Технология изготовления деталей из полимерных композиционных материалов и методы определения их свойств

Технология изготовления деталей 
из полимерных композиционных 

материалов и методы определения их свойств 

Методические указания к выполнению  

лабораторных работ

Ю.А. Курганова, Г.В. Малышева, В.А. Нелюб

Федеральное государственное бюджетное 
 

образовательное учреждение высшего образования 
 

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана 
 

(национальный исследовательский университет)»

УДК 678.643
ББК 38.3
 
К93

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru
по адресу: http://ebooks.bmstu.press/catalog/46/book1844.html

Факультет «Машиностроительные технологии»
Кафедра «Материаловедение»
Межотраслевой инжиниринговый центр 
«Новые материалы, композиты и нанотехнологии»

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия 

Курганова, Ю. А.
К93 
 
Технология изготовления деталей из полимерных композиционных 
материалов и методы определения их свойств. 
Методические указания к выполнению лабораторных работ / 
Ю. А. Курганова, Г. В. Малышева, В. А. Нелюб. — Москва : 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. — 56, [4] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-4910-1 
Рассмотрен комплекс вопросов, связанных с технологией получения 
композиционных материалов на основе связующих из эпоксидных 
олигомеров, с освоением методов определения и управления 
уровнем вязкости матричного материала. Продемонстрирована технология 
получения полимерных композиционных материалов методом 
вакуумной инфузии. Представлена к освоению методология исследований 
структуры и свойств полимерных композиционных материалов. 
Для студентов МГТУ им. Н. Э. Баумана, обучающихся по направлениям 
подготовки 22.03.01 и 22.04.01 «Материаловедение и технологии 
материалов». 

УДК 678.643
ББК 38.3

ISBN 978-5-7038-4910-1 

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018
© Оформление. Издательство  
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018

Предисловие

В издании рассмотрен комплекс вопросов, связанных с изучением 
свойств деталей из полимерных композиционных материалов (
ПКМ), с технологией их изготовления методом вакуумной 
инфузии и с наиболее распространенными методами оценки качества 
изготовленных деталей.
Методические указания предназначены для самостоятельной 
подготовки к трем лабораторным работам — «Изучение реологических 
свойств связующих композиционных материалов», «Изучение 
технологии формования изделий из полимерных композиционных 
материалов» и «Особенности исследования структуры 
и свойств полимерных композиционных материалов» по дисциплинам «
Физикохимия и технология композиционных материалов» 
и «Основы научных исследований» — студентов, обучающихся 
по направлениям подготовки 22.03.01 и 22.04.01 
«Материаловедение и технологии материалов».
В ходе лабораторных работ студенты ознакомятся с технологическими 
способами обеспечения качества изделий из ПКМ, 
с оборудованием и оснасткой для изготовления композитов.
После выполнения лабораторных работ студенты смогут проводить 
стандартные и сертификационные испытания технических 
процессов и изделий с использованием современных аналитических 
средств измерений, овладеют методами исследования, 
проектирования и проведения экспериментальных работ, навыками 
оценки свойств различных композиционных материалов, 
работы с оборудованием и приборами для определения структуры 
и свойств промышленных материалов.
Выполнение лабораторных работ позволит студентам приобрести 
профессиональные компетенции в научно-исследовательской, 
производственной и проектно-технологической деятельности.

Введение

Полимерные композиционные материалы нашли широкое 
применение в различных областях промышленности, в том числе 
в авиа-, автомобиле-, судостроении, ракетно-космическом производстве 
и др. 
В качестве связующего в ПКМ используют эпоксидные, фенолоформальдегидные, 
полиэфирные связующие и др. Наиболее 
распространенным видом связующих в авиационной промышленности 
и ракетно-космическом производстве являются эпоксидные 
олигомеры. Это связано с комплексом их термомеханических 
и технологических свойств.
Эпоксидное связующее представляет собой многокомпонентную 
смесь, состоящую из эпоксидной смолы и отверждающего 
агента (отвердителя), а также многочисленных модифицирующих 
добавок, позволяющих управлять как технологическими свойствами 
связующего, так и эксплуатационными свойствами изделия. 
Такими добавками могут быть активные растворители (или 
смесь растворителей), пластификаторы, катализаторы и т. д. Например, 
путем введения разнообразных модификаторов удается 
существенно снизить вязкость связующего, что является необходимым 
технологическим условием многих процессов формования.

Отверждение связующего — это процесс химического взаимодействия 
между отдельными компонентами, протекающий 
при определенных условиях (температуре и давлении). В результате 
реакции отверждения между эпоксидной смолой (эпоксидными 
группами) и отвердителем образуются многочисленные 
новые связи, что в конечном итоге приводит к формированию 
огромной макромолекулы. Высокая реакционная способность 
эпоксидных групп, а также наличие в эпоксидных олигомерах 
гидроксильных групп позволяет использовать при их отверждении 
различные классы отвердителей. От химической природы 
отвердителя зависят такие важнейшие свойства связующего, как 
жизнеспособность (время пригодности к использованию), ре-

жимы отверждения (температура, время, давление), а также весь 
комплекс эксплуатационных свойств (физико-механические, диэлектрические, 
тепловые и др.). 
Химическая структура полимеров, т. е. его химический состав 
и способ соединения атомов в макромолекуле, не определяет 
однозначно поведение полимерного материала. Свойства полимеров 
зависят не только от химической, но и от их физической 
структуры. Поэтому в последнее время внимание исследователей 
направлено на изучение структуры ПКМ на макро- и микро- 
уровнях.
Структурные процессы изучают с помощью методов, которые 
основаны на измерении зависимостей какого-либо свойства материала 
от его структуры. 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Изучение реологических свойств  
связующих композиционных материалов

Цель работы: освоение методов приготовления связующего, 
получение навыков практической работы на технологическом 
оборудовании.
После выполнения лабораторной работы студенты смогут:
•• определять количество отвердителя;
•• изготавливать составы эпоксидных связующих;
•• проводить измерение вязкости связующих при комнатной 
и повышенной температурах;
•• изготавливать образцы для последующих испытаний, осуществляя 
операции вакуумирования и отверждения.

1.1. Характеристика объекта исследования

Эпоксидные смолы 
Подавляющее большинство олигомеров, используемых при 
производстве стекло-, угле- и органопластиков, относятся к классу 
термореактивных материалов, которые отверждаются в процессе 
протекания химической реакции между олигомером и отвердителем. 

При производстве ПКМ используют различные классы связующих (
эпоксидные, полиэфирные и др.), в зависимости от 
требований, предъявляемых к конечному изделию и технологии 
производства. 
Связующие на основе эпоксидных смол обладают рядом преимуществ:
•• 
могут продолжительное время находиться в неотвержден-
ном состоянии;
•• могут отверждаться в широком интервале температур, имеют 
относительно невысокие (по сравнению с фенолоформальдегидными 
смолами) значения объемной усадки, которые составляют 
1…5 %.

Недостатками эпоксидных смол являются сравнительно высокая 
стоимость, высокая вязкость и продолжительное время 
отверждения.
Среди модифицированных смол наиболее широкое применение 
нашли:
•• эпоксидно-полиэфирные (винилэфирные) — недорогие, 
удобны в работе;
•• эпоксидно-фенолоформальдегидные — имеют высокую теплостойкость;
•• 
эпоксидно-кремнийорганические — обладают повышенной 
тепло- и термостойкостью, а также стойкостью к радиационному 
облучению.
Большую часть эпоксидных смол получают путем взаимодействия 
эпихлоргидрина с дифенолпропаном, или бисфенолом А 
(ДИАН), в присутствии щелочи. В результате реакции образуется 
диглицидиловый эфир бисфенола А (ДГЭБА), который в зависимости 
от условий проведения реакции (время, температура) может 
далее реагировать с дифенолпропаном, образуя олигомерные 
продукты. Полученные в результате такого взаимодействия смолы 
имеют маркировку ЭД. Если остановить реакцию на ранних стадиях, 
образуются вязкие жидкости с высоким эпоксидным числом 
(ЭД-22, ЭД-20 и их аналоги LE828, DER331). Номер, указанный 
в марке смолы, отражает количество эпоксидных групп, которые 
определяют функциональную способность данной смолы по отношению 
к отвердителю, структуру отвержденной матрицы и целый 
ряд ее свойств. Например, если количество функциональных 
групп мало, как в смоле марки ЭД-8, то при отверждении образуется 
редкосшитый полимер. Эпоксидные смолы марок ЭД-8 — 
это твердая смола, ЭД-20 и ЭД-16 — вязкая жидкость. 
Наиболее широко используемая в России эпоксидная смола 
имеет марку ЭД-20. Она на 90 % состоит из мономерного ди-
глицидилового эфира бисфенола А (ДГЭБА), формула которого 
представлена на рис. 1.1, и на 10 % из олигомеров общей формулы. 


Рис. 1.1. Формула мономерного диглицидилового эфира бисфенола А 
(ДГЭБА)

Эпоксидная смола ЭД-20 (ГОСТ 10587-84) имеет следующие 
характеристики:

Относительная молекулярная масса  ...................... ≤ 390
Содержание эпоксидных групп, %  ........................ 21,0
Содержание гидроксильных групп, %  ................... 1,7
Динамическая вязкость при 25 °С, Па ⋅ с  .............. 18,4
Плотность, кг/м3  ..................................................... 1,13
Содержание летучих компонентов, %  ................... ≤ 1

Эпоксидный олигомер ЭД-20 (и его аналоги LE828, DER331) 
представляет собой вязкую прозрачную жидкость, хорошо растворимую 
в кетонах, толуоле, хлорированных углеводородах и других 
органических растворителях, но нерастворимую в воде, бензине 
и ограниченно растворимую в спиртах.
Важнейшими характеристиками эпоксидных смол являются:
•• массовое содержание эпоксидных групп (может варьироваться 
в широких пределах — 1…35 %); 
•• массовое содержание гидроксильных групп (0,2…10 %).
Эти параметры позволяют рассчитать необходимое количество 
отвердителя по отношению к смоле.
Эпоксидные смолы подразделяют следующим образом:
•• твердые (высокоплавкие) ЭД-8, Э-33, Э-49 и др.;
•• высоковязкие (низкоплавкие) ЭД-14, ЭД-16, Э-40 и др.;
•• жидкие ЭД-20, ЭД-22, ЭД-24.
Наряду с эпоксидными смолами марки ЭД в России используют 
эпоксидные смолы марок ЭХД, ЭТФ, ЭА, ЭЦ, УП-610, 
УП-637. 

Отвердители 
Отвердители, как и олигомеры, являются основными компонентами 
связующего и обеспечивают его переход из жидкого 
состояния в твердое в результате необратимых химических взаимодействий. 
Правильный выбор отвердителя не менее важен, чем 
выбор смолы. К отвердителям предъявляют следующие требования: 
•• 
обеспечение необходимых эксплуатационных свойств изделия;
•• 
способность технологично (быстро и без дополнительного 
нагревания) совмещаться с олигомером;
•• способность отверждать олигомер при заданных условиях 
(температура, время, давление);

•• соответствие условиям безопасности, в частности минимальная 
летучесть.
Благодаря уникальным свойствам эпоксидных олигомеров 
для их отверждения могут быть использованы химические соединения 
различных классов: алифатические полиамины, ароматические 
амины, ангидриды и др. 
В зависимости от температуры отверждения все отвердители 
подразделяют на два класса: холодного (при комнатной температуре) 
и горячего (при повышенных температурах) отверждения. 
Из большой группы алифатических полиаминных отвердителей 
холодного отверждения в данной работе будут использованы 
алифатические амины, которые являются наиболее дешевыми 
и активными отвердителями: диэтилентриамин (ДЭТА), триэти-
лентетрамин (ТЭТА), гексаметилендиамин (ГМДА), полиэтилен-
полиамин (ПЭПА), и модифицированные алифатические амины 
АФ2 (продукт взаимодействия фенола, формальдегида с этилен-
диамином) и УП-0633М (моноцианэтилированный ДЭТА (циан-
этилированный амин), а также отвердители горячего отверждения 
из класса ангидридов.
Эти отвердители относятся к классу материалов холодного 
отверждения, т. е. позволяют проводить процесс отверждения при 
комнатной температуре (20…25 °С) и являются самыми дешевыми 
среди отвердителей для эпоксидных связующих.
Все алифатические полиамины представляют собой прозрачные 
или (и) желтоватые жидкости с резким запахом аммиака. Жизнеспособность 
связующих на основе алифатических аминов может 
изменяться от десятков минут до нескольких часов. Время полного 
отверждения составляет 24 часа при температуре 22…25 °С.

ВНИМАНИЕ! Все алифатические полиамины являются опасными 
веществами, способными вызывать сильные аллергические 
реакции при попадании на кожу. Следует тщательно соблюдать 
правила безопасности при работе с алифатическими полиами-
нами!
ВНИМАНИЕ! Связующие холодного отверждения, смешанные 
в большом количестве, способны к самовозгоранию. Не следует 
изготавливать единовременно более 200 г связующего! 

Отверждение связующего на основе эпоксидной смолы и по-
лиаминного отвердителя происходит в результате взаимодействия 
аминогрупп отвердителя с эпоксидными группами смолы с раскрытием 
цикла. Реакция протекает без выделения воды и других 

летучих компонентов, в результате образуется сетчатый полимер 
(одна первичная аминогруппа реагирует с двумя эпоксидными).
Для проведения отверждения (т. е. полной сшивки эпоксидной 
смолы) теоретическое соотношение количества функциональных 
групп в отвердителях и эпоксидных групп должно быть 1:1. Это 
соотношение называют стехиометрическим коэффициентом k, 
значения которого рассчитывают по формуле 

k
М
N М
=
⋅
⋅
Э
отв

эп
,

где Э — содержание эпоксидных групп в смоле, % (мас.), его 
находят из справочной литературы, паспорта смолы, выданного 
производителем, или определяют самостоятельно путем химического 
анализа; Мотв — относительная молекулярная масса отвердителя, 
ее рассчитывают по структурной формуле или находят 
в паспорте; N — число функциональных групп в молекуле отвердителя, 
эквивалентных эпоксидной группе; Мэп — относительная 
молекулярная масса эпоксидной группы.
Как правило, значение стехиометрического коэффициента 
указано в паспортных данных на отвердитель, поэтому требуемое 
количество отвердителя О (для отверждения 100 массовых частей 
эпоксидной смолы) определяется согласно зависимости

O
Э
=
⋅ k. 

Значения стехиометрических коэффициентов и другие характеристики 
отвердителей на основе алифатических аминов приведены 
в табл. 1.1. 

Таблица 1.1

Основные характеристики отвердителей на основе алифатических аминов

Марка
Химическая
формула

Молекулярная 

масса

Вязкость
при  
20 °С, 
мПа⋅с

Стехио- 
метрический 

коэффициент 
k

ДЭТА (диэтилен-
триамин)
Н2N–(CH2)2–
NH–(CH2)2–
NH2

103,1
7,7
0,48