис Иванович Плескачевский Юрий Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ получения слоистой композиционной структуры типа сандвич путем соединения бумажной сотовой сердцевины с облицовочными наружными слоями из листового материала посредством клеевой прослойки, отличающийся тем, что соединение осуществляют в две стадии, на первой стадии - при температуре 170-200 С, давлении 1-3 МПа в течение 5-8 минут, на второй стадии - при температуре 20-30 С, давлении 0,5-1,0 МПа в течение 10-20 минут, при этом в качестве сотовой сердцевины используют бумажный сотовый заполнитель, модифицированный 30-50 водным раствором силиката натрия, а в качестве клеевой прослойки - сетчатый холст на основе севелена с температурой плавления 80-90 С. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве облицовочных наружных слоев используют листовой материал следующего состава, мас.полипропилен 35-55 полиэтилен 15-25 целлюлозный наполнитель 10-50. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют бумажный сотовый заполнитель, ячейки сот которого заполнены лигноцеллюлозными частицами размером 3-10 мм,модифицированными смесью, включающей силикат натрия, глицерин и 5 водный раствор хлористого аммония в массовом соотношении 10,050,05, соответственно. 5854 1 Изобретение относится к способам получения слоистых структурных изделий типа сандвичей и может быть использовано в строительстве жилых и гражданских зданий для изготовления перегородок, подвесных потолков, дверных полотен и т.п., а также в авто- и вагоностроении. Известен способ получения слоистой композиционной структуры, включающий склеивание двух наружных облицовочных слоев, разделенных заполнителем, содержащим материал с сотовой структурой 1. Особенностью данного способа является использование при изготовлении конструкции битуминизированного войлока. Вместе с тем, наличие битуминизированного войлока усложняет процесс склеивания облицовочных слоев и сотового заполнителя, а также сборку самой конструкции. Известен способ получения слоистой структуры 2, где полости сотовой структуры заполнены пенополистиролом, содержащим фенольную или эпоксидную, или полиуретановую смолу. Такой подход позволяет получать сандвичевые конструкции с высокими теплотехническими характеристиками. Однако осуществление данного способа сопряжено с повышенной трудоемкостью процесса, а использование вышеуказанных смол представляется нецелесообразным с экологической и экономической точки зрения. Известен 3 способ получения слоистой композиционной структуры путем склеивания сотовой сердцевины и композиционной обшивки, между которыми, частично по периметру сердцевины, установлена жесткая прокладка, соединенная с сердцевиной посредством слоя вспененного адгезива. Такой способ позволяет достичь высокой удельной прочности структуры, однако не способствует упрощению технологического процесса ее формирования и требует применения специальных технологических приемов. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ получения слоистой композиционной структуры, включающий соединение бумажной сотовой сердцевины с наружными слоями из листового материала путем использования клеевой прослойки 4. Способ отличает достаточно простая технологическая схема сборки композиционной структуры. Однако невысокие прочностные характеристики данной структуры существенным образом снижают эффективность ее использования в различных областях промышленности по критериям надежности и долговечности. Кроме того, применение в качестве клеев термореактивных полимеров связано с повышением трудоемкости процесса и экологическими проблемами. Задача изобретения - повышение показателей прочности при сжатии и сдвиге слоистой композиционной структуры. Поставленная задача решается тем, что в способе, включающем формирование структуры путем соединения бумажной сотовой сердцевины с облицовочными наружными слоями из листового материала посредством клеевой прослойки, формирование слоистой композиционной структуры осуществляют в две стадии на первой стадии при температуре 170-200 С, давлении 1-3 МПа в течение 5-8 минут, на второй стадии - при температуре 20-30 С, давлении 0,5-1,0 МПа в течение 10-20 минут, при этом в качестве сотовой сердцевины используют бумажный сотовый заполнитель, модифицированный 30-50 водным раствором силиката натрия, а в качестве клеевой прослойки сетчатый холст на основе севелена с температурой плавления 80-90 С. В качестве облицовочных наружных слоев используют листовой материал следующего состава, мас.полипропилен 35-55 полиэтилен 15-25 целлюлозный наполнитель 10-50. В качестве заполнителя используют бумажный сотовый заполнитель, ячейки сот которого заполнены лигноцеллюлозными частицами размером 3-10 мм, модифицированными 2 5854 1 смесью, включающей силикат натрия, глицерин и 5 водный раствор хлористого аммония в массовом соотношении 10,050,05, соответственно. Сущность изобретения поясняется следующим. Слоистая композиционная структура, полученная по прототипу, несмотря на достаточно простую технологическую схему сборки, обладает и рядом недостатков. Во-первых,для получения качественного соединения ненаполненных термопластичных листов необходимо применение высококачественных клеев с повышенными эксплуатационными характеристиками, что неизбежно приводит к удорожанию и усложнению процесса сборки вследствие дефицитности клеевых материалов и увеличения времени склеивания элементов конструкции. Во-вторых, использование конструкции бумажной сотовой сердцевины приводит к снижению прочностных показателей слоистой структуры, особенно в условиях повышенной влажности. При этом то же самое наблюдается и с теплотехническими характеристиками (коэффициент теплопроводности), которые в зависимости от влажности колеблются в интервале 0,1-0,2 Вт/мград, что в целом не способствует получению композиционных структур с высокой надежностью и долговечностью. В связи с этим предложено формирование композиционной структуры осуществлять в две стадии на первой стадии при температуре 170-200 С, давлении 1-3 МПа в течение 58 минут. Такие температурно-временные параметры переработки способствуют оптимальному прогреву листовой заготовки, а также качественному контакту сотового заполнителя с листовой заготовкой, обеспечивая плавление сетчатого холста и наилучшие условия для формирования прочного адгезионного контакта на границе раздела сот и покровного слоя. При этом предложенные режимы обеспечивают получение бездефектных конструкций без образования складок, вздутий, прогибов и др., чему в немалой степени способствует структура сетчатого клея, исключающая формирование конструкций с повышенными внутренними напряжениями. Это объясняется тем, что оплавление сетчатого клея характеризуется формированием точечного контакта между стенками сот и поверхностью облицовочного листа. Понижение давления и температуры формования приводит к резкому снижению адгезионного контакта, а в некоторых случаях и к его полному отсутствию. Увеличение времени контакта неизбежно ведет к удорожанию технологического процесса. На второй стадии формирование осуществляют при температуре 20-30 С, давлении 0,5-1,0 МПа и времени формования 10-20 мин. Такая операция объясняется необходимостью фиксации адгезионного точечного контакта, так как в противном случае возможны технологические дефекты в виде отслаивания листового материала и сотового наполнителя. Поэтому выдержка сформированной структуры при температуре 20-30 С и давлении 0,5-1,0 МПа в течение 10-20 минут обеспечивает ускорение протекания процессов фиксации адгезионного контакта и приведение структуры в равновесное состояние. Наличие в листовом материале лигноцеллюлозных частиц, наряду с повышением сопротивляемости материала продавливанию, обеспечивает и более низкую теплопроводность композиционного материала, что в целом придает слоистой композиционной структуре повышенные теплотехнические характеристики. При использовании ненаполненного листового материала наблюдается образование складок, прогибов и разрывов материала вследствие нарушения сплошности покровного слоя при его продавливании ребрами сотового заполнителя, увеличиваются внутренние напряжения при температурных воздействиях. Повышению теплотехнических характеристик способствует также заполнение ячеек сот лигноцеллюлозными частицами с размером 3-10 мм. Размер частиц выбран из условия их оптимальной упаковки в сотах, а также обеспечивающих наименьшую насыпную плотность лигноцеллюлозной массы. Вместе с тем, использование чистых лигноцеллюлозных частиц в структуре представляется нецелесообразным, так как приводит (в особенности при повышенной влажности) к их разбуханию и разрушению. В связи с этим предложено модифицировать частицы смесью силикат натрияглицерин 5 водный раствор 4 в 3 5854 1 соотношении 10,050,05 соответственно, что позволило повысить их плотность и водостойкость. В результате такого модифицирования создаются условия формирования из лигноцеллюлозной массы жесткого каркаса, способствующего возрастанию прочностных свойств структуры в целом. Повышению прочности способствует также модифицирование бумажного сотового заполнителя 30-50 водным раствором силиката натрия. Выбор процентного соотношения (30-50 ) водного раствора обусловлен возможностью равномерной и качественной пропитки бумажных сот раствором, придающего им жесткость,влагоотталкивающие свойства, а также повышенную огнестойкость. Изобретение осуществляется следующим образом. Для изготовления слоистой композиционной структуры использовали следующие материалы древесноволокнистая плита, ГОСТ 4598-74 листовой древопластик следующего состава, мас.полипропилен - 35-55 полиэтилен - 15-25 целлюлозный наполнитель - 10-50 севелен марки 11607-040 силикат натрия растворимый, ТУ 13079-93 глицерин сырой, ТУ 6823-77 аммоний хлористый технический, ТУ 2210-73 бумажный сотовый заполнитель с размером ячеек 10 мм, ГОСТ 3441-55 соты из крафтбумаги, ГОСТ 515-50 клей на основе эпоксидной смолы ЭД-20. Примеры осуществления способа. Прототип. На листы древесноволокнистой плиты (ДВП) наносили клей на основе эпоксидной смолы ЭД-20, между которыми укладывали соты из крафтбумаги и склеивали между обогреваемыми плитами при температуре 200 С, при давлении 5 МПа, в течение 45 минут. После чего сформированную панель перед испытанием выдерживают под нагрузкой при комнатной температуре в течение 24 часов. Заявляемый способ (-). Сотовый заполнитель, обработанный силикатом натрия, помещали между листами древопластика, на которых закреплялся сетчатый холст из севелена. Ячейки сотового заполнителя заполняли лигноцеллюлозными частицами размером 1, 3, 6, 10 и 15 мм, которые предварительно модифицировали смесью силиката натрия, глицерина и хлористого аммония в соотношении 10,050,05 соответственно. Выбор этого соотношения определен экспериментально по критерию прочности. Технологические параметры представлены в табл. 1, физико-механические свойства представлены в табл. 2. В вариантев качестве листового материала использован лист из ДВП. Контрольные примеры (-). Все примеры осуществляли по параметрам вариантаза исключением в примеребез наполнителя в ячейках в примере- без пропитки бумажных сот в примере- с чистым полимерным листом без пропитки сот. Анализ таблиц 1 и 2 показывает, что наилучшие показатели имеют композиции -,при этом в сравнении с прототипом прочность при сжатии возрастает на 60-100 , прочность при сдвиге на 10-60 , коэффициент теплопроводности снизился на 5-20 . Таким образом, совокупность предложенных технологических операций по предлагаемому изобретению обеспечивает качественное получение слоистой композиционной структуры с повышенными прочностью при сжатии и изгибе. Наличие лигноцеллюлозного наполнителя в ячейковых сотах с размером частиц, мм 1,0 Обработка наполнителя модификатором Содержание в смеси, мас.5 Соотношение 10,050,05 Обработка бумажных сот 30 Соты из крафтводным раствором силиката натрия бумаги Наличие клеевой прослойки Клей на основе Сетчатый эпоксидной клей из смолы марки севелена ЭД-20 Формирование композиционной структуры На первой стадии Температура, С Давление, МПа Время, мин На второй стадии Температура, С Давление, МПа Время, мин Наличие облицовочных материалов Сетчатый Сетчатый Сетчатый клей из клей из клей из севелена севелена севелена Сетчатый клей из севелена Сетчатый Сетчатый клей из клей из севелена севелена Сетчатый клей из севелена 30 30 30 0,75 0,75 0,75 15 15 15 листовой листовой Лист из подревопла- древопла- лиэтилена стик стик без полимерным без напол- пропитки листом без нителя бумажных пропитки сот сот 5854 1 Таблица 2 Показатели Прочность при сжатии,МПа Коэффициент теплопроводности, Вт/мград Прочность при сдвиге,МПа Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.