Epoksidinio dervos vaidmuo kuriant ilgaamžius ir lengvus kompozitus

Epoksidinė derva kaip lengvų, stiprių kompozitų pagrindas

Suprasti epoksidinės dervos vaidmenį kompozitinių medžiagų kūrimo procese

Epoksidinio dervos molekulinis statymas iš tikrųjų leidžia kurti puikius kompozitus. Ji turi gana mažą tankį – nuo 1,1 iki 1,4 g/cm³, tačiau vis tiek turi daug įvairių ryšių. Gautas medžiaga yra stipri ir pakankamai lengva, kad būtų naudojama su įvairiomis armuojančiomis medžiagomis, tokio kaip anglies pluoštas ar stiklo pluoštas. Kai šios sudėtinės dalys susijungia, jos tolygiai paskirsto apkrovą visoje konstrukcijoje. Pernai paskelbti nauji tyrimai taip pat parodė kažką įdomaus. Epoksidinių mišinių, turinčių vos 5 % celiuliozės pagrindu pagamintų priedų, stipris esant smūgiui buvo daugiau nei 250 % didesnis nei įprastų variantų be jų. Inžinieriai mėgsta su tuo dirbti, nes jie gali koreguoti dervos tekstūrą – nuo skysčio iki tankesnės masės, taip pat kontroliuoti jos kietėjimo spartą, priklausomai nuo pluošto rūšies, kurią naudoja. Tai reiškia, kad gamintojai gali kurti detales, atitinkančias tiksliai nustatytus reikalavimus, ir kartu išlaikyti bendrą svorį mažą.

Kodėl epoksidinės dervos suteikia puikią mechaninę stiprybę lengvuosiuose kompozitiniuose konstrukcijose

Iš esmės epoksidinės dervos turi tokius kovalentinius ryšius, kurie suteikia puikų standumą, kartu išlaikant mažą svorį, todėl ji yra svarbi medžiaga lėktuvams ir automobiliais. Termoplastikai vargiai gali konkuruoti, nes jie linkę slinkti, kai ilgą laiką veikia pastovi apkrova. Epoksidinė derva lieka stabilus net esant gana aukštai temperatūrai – apie 180 laipsnių Celsijaus. Tyrimai parodė kažką įdomaus apie epoksidinės dervos veikimą su pluoštais. Tinkamai sumaišius, susidaro tvirti ryšiai tarp pluošto ir matricos medžiagų, o tai iš tikrųjų padidina lenkimo stiprį beveik 19 % tose kompozitinėse sistemose, kuriose yra kelių tipų pluošto. Kitas svarbus privalumas yra tas, kad epoksidinė derva, kietėdama, beveik nesitraukia – mažiau nei 2 %, todėl viduje susidaro nedaug oro kišenių. Tai reiškia, kad iš epoksidinės dervos pagamintos detalės išlaiko savo konstrukcinį vientisumą net tada, kai jos gaminamos didesnėmis apimtimis, nepakenkiant visai kokybei.

Epoksidinio dervos palyginimas su kitomis polimerinėmis matricomis pagal tankį ir našumą

Nors fenolinių ir poliesterio dervos yra pigesni alternatyvos, epoksidinė derva jas pranoksta pagrindinėse srityse:

Epoksidinės 40 % mažesnis drėgmės sugėrimas lyginant su fenolinių variantų drėgnoms aplinkoms palankesnėmis sąlygoms, o jo sukibimo stipris (18–24 MPa) viršija poliesterio 10–15 MPa ribas. Šios savybės tvirtai įtvirtina epoksidinę dervą kaip optimalų pasirinkimą lengviesiems kompozitams, kuriems reikia ilgalaikio atsparumo.

Pagrindinės mechaninės savybės: epoksidinių kompozitų tempties, lenkimo ir smūginis atsparumas

Tempiamojo stiprio didinimas optimizuojant epoksidinės dervos formulę

Epoksidų kompozitai šiandien gali pasiekti tempties stiprumą virš 600 MPa dėl geresnių maišymo metodų. 2018 metų tyrimas parodė, kad į šiuos dervos mišinius įmaišius grafito nanoląstas, stiprumas padidėja apie 35 procentais lyginant su įprastomis versijomis, nes šios mažos plokštelės padeda paskirstyti apkrovą, o ne leisti jai kauptis vienoje vietoje. Sėkmės šaltinis yra tinkamo balanso tarp molekulių tarpusavyje susijusių tankio ir mikroskopinio stiprinimo radimas. Tokios savybės leidžia naudoti lengvesnes dalis, kurios vis dar gali išlaikyti didelę apkrovą išilgai, todėl jos vis dažniau naudojamos lėktuvų konstrukcijose, kur svarbu svertis, tačiau negalima aukoti stiprumo.

Pluošto armuotų epoksidų kompozitų lenkimo savybės esant konstrukcinių apkrovų

Epoksidinės kompozicijos, armuotos anglies pluoštu, turi lenkimo stiprumą 0,0965 GPa (ASTM D790) – 28 % didesnį nei bismaleimidų dervos esant tokia pačia tankiui. Jų puikus standumo ir svorio santykis yra dėl dervos gebėjimo išlaikyti pluošto orientaciją kietėjimo metu, pasipriešinant deformacijai esant trijų taškų lenkimo situacijoms, būdingoms vėjo turbinų mentėms.

Smūgio atsparumas ir energijos sugėrimas epoksidiniuose lengvuosiuose medžiagose

Nanotechnologiškai sukurtos epoksidinės matricos sugeria 21,3 J/m² smūgio energijos (ASTM D256) – 40 % geriau nei konvencinės termoreaktyviosios dervos. Atlikus Charpy smūgio bandymus, šios medžiagos rodo kontroliuojamą įtrūkimų sklaidą per mikro lygio guminės dalelių sklaidą, strategiją, patvirtintą 2020 m. kompozitinių medžiagų moksliniuose tyrimuose.

Duomenų įžvalga: vidutinės epoksidinių kompozitų mechaninės savybės (ASTM standartai)

Duomenys pagal polimerinių kompozitų našumo lygmenis (2023 m.)

Lentelė atskleidžia epoksidų unikalią poziciją – nors cianato esteriai turi didesnį smūginį atsparumą, epoksidai išlaiko geresnį visuminį balansą tarp stiprumo, apdirbamumo ir atsparumo aplinkos poveikiui.

Pluošto ir nanomaterialų armavimo strategijos padidintai ilgaamžiškumui

Pluošto ir matricos sukibimo svarba nustatant kompozito našumą

Stiprus tarpfazinis sukibimas tarp pluoštų ir epoksidinės matricos užtikrina veiksmingą apkrovos perdavimą, neleidžiant konstrukcijai atsiskirti esant mechaninėms apkrovoms. Paviršiaus apdorojimai, tokie kaip plazminis ėsdinimas ir silano jungiamieji agentai, padidina sukibimo stiprumą iki 60 % lyginant su neapdorotais pluoštais, tiesiogiai pagerinant atsparumą nuovargiui apkroviamuose konstrukcijų elementuose.

Paviršiaus apdorojimai ir pluošto armavimo sąsajos epoksidinių dervų sistemose

Pažengusios sąsajos inžinerijos technikos koncentruojasi į pluošto drėkinamumo ir cheminės suderinamumo optimizavimą. Pvz., elektrinio lauko išlygintos anglies nanovamzdelių tinklai tarp anglies pluošto sluoksnių padidina tarp sluoksnių šlyties stiprumą 40%, išlaikant technologinį įgyvendinamumą. Šios technikos sumažina tuštumų sąsajoje kiekį, tai yra kritiškai svarbu aviacijos kompozituose.

Hibridinio natūralaus pluošto armavimas epoksidiniuose kompozituose, skirtuose ilgaamžiškai naudoti

Derinant lino ar jutų pluoštus su sintetiniais armavimo elementais, pasiekiamas tvarumo ir našumo balansas. Hibridinės sistemos, kuriose yra celiuliozės nanoplaušų, pasižymi 23% didesniu konkrečiu kietumu nei tradiciniai stiklo pluošto kompozitai, tuo tarpu medžiagos kaina sumažėja 18%. Šie biokompozitai išlaiko 90% savo tempimo stiprumo po 1 000 drėgmės ciklų.

Anglies nanovamzdelių ir grafito įtraukimas į epoksidinės dervos matricas

Pridėjus 0,3–0,7 sv. % grafeno oksido, epoksidinio dervos tempties modulis padidėja 28 %, o elektros laidumas – šešiomis eilemis. Angliako pluošto paviršiuje augantys išlyginti anglies nanovamzdžių miškai sukuria hierarchines struktūras, kurių lenkimo stipris yra 3 858 svarų per kvadratinį colį – 65 % didesnis nei nepagerintoms sistemoms – ir tai padidina tankį tik 2 %.

Epoksidinių kompozitų mechaninės savybės ir jų optimizavimas naudojant nanodaleles

Nanomaterialų integruojimas leidžia vienu metu pagerinti stiprį (smūginis atsparumas padidėja iki 55 %) ir lūžio atsparumą. Gerai išsklaidytos 2D nanolempelės, tokios kaip šešiakampis borono nitridas, padeda geriau išsklaidyti šilumą, nekeičiant kietinimo kinetikos, todėl epoksidiniai kompozitai gali būti naudojami pramonės šilumos kritiškose aplikacijose.

Epoksidinių kompozitų kietinimo procesai ir ilgalaikė naudojimo savybės

Kaip kietinimo temperatūra ir laikas veikia epoksidinių kompozitų mechanines savybes

Temperatūra ir laikas, praeinantys džiovinimo metu, daugeliu atvejų daro įtaką epoksidinių kompozitų stiprumui. Oro erdvės kokybės medžiagos reikalauja labai konkrečios džiovinimo temperatūros – apie 150–180 laipsnių Celsijaus – kelias valandas, kad būtų pasiekiamas nuostabus tempties stipris nuo 320 iki 400 MPa. Tyrimai parodė, kad tinkamai, o ne tiesiog esant kambario temperatūroje, džiovinami epoksidai tampa apie 22 procentus stipresni lankstumo moduliu. Tai atsitinka todėl, kad tinkamai džiovinant visiškai susijungia polimerinių grandinių ryšiai. Kai kurios gamintojų įmonės, siekiančios greitesnių gamybos procesų, sukūrė specialius kietiklius, leidžiančius džiovinti esant 120 laipsnių Celsijaus temperatūrai vos per sekundes. Šie greito džiovinimo metodai sumažina papildomus apdorojimo etapus ir beveik nekenkia stiprumui – paprastai išlaikoma apie 95 procentų stiprumo, kuris būtų pasiekiamas naudojant tradicinius, lėtesnius metodus.

Papildomo džiovinimo poveikis matmenų stabilumui ir šilumos atsispirtimui

Kai medžiagos yra apdorojamos po kietinimo esant temperatūrai nuo maždaug 80 iki 100 laipsnių Celsijaus maždaug du iki keturias valandas, jose lieka maždaug 40 procentų mažiau likutinio įtempimo. Dėl to jos tampa kur kas labiau dimensiškai stabilios, o tai yra labai svarbu gaminant detales, skirtas medicinos įrenginiams, kur tikslumas yra itin svarbus. Taip pat gerėja ir jų gebėjimas atlaikyti karštį. Prieš apdorojimą po kietinimo šios medžiagos gali išlaikyti temperatūrą iki 120 laipsnių Celsijaus, tačiau po apdorojimo jos išlieka nepažeistos net esant temperatūrai iki 180 laipsnių Celsijaus. Tai yra gana reikšminga kompozitinių medžiagų atžvilgiu, naudojamų automobilių ir sunkvežimių variklių aplinkoje, kur temperatūra būna aukšta. Tyrimai rodo, kad epoksidinės matricos, apdorotos šiuo būdu, išlaiko maždaug 85 procentus jų pradinės stiklo perėjimo temperatūros (Tg) net po 1 000 šiluminių ciklų. Palyginti su medžiagomis, kurios yra kietinamos tik vienu etapu, skirtumas yra apie 30 procentinių punktų naudai apdorotoms medžiagoms.

Ilgamečio senėjimo elgsena ir aplinkos darinėjimas epoksidinių medžiagų pagrindu

Kai bandoma drėgnoje aplinkoje maždaug dešimt metų, epoksidiniai kompozitai išlaiko daugiau nei 90 procentų jų pradinių savybių, jei jie turi UV atsparius priedų. Tačiau istorija kitokia yra įprastiems dervoms be šių specialių ingredientų. Jos praranda kur kas daugiau – tarp penkiolikos ir dvidešimt procentų jėgos vos per penkerius metus, nes drėgmė jas ardo ir mikroįtrūkiai pradeda plisti per medžiagą. Tačiau pastaruoju metu situacija gerėja. Naujesnės formulės, pagamintos iš ne toksiškų augalinės kilmės epoksidų, iš tikrųjų atlaiko geriau nei tradicinės alyvos pagrindu pagamintos epoksidės. Praleidus aštuonis tūkstančius valandų veikiant druskos purškimui, šios pažengusios medžiagos rodo tik aštuonių procentų standumo sumažėjimą, o tai yra tikrai įspūdinga, atsižvelgiant į tai, ką jos patiria.

Epoksidinių lengvųjų konstrukcijų taikymas ir būsimi trendai

Epoksidų dervų naudojimas kompozitiniuose medžiagose aviacijos ir automobilių sektoriuose

Epoksidų derva svarbi tiek aviacijos, tiek automobilių inžinerijoje, nes ji siūlo puikų stiprumą lyginant su jos svoriu, taip pat gerą apsaugą nuo korozijos. Lėktuvams tokie epoksidų dervomis armuoti anglies pluošto kompozitai sudaro daugiau nei pusę konstrukcijos, laikančios lėktuvą. Tai padeda sumažinti kuro suvartojimą apie 15–20 procentų. Automobilių gamintojai į EV baterijų korpusus pradeda naudoti epoksidines medžiagas, taip pat gaminant lengvesnes kėbulo dalis. Toks sprendimas sumažina viso automobilio svorį apie 10–12 procentų, nesumažinant saugumo susidūrimo metu. Pagal 2024 metų pramonės ataskaitas, epoksidų klijai ir apsauginiai sluoksniai jau sudaro 33 procentus lengvųjų medžiagų automobilių rinkoje. Šis augimas vyksta tuo metu, kai įmonės susiduria su vis didėjančiu reikalavimu būti ekologiškesnėms ir reikia medžiagų, kurios išlaiko temperatūrą virš 180 laipsnių Celsijaus be jokio suirimo.

Pažengę epoksidinių kompozitų naudojimas atnaujinamųjų energijos sistemų srityje

Vėjo turbinų mentės, sustiprintos epoksidiniais dervomis, parodė 30 % didesnį atsparumą nuovargiui lyginant su poliesterinėmis sistemomis, tai ypač svarbu jūros platformoms, kurios patiria ciklinius krūvius. Epoxy stiklo hibridus naudojami saulės elektrinės tvirtinimo konstrukcijoms leidžia pasiekti 40 metų eksploatacijos laiką pakrantės zonose, nes jų drėgmės atsparumas sumažina atsisklaidymo riziką.

Perspektyvos: protingieji epoksidiniai kompozitai su savaiminio taisymosi ir jutimo savybėmis

Mokslininkai tiria epoksidinius dervas, įterptas su mikroskopinėmis kapsulėmis, kurios gali pašalinti įtrūkimus savaime, kai atsiranda mechaninė įtampa. Ankstyvieji tyrimai rodo, kad šie savęs taisantys medžiagos gali pailginti kompozitinių konstrukcijų tarnavimo laiką apie du kartus lyginant su dabartine situacija. Tuo tarpu į orlaivių pramonės anglies pluošto armuotus polimerinius komponentus pridedant grafinio nanoplokštelių, inžinieriams pavyksta stebėti įtampą realiu laiku. Tai leido sumažinti inspekcijos kaštus avialinijoms, kurios savo flotui taiko priežiūros programas, nors faktinės taupymo sumos skiriasi priklausomai nuo floto dydžio ir naudojimo būdo. Kol visame pasaulyje pradedamos įgyvendinti pramonės 4.0 koncepcijos, šie epoksidinių kompozitų pasiekimai ateinančiais dešimtmečiais gali tapti protingesnių infrastruktūros sistemų pagrindu, nepaisant dabartinio masinės gamybos technologijų trūkumų.

D.U.K. apie epoksidinius kompozitus

Kokiose srityse dažniausiai naudojami epoksidinių dervų kompozitai?

Epoksidinės dervos kompozitai dažnai naudojami aviacijos ir automobilių sektoriuose konstrukciniams komponentams dėl jų aukšto stiprumo ir mažo svorio santykio bei atsparumo korozijai. Jie taip pat naudojami atsinaujinančios energijos srityse, tokiose kaip vėjo turbinų mentės ir saulės baterijų rėmai.

Kaip kietinimo temperatūra veikia epoksidinės dervos kompozitus?

Kietinimo temperatūra reikšmingai veikia epoksidinių kompozitų mechanines savybes. Tinkama kietinimo temperatūra apie 150–180 laipsnių Celsijaus kelias valandas padidina atsparumą tempimui ir lenkimo modulį, skatinant visišką polimerinių grandinių susiejimą.

Ar epoksidinės dervos kompozitus galima naudoti drėgnose aplinkose?

Taip, epoksidinės dervos kompozitai yra pageidautini drėgnose aplinkose dėl 40 % mažesnio drėgmės sugėrimo lyginant su fenolinių variantų. Jų puikus atsparumas cheminėms medžiagoms taip pat neleidžia degraduoti tokiomis sąlygomis.

Ar epoksidės medžiagos yra ekologiškai draugiškos?

Epoksidinės medžiagos gali būti padarytos ekologiškesnės įtraukiant augalinės kilmės epoksidus ar kitus atsinaujinančius stiprinimo elementus. Šios naujesnės formulės rodo geresnį atsparumą aplinkai nei tradicinės aliejinės medžiagos.

Kokie ateityje tikimasi pasiekti epoksidinių dervų kompozitų srityje?

Ateityje epoksidinių dervų kompozituose tikimasi pasiekti pačių taisančių savybių ir realaus laiko apkrovos stebėjimo galimybių. Mokslininkai tyrinėja mikrokapsulių technologiją ir grafeno nanoplokšteles siekdami padidinti medžiagos ilgaamžiškumą ir našumo stebėseną.