Контроль параметров термореактивных связующих непосредственно в процессе формования изделий из полимерных композитных материалов

Применительно к авиационным связующим в настоящий момент отсутствует необходимая методическая база, на основании которой можно проводить контроль условий их отверждения по параметрам вязкости, скорости реакции и температуре стеклования в режиме реального времени. В работе представлена методика контроля параметров термореактивного связующего непосредственно во время технологического процесса формования. Исследовали эпоксидное связующее ВСЭ-59. Приведена математическая модель взаимосвязи параметра частотного максимума мнимой компоненты электрического импеданса со степенью отверждения, проведено сравнение результатов диэлектрического анализа с лабораторными методами (дифференциальной сканирующей калориметрией и реометрией). Показано, что сходимость значений степени конверсии высокая. Реологическим и диэлектрическим анализами выявлена прямая корреляционная зависимость между электрическими и реологическими свойствами в диапазоне инжекционных температур. Определены уравнения и экспериментально подобраны коэффициенты для описания корреляционной связи вязкости и температуры стеклования с диэлектрическими параметрами, что обеспечивает возможность их контроля в режиме реального времени. Полученные результаты могут быть использованы для создания аппаратно-программной базы, дающей возможность контролировать состояние связующего в каждый момент процесса формования изделий из полимерных композитных материалов, а также осуществлять оптимизацию для исключения возникновения условий неравномерной полимеризации. Реализация детального контроля состояния связующего в различных частях изделия позволит проводить верификацию расчетов, предсказывать и избегать возникновения короблений и, соответственно, повысить качество композитных изделий.

1. Solovyov R. I., Safin A. R., Balkaev D. A., et al. Determination of the shaping behavior of thermoplastic composite materials for modeling thermoforming / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. N 7. P. 61 – 70 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-7-61-70

2. Moretti L., Castanié B., Bernhart G., et al. Characterization and modelling of cure-dependent properties and strains during composites manufacturing / Journal of composite materials. 2020. Vol. 54. N 22. P. 3109 – 3124. DOI: 10.1177/0021998320912470

3. Minakuchi S., Takeda N., Takeda S., et al. Life cycle monitoring of large-scale CFRP VARTM structure by fiber-optic-based distributed sensing / Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2011. Vol. 42. N 6. P. 669 – 676. DOI: 10.1016/j.compositesa.2011.02.006

4. Maistros G., Pantelelis N., Kanarachos A. Dielectric cure monitoring and optimization in RTM / New Development of International Composite Materials Technology. — Beijing: Applied Science Publishers, 2001. P. 1618 – 1678.

5. Rodin D. L., Solopchenko A. V., Kepman A. V., et al. Dielectric spectroscopy as a method for studying curing processes of polymer composites based on epoxy oligomers / Butlerov Communications. 2013. Vol. 35. N 8. P. 31 – 41 [in Russian].

6. Chaloupka A., Pflock T., Horny R., et al. Dielectric and rheological study of the molecular dynamics during the cure of an epoxy resin / Journal of Polymer Science. Part B: Polymer Physics. 2018. Vol. 56. N 12. P. 907 – 913.

7. Chaloupka A., Bezerra R., Madaksira V., et al. Detection and modelling of thermal and rheological transitions of a 2-step-curing thermoset using dielectric and standard measuring techniques / Proceedings of the ICCM20. — Copenhagen, Denmark, 2015. P. 19 – 24.

8. Yang Y., Plovie B., Chiesura G., et al. Fully integrated flexible dielectric monitoring sensor system for real-time in situ prediction of the degree of cure and glass transition temperature of an epoxy resin / IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2021. Vol. 70. P. 1 – 9. DOI: 10.1109/tim.2021.3057291

9. Martin Z., López D., Navarrete L. Active curing monitoring by means of DEA / Proceedings of the ECCM18. — Athens, Greece, 2018. P. 1 – 7.

10. Brauner C., Soprano P., Herrmann A., et al. Cure-dependent thermo-chemical modelling and analysis of the manufacturing process of an aircraft composite frame / Journal of Composite Materials. 2015. Vol. 49. N 8. P. 921 – 938. DOI: 10.1177/0021998314527777

11. Wu Z., Chen Q., Liu D., et al. In situ monitoring of epoxy resin curing process: using glass transition as a bridge / Polymer Testing. 2023. Vol. 117. P. 107871. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2022.107871

12. Bao H., Marguerès P., Olivier P. An innovative and low-cost system for in situ and real-time cure monitoring using electrical impedancemetry for thermoset and CFRP laminate / Measurement Science and Technology. 2023. Vol. 35. N 3. P. 035603. DOI: 10.1088/1361-6501/ad14df

13. Demleitner M., Sanchez-Vazquez S., Raps D., et al. Dielectric analysis monitoring of thermoset curing with ionic liquids: From modeling to the prediction in the resin transfer molding process / Polymer Composites. 2019. Vol. 40. N 12. P. 4500 – 4509. DOI: 10.1002/pc.25306

14. Peng W., Zhou W., Li T., et al. Towards inhibiting conductivity of Mo/PVDF composites through building MoO3 shell as an interlayer for enhanced dielectric properties / Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2022. Vol. 33. N 18. P. 14735 – 14753. DOI: 10.1007/s10854-022-08393-5

15. Hardis R., Jessop J., Peters F., et al. Cure kinetics characterization and monitoring of an epoxy resin using DSC, Raman spectroscopy and DEA / Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2013. Vol. 49. P. 100 – 108. DOI: 10.1016/j.compositesa.2013.01.021

16. Dümichen E., Javdanitehran M., Erdmann M., et al. Analyzing the network formation and curing kinetics of epoxy resins by in situ near-infrared measurements with variable heating rates / Thermochimica Acta. 2015. Vol. 616. P. 49 – 60. DOI: 10.1016/j.tca.2015.08.008

17. Trejo-Machin A., Cosas Fernandes J., Puchot L., et al. Synthesis of novel benzoxazines containing sulfur and their application in rubber compounds / Polymers. 2021. Vol 13. N 8. P. 1262. DOI: 10.3390/polym13081262

18. Melnikov M. M., Prykina Yu. V., Vagapova Yu. Zh. Assessing the repeatability and reproducibility of test results to determine the degree of curing of protective paint coatings using differential scanning calorimetry / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2024. Vol. 90. N 3. P. 39 – 44 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-3-39-44

19. DiBenedetto A. T. Prediction of the glass transition temperature of polymers: a model based on the principle of corresponding states / Journal of Polymer Science. Part B: Polymer Physics. 1987. Vol. 25. N 9. P. 1949 – 1969. DOI: 10.1002/polb.1987.090250914

20. Saito R., Yamaguchi Y., Matsubara S., et al. Decoupled two-scale viscoelastic analysis of FRP in consideration of dependence of resin properties on degree of cure / International Journal of Solids and Structures. 2020. Vol. 190. P. 199 – 215. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2019.11.010

21. Sasabe H., Saito S. Relationship between Ionic Mobility and Segmental Mobility in Polymers in the liquid state / Polymer Journal. 1972. Vol. 3. N 5. P. 624 – 630.