Феноменологическое кинетическое уравнение конверсии связующего композиционных материалов на основе изотермических испытаний
Автор: Кондюрин А.В., Пестренин В.М., Пестренина И.В., Ландик Л.В.
Статья в выпуске: 1, 2023 года.
Бесплатный доступ
В задачах технологической механики: изготовления конструкций из композитов, упаковки и развертывания изделий из препрега космического назначения и других - возникает необходимость вычисления текущих механических свойств композитного материала с не полностью отвержденным связующим. Такие свойства определяются, прежде всего, состоянием связующего, которое описывается кинетическим уравнением конверсии. Параметры кинетического уравнения зависят от многих факторов: температуры, диффузии, наличия каталитической системы, модификаторов, реагентов, образования сопутствующих продуктов кинетических реакций, испарения реагентов, воздействия на прохождение реакции радиационного излучения и др. Достоверный учет влияния каждого фактора в кинетическом уравнении оказывается практически невозможным. Поэтому большинство авторов используют феноменологическое уравнение конверсии, опирающееся на экспериментальные данные, поскольку эти данные отражают все особенности кинетического процесса. В работе рассматривается уравнение конверсии первого порядка, учитывающее автоускорение и автозамедление. Параметры уравнения определяются на основании изотермических экспериментальных данных по следующей методике. Уравнение для скорости конверсии интегрируется, интеграл используется для построения системы уравнений, содержащих экспериментальные данные и искомые параметры аппроксимации, которые определяются стандартными математическими методами. Зависимость параметров кинетического уравнения от температуры также строится путем аппроксимации. Приводятся примеры построения уравнений конверсии для двухкомпонентной модельной композиции и промышленной многокомпонентной композиции Барнес. Показано, что параметры кинетического уравнения в обоих случаях существенно зависят от температуры. Приведены примеры использования полученного кинетического уравнения для вычисления степени отверждения образцов при заданном температурном нагружении.
Кинетическое уравнение конверсии, изотермический процесс, степень отверждения, неполная конверсия, температурный режим, механические свойства связующего
Короткий адрес: https://sciup.org/146282655
IDR: 146282655 | DOI: 10.15593/perm.mech/2023.1.07
Список литературы Феноменологическое кинетическое уравнение конверсии связующего композиционных материалов на основе изотермических испытаний
- Синтез оптимального управления процессом формования в автоклаве композитных конструкций типа открытых оболочек / И.В. Тарасов, М.Б. Флек, С.Н. Шевцов, В.Н. Аксенов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Машиностроение и машиноведение. - 2016. -Т. 18, № 1(2). - С. 314-321.
- Sun L. Thermal rheological analysis of cure process of epoxy prepreg. LSU Doctoral Dissertations, 2002. 952 p. [Электронный ресурс]. - URL: https://digitalcommons.lsu.edu/ gradschool_dissertations/952 (дата обращения: 27.11.2022).
- Yanborisov E., Yanborisov V., Spivak S. Algorithm of modelling Ziegler-Natta polymerization taking account of change of catalyst activity // Matem. Mod. - 2010. - Vol. 22. - P. 15-25.
- Захарова В.Г., Кавардина В.А. Кинетическое уравнение элементарной реакции // Сб. статей 10-й Международной молодежной научной конференции. - 2021. - Т. 4. - С. 35-38.
- Холуйская С.Н., Метлин А.Ю., Самойленко А.А. Кинетические и термохимические параметры реакции полимеризации 2-гидроксиэтилметакрилата, катализированной комплексом оксованадия (IV) // Химическая технология. - 2016. -Т. 17, № 5. - С. 209-215.
- Хамидуллин О. Л., Амирова Л.М. Оптимизация режимов отверждения эпоксиангидридного связующего с новым фосфониевым катализатором на основе кинетической модели реакции // Вестник Технологического университета. - 2018. -Т. 21, № 2. - С. 59-62.
- Epoxy-Anhydride Binders with Phosphonium Catalyst for Fabrication of Products from Composition Materials through Pressure Impregnation / O.L. Khamidullin, L.R. Amirova, K.A. And-rianova [et al.] // Inorganic Materials: Applied Research. - 2020. -Vol. 11. - P. 79-84. DOI: 10.1134/S2075113320010190
- Лизунов Д.А. Разработка высокопрочных углепластиков на основе эпоксисодержащих олигомеров: дис. ... канд. хим. наук. - 05.17.06 - Технология и переработка полимеров и композитов. - М., 2014.
- Хозин В.Г., Зыкова Е.С. Модифицирование эпоксидных связующих наночастицами для полимеркомпозитной арматуры [Электронный ресурс] // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - № 18. - URL: https://cyberleninka.ru/article/n/modifitsirovanie-epoksidnyh-svyazuyuschih-nanochastitsami-dlya-polimerkompozitnoy-armatury (дата обращения: 27.11.2022).
- Isothermal kinetics of epoxyphosphazene cure / N.V. Bornosuz, I.Yu. Gorbunova, V.V. Petrakova, (...), D.V. Onuchin, I.S. Sirotin // Polimers. - 2021. - Vol. 13(2), no. 297. - P. 1-16. DOI: 10.3390/polym13020297
- Optimization of Properties of Epoxy Binders during Their Modification / E.V. Kupriyanova, V.S. Osipchik, T.P. Kravchenko, A.N.Pachina, T.V. Morozova // Polymer Science, Series D. - 2021. -Vol. 14, no. 4. - P. 483-488. DOI: 10.1134/S1995421221040109
- Kinetics of Curing of Epoxy Oligomer by Diamino-diphenyl Sulfone: Rheology and Calorimetry / M.P. Arinina, V.A.Kostenko, I.Y. Gorbunova, S.O. Il'in, A.Y. Malkin // Polymer Science - Series A. - 2018. - Vol. 60(5). - P. 683-690.
- Kovaleva E.G., Savotchenko S.E. Kinetic features of polymerization of epoxy resin modified by silicon-containing additives and mineral fillers // Polymer Engineering & Science. -2022. - Vol. 62(1). - P. 75. DOI: 10.1002/pen.25833
- Огрель Л.Ю., Ястребинская А.В., Бондаренко Г.Н. Полимеризация эпоксидного связующего в присутствии добавки полиметилсилоксана // Строительные материалы. -2005. - № 9. - С. 82-87.
- Влияние углерожных нанотрубок на кинетические аспекты отверждения термореактивных связующих на примере эпоксидных смол / М.А. Хасков, В.А. Большаков, Ю.И. Меркулова, Т.А. Гребенева // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. - 2015. -Т. 58, № 7. - С. 58-62.
- Влияние фурфуролацетонового компонента на скорость полимеризации фурано-эпоксидных связующих / Ю.Р. Максимова, П. А. Егоров, О. Е. Насакин, А. А. Сазанова, Л.В. Ямбаршева, Л.Ю. Асанова, Ю.Э. Денисова // Приоритетные направления инновационной деятельности в промышленности: сборник научных статей IX международной научной конференции. - Казань, 2021. - С. 98-99.
- Abhijit S., Mahanwar P.A., Bambole V.A. Effect of poly-pyrrole on the properties of conventional epoxy coatings // Pigment & Resin Technology. - 2013. - Vol. 42, no. 5. - P. 317-325. DOI: 10.1108/PRT-04-2011-0030
- Kondyurin A.V., Komar L.A., Svistkov A.L. Modeling of the kinetics of the curing reaction of the epoxy-binder-based composite material // International Journal of Nanomechanics Science and Technology. - 2011. - Vol. 2(2). - P. 167-183. DOI: 10.1615/NanomechanicsSciTechnolIntJ.v2.i2.60
- Кондюрин А.В., Комар Л.А., Свистков А.Л. Моделирование кинетики реакции отверждения композиционного материала на основе эпоксидного связующего // Механика композиционных материалов и конструкций. - 2010. - Т. 16, № 4. - С. 597-611.
- Испарение молекул отвердителя в реакции полимеризации эпоксидной смолы / А.Л. Свистков, Л.А. Комар, А.В. Кондюрин, М.С. Мальцев, В.Н. Терпугов // Материалы XI Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ'2016). Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет). -2016. - С. 385-387.
- Malkin A.Y., Kulichikhin S.G. Rheokinetics: Rheological Transformations in Synthesis and Reactions of Oligomers and Polymers. - John Wiley & Sons: Hoboken, NJ, USA, 2008. - 329 p.
- Malkin A.Y., Gorbunova I.Y., Kerber M. Comparison of four methods for monitoring the kinetics of curing of a phenolic resin // Polymer Engineering & Science. - 2005. - Vol. 45. -P. 95-102.
- Рощин Д.Е., Патлажан С.А., Берлин А.А. Моделирование свободно-радикальной полимеризации при периодическом фотоинициировании // Высокомолекулярные соединения Б. - 2022. - Т. 64(1). - С. 71-80. DOI: 10.31857/S2308113922010065
- Бондалетова Л.И., Бондалетов В.Г. Полимерные композиционные материалы (часть 1): учебное пособие. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. - 118 с.
- Kim W.G., Lee J.Y. Cure Properties of Methacrylate-Type Prepolymer That Include Cyclohexane Moiety // Journal of Applied Polymer Science. - 2004. - Vol. 92(1). - P. 43-52. DOI: 10.1002/app.13635
- Моделирование процесса полимеризации толстостенной композитной конструкции / В. В. Дубров, И. Г. Самощен-ко, Г.Н. Тоискин, М.Б. Флек, С.Н. Шевцов // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск. - 2010. - C. 222232.
- Modeling the Curing Kinetics of an Epoxy Binder with Disturbed Stoichiometry for a Composite Material of Aerospace Purpose / V.G. Gilev, S.V. Rusakov, V.S. Chudinov, A.Y. Rakhma-nov, A.V. Kondyurin // Mechanics of Composite Materials. - 2021. -Vol. 57(3). - P. 361-372. DOI: 10.1007/s11029-021-09960-3
- Venger A.E., Fraiman Yu.E., Yurevich F.B. Applicability of one-stage chemical reaction kinetic equation to describe non-isothermal destruction processes // Journal of Thermal Analysis. -1983. - Vol. 27(2). - P. 325-331. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9399(1991)117:5(1088)
- Применение CFD-подхода для моделирования макрокинетики контролируемых процессов полимеризации [Электронный ресурс] / К.А. Терещенко, Р.Р. Набиев, Д.А. Шиян, Н. В. Улитин // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - № 14. - URL: https://cyberleninka.ru/article/n7 primenenie-cfd-podhoda-dlya-modelirovaniya-makrokinetiki-kontroliruemyh-protsessov-polimerizatsii (дата обращения: 27.11.2022).
- Curing of large prepreg shell in solar synchronous Low Earth Orbit: Precession flight regimes / A.V. Kondyurin, S.V. Rusakov, V.M. Pestrenin, I.V. Pestrenina // Acta astronavtica. - 2018. -Vol. 151. - P. 342-347. DOI: 10.1016/j.actaastro.2018.06.029
- Kondyurin A. Design and Fabrication of Large Polymer Constructions in Space. - Elsevier, 2022. - 630 p.
- Малкин А.Я., Бегишев В.П. Химическое формование полимеров. - М.: Химия, 1991. - 240 с.
