Методика ускоренного контроля содержания связующего в углепластиках
Автор: Постнов Вячеслав Иванович, Постнова Мария Вячеславовна
Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc
Статья в выпуске: 6-2 т.16, 2014 года.
Бесплатный доступ
Необходимость в быстром и точном определении содержания связующего в углепластиках увеличивается с расширением сфер их применения. В статье рассматривается методика, основанная на применении дериватографа, в котором нагрев образца происходит в герметичном тигле без доступа воздуха, что позволяет избежать окисления углеволокна при нагреве и тем самым получить более достоверные значения по содержанию связующего в пластике.
Дериватограф, дериватограмма, углеволокно, связующее, навеска
Короткий адрес: https://sciup.org/148203584
IDR: 148203584
Текст научной статьи Методика ускоренного контроля содержания связующего в углепластиках
Потребность в быстром и точном определении содержания связующего в углепластиках увеличивается с расширением сфер их применения. Методика, основанная на выжигании образца при 400 ° С, допускает ошибку измерения 2%. В реальных условиях из-за большого разброса температур в печах, частого открывания печей, различного положения тиглей внутри печи, неопределенности времени анализа, доведение веса до постоянного значения, окисления углеволокна и других причин, ошибка эта значительно выше.
Зависимость времени анализа от температуры отжига прослеживалась существующей методикой из оценки результатов отжига 12 образцов углепластика КМУ-3л, двух проб отвержденного связующего и двух проб углеволокна при различных температурах. Правильность определения конца анализа подтверждалось полным сжиганием чистого связующего и ошибкой определения содержания связующего в одинаковых пробах, не превышающей 1%. Времена отжига при 400о, 410о и 420оС соответственно равны 12, 7 и 5,5 часов. Очевидно, что при наличии градиента температур внутри печи (по паспорту ± 10 ° С, на практике больше) можно ожидать значительного расхождения результатов анализа. Отжиг проб углеволокна показал наличие его окисления в открытых тиглях. Среднее значение потери веса углеволокна при анализе по существующей методике 2 ^ 2,5%.
Вышеназванными причинами можно объяснить то, что повторный анализ по существующей методике образцов дал существенные результаты:
-
- систематическая ошибка (по семи пробам) – 7%;
-
- квадратичная ошибка единичного измерения – 2,18%.
Применение дериватографа для определения содержания связующего в углепластиках позволит избежать ошибок анализа, связанных с неравномерностью нагрева, несоблюдением режима отжига
Применение лабораторного тигля, сжигание в котором происходит без доступа воздуха, позволило исключить ошибку, связанную с окислением угле-волокна. Отсутствие такого окисления подтверждается экспериментально рис. 1 (кривые 4, 5). Выбор максимальной скорости нагрева - 20 ° С/мин связан с необходимостью уменьшения времени анализа, а выбор максимальной температуры -1000 ° С с необходимостью полного окончания процесса деструкции рис. 1 (кривые 2, 3). Вес навески (300 ^ 350 мг), чувствительность весов (100 мг), скорость подачи диаграммы (5 мм/мин), предел измерения каналов Т G (500 мВ) и ДТG (500 мВ) выбирались из условия получения приемлемой для обработки дериватограммы.
Характерные температуры начала и конца отжига связующего, при которых должен определяться вес навески с последующим определением изменения веса A m, определялись с учетом необходимости исключения начального участка нагрева - участка потери веса А т в =т о -т н из-за выделения влаги и уменьшения ошибки, связанной с обработкой дериватограммы. Так, температуры Т 1 и Т 2 были отброшены из-за неоднозначности их определения и, следовательно, из-за большой ошибки определения m 1 и m 2 . Были выбраны температуры Т н =230 ° С и Т к . Т н определялась как минимальная температура начала деструкции для 50 образцов. Т к является температурой окончания изменения веса образца (900 ° С) и определяется как точка пересечения линии ДТG (рис. 1, кривая 3) с базовой линией (пунктир). Потеря веса из-за деструкции связующего А т=т к -т н отличается от веса связующего на величину коксового остатка и пропорциональна содержанию связующего.
Коэффициент пропорциональности К является коэффициентом коксового остатка
Мп - A m„
К = —0---- В , М 0 - вес навески. Содержание свя-
Am зующего рассчитывается по формуле: С = ,Am aK ' 100%, где AmB = m0 - m„ - вес влаги.
M 0-A mB , B 0 н
полнителя (4, 5): 1 – температура, Т; 2, 4 – вес образца, Т G ; 3, 5 – скорость изменения веса образца,
ДТG
Определение коэффициента К проводилось следующим образом. Отвержденное связующее 5-211-Б от двух различных партий было предварительно просушено при 160 ° С 15 минут, разделено на 16 навесок и проанализировано. Среднее значение коэффициента К=1,322 ± 0,0097. Относительная ошибка определения К – 0,8%. Для проведения сравнительной оценки предлагаемой методики взяты 20 проб углепластика КМУ-3л. В табл. 1
приведены результаты анализа проб предлагаемой методикой С 0 , результаты анализа этих проб рентгеновским методом С рен , средние результаты анализа параллельных проб существующей методикой С лаб и средние результаты их проверки той же методикой С1 лаб . Средние результаты С рен , С1 лаб и С лаб завышены относительно С 0 соответственно на +1,3%, +1,14% и +4,35%. Два последних результата можно объяснить окислением углеволокна. Среднеквадратичные отклонения расхождения этих же величин с результатами предлагаемой методики: (С 0 -С рен ) – 3,3%, (С 0 -С1 лаб ) – 1,8%, (С 0 -С лаб ) – 4,34%.
Среднеквадратичное отклонение значения содержания связующего в навеске от среднего в пробе определяется следующим образом:
n
5 = — Yd2
\ 2 n V '
, где n – число пар, di – разность значений i-ой пары.
Для 20 проб углепластика проведено 46 определений. S=0,5%, А х гр =1% - границы интервала с
Ах искомой величиной. 2 =---= 2,9% - относитель- х ная погрешность.
Аналогичный расчет для результатов параллельных определений тех же проб (30 определений) существующим методом отжига дал погрешность S=1,05%. Разброс результатов параллельных определений должен характеризовать воспроизводимость методики при условии однородности образцов.
Таблица 1. Результаты анализа проб КМУ-3л
|
№ проб. |
С о , % |
С о |
рен |
С лаб , % |
Г1 1 о/ С лаб , % |
Толщина, мм |
С= С о -С о |
|
1-1 |
30,96 |
30,81 |
- |
39,60 |
33,40 |
- |
+0,15 |
|
1-2 |
30,96 |
+0,15 |
|||||
|
1-3 |
30,74 |
-0,07 |
|||||
|
1-4 |
30,83 |
+0,02 |
|||||
|
1-5 |
30,55 |
-0,26 |
|||||
|
2-1 |
33,91 |
34,30 |
38,60 |
32,60 |
- |
- |
-0,39 |
|
2-2 |
34,68 |
+0,39 |
|||||
|
3-1 |
35,66 |
36,34 |
34,30 |
36,10 |
- |
- |
-0,68 |
|
3-2 |
37,02 |
+0,68 |
|||||
|
4-1 |
33,37 |
33,99 |
40,50 |
38,80 |
- |
- |
-0,62 |
|
4-2 |
34,61 |
+0,62 |
|||||
|
5-1 |
30,22 |
30,11 |
- |
39,20 |
31,31 |
0,94 |
+0,11 |
|
5-2 |
29,60 |
-0,51 |
|||||
|
5-3 |
30,51 |
+0,40 |
|||||
|
6-1 |
38,40 |
37,83 |
34,20 |
37,90 |
- |
- |
+0,57 |
|
6-2 |
37,26 |
-0,57 |
|||||
|
7-1 |
25,61 |
25,03 |
- |
33,40 |
23,05 |
- |
+0,58 |
|
7-2 |
23,98 |
-1,05 |
|||||
|
7-3 |
25,21 |
+0,18 |
|||||
|
7-4 |
25,31 |
+0,28 |
|||||
|
8-1 |
39,48 |
39,74 |
42,40 |
38,30 |
- |
1,13 |
-0,26 |
|
8-2 |
39,99 |
1,17 |
+0,26 |
|
9-1 |
33,57 |
34,14 |
32,90 |
40,70 |
- |
- |
-0,57 |
|
9-2 |
34,70 |
+0,56 |
|||||
|
10-1 |
36,89 |
36,82 |
35,0 |
40,70 |
- |
1,02 |
+0,08 |
|
10-2 |
36,74 |
1,02 |
-0,07 |
||||
|
11-1 |
40,28 |
40,35 |
39,60 |
40,70 |
- |
- |
-0,07 |
|
11-2 |
40,43 |
+0,07 |
|||||
|
12-1 |
38,53 |
39,35 |
41,60 |
41,25 |
- |
- |
-0,82 |
|
12-2 |
40,17 |
+0,82 |
|||||
|
13-1 |
34,05 |
34,14 |
38,40 |
40,50 |
- |
- |
-0,09 |
|
13-2 |
34,23 |
+0,09 |
|||||
|
14-1 |
35,63 |
36,16 |
40,00 |
32,60 |
- |
- |
-0,53 |
|
14-2 |
36,69 |
+0,53 |
|||||
|
15-1 |
36,12 |
36,43 |
- |
43,40 |
36,60 |
- |
-0,31 |
|
15-2 |
36,75 |
+0,31 |
|||||
|
16-1 |
29,28 |
29,27 |
- |
40,10 |
31,70 |
2,16 |
+0,01 |
|
16-2 |
29,26 |
2,10 |
-0,01 |
||||
|
17-1 |
35,1 |
34,32 |
- |
40,10 |
36,50 |
2,55 |
+0,86 |
|
17-2 |
33,46 |
2,48 |
-0,86 |
||||
|
18-1 |
30,6 |
31,52 |
- |
39,60 |
29,30 |
- |
-0,92 |
|
18-2 |
32,45 |
+0,92 |
|||||
|
19-1 |
35,80 |
36,27 |
- |
- |
36,03 |
- |
-0,47 |
|
19-2 |
36,74 |
+0,47 |
|||||
|
20-1 |
39,40 |
38,67 |
- |
46,50 |
- |
- |
+0,37 |
|
20-2 |
38,80 |
+0,13 |
|||||
|
20-3 |
38,74 |
+0,08 |
|||||
|
20-4 |
38,10 |
-0,57 |
С целью проверки этого условия однородности, результаты анализа были сопоставлены с толщинами отдельных навесок образца. Очевидно, что неравномерность толщины является фактором, характеризующим неравномерность содержания связующего в данном образце. Установлено, что увеличение толщины образца на 0,046 мм (для углепластика, толщиной 1-2 мм) сопутствует увеличению содержания связующего на 0,6%.
Выводы: предлагаемая методика определения содержания связующего в углепластиках позволяет снизить время анализа в 5 ^ 10 раз по сравнению с традиционным методом выжигания при этом точность полученных результатов в 2 раза выше.
Список литературы Методика ускоренного контроля содержания связующего в углепластиках
- Каблов, Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года//Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
- Постнов, В.И. Неразрушающие методы контроля содержания связующих в препрегах и ПКМ (обзор)/В.И. Постнов, О.Л. Бурхан, А.Э. Рахматуллин, С.М. Качура//Труды ВИАМ. 2013. №12. Ст. 06. (viam-works.ru).
- Постнов, В.И. Непрерывный автоматизированный контроль массового содержания пленочного клеевого связующего в препрегах в процессе их изготовления/В.И. Постнов, О.Л. Бурхан, С.М. Качура и др.//Известия Самарского научного центра РАН. 2012. Т.14, №4(3). С. 830-833.
- Постнов, В.И. Компьютерная установка для непрерывного мониторинга содержания связующего в препрегах в процессе пропитки/В.И. Постнов, К.Е. Никитин, С.М. Качура и др.//Авиационные материалы и технологии. 2009. №4. С. 21-23.
