В предыдущей статье мы разобрали, способна ли биобазированная полиэфирная смола в принципе обеспечить характеристики конструкционного стеклопластика (см. «Биобазированная полиэфирная смола: можно ли получить конструкционный материал»). Ответ по данным исследования Hofmann — да.
Следующий вопрос закономерен: насколько эти характеристики отличаются от стеклопластика на традиционной смоле, и обязательно ли биобазированный материал будет уступать по прочности?
Две системы в одном исследовании
В работе Hofmann были изготовлены и испытаны в одинаковых условиях два состава GFRP: на традиционной (нефтехимической) полиэфирной смоле и на биобазированной полиэфирной смоле.
Это позволяет провести прямое сопоставление — обе системы получены и испытаны в рамках одного исследования, по одной методике.
Сравнение механических характеристик
| Показатель | Традиционная смола | Биобазированная смола |
|---|---|---|
| Прочность при растяжении | ≈538 МПа | ≈538 МПа |
| Прочность при сжатии | ≈210 МПа | ≈210 МПа |
| Прочность при сдвиге | ≈52 МПа | ≈52 МПа |
Значения относятся к испытанным композитам (армирование + смола), а не к смолам в чистом виде. Обе системы использовали одинаковое армирование в рамках данного исследования, поэтому наблюдаемая близость показателей связана в первую очередь со свойствами матрицы, но не сводится исключительно к ним.
В условиях данного исследования механические характеристики биобазированного GFRP оказались близки к традиционному аналогу, а по части показателей — не уступали ему.
Важно: эти 538 / 210 / 52 МПа — характеристики композита в целом, а не вклад одной только смолы. Прочность стеклопластика определяется совместной работой армирования и матрицы, и приписывать данные показатели «свойствам смолы» напрямую некорректно.
Сравнение температуры стеклования
Температура стеклования по данным DMA (Hofmann, 2022) для двух исследованных систем GFRP.
Сравнивать корректно только одинаковые критерии: onset с onset (71 ↔ 64 °C), пик tan δ с пиком tan δ (94 ↔ 87 °C). Сравнение onset одной системы с tan δ другой (например, 64 ↔ 94) некорректно и не отражает реальной разницы.
По обоим критериям температура стеклования биобазированной системы оказалась несколько ниже, чем у традиционной: разница составила порядка 7°C по onset и порядка 7°C по пику tan δ.
Что это означает
По механическим характеристикам при комнатной температуре биобазированная система в этом исследовании была практически сопоставима с традиционной.
По температуре стеклования — уступала на несколько градусов по обоим критериям измерения.
Это означает, что для изделий, эксплуатируемых при повышенных температурах, разница в Tg может иметь значение, а для изделий, работающих при умеренных температурах, отличие может быть не критично — но это нужно оценивать применительно к конкретному изделию, а не как общее правило.
Режим отверждения — тоже не универсален
Обе системы в исследовании отверждались по одному и тому же режиму: 24 часа при ≈20°C с постотверждением 4 часа при 100°C.
Этот режим относится к конкретным смолам, использованным в исследовании, и не может считаться универсальным для любой биобазированной или традиционной полиэфирной смолы на рынке.
Чего нельзя утверждать по этим данным
Нельзя сказать, что «биобазированные смолы в целом не уступают традиционным» — это данные одной конкретной пары смол в одном исследовании, а не обобщение для всего класса материалов.
Нельзя сказать, что «биобазированная смола прочнее» — по представленным показателям прочности значения практически совпадают, а по Tg биобазированная система уступала.
Нельзя приписывать показатели 538 / 210 / 52 МПа исключительно смоле — это характеристики композита в целом.
Нельзя переносить конкретный режим постотверждения (4 часа при 100°C) на любую другую биобазированную смолу без проверки у производителя.
Что это значит для производства
Если рассматривается замена традиционной смолы на биобазированную, из этого исследования следует практический ориентир: механические характеристики при комнатной температуре не обязательно ухудшатся, но температуру стеклования нужно проверять отдельно и сопоставлять с требованиями по рабочей температуре изделия. Подробнее о том, как правильно выбирать смолу с учётом Tg, — в статье «Выбор смолы для стеклопластика».
Также стоит учитывать роль смолы в прочности при сжатии — этот аспект подробно разобран в статье «Роль смолы в прочности при сжатии».
Главное
В исследовании Hofmann биобазированный GFRP по прочности на растяжение, сжатие и сдвиг был практически сопоставим с традиционным аналогом, а по температуре стеклования уступал на несколько градусов по обоим критериям измерения DMA (71→64°C по onset, 94→87°C по пику tan δ).
Биобазированная смола не обязательно даёт худший стеклопластик — но конкретное соотношение свойств нужно проверять для каждой пары смол отдельно, а не переносить выводы одного исследования на весь класс биобазированных материалов.
В статье используются данные диссертационного исследования M. Hofmann, сравнивающего механические и термомеханические характеристики GFRP на традиционной и биобазированной полиэфирной смоле. Схемы на странице — собственная визуализация Академии по данным работы.
- Mateus de Assunção Hofmann. Sustainable bio-based resins and fibre-polymer composites for civil engineering structural applications. PhD Thesis, 2022.
Оценим применимость материала под вашу задачу
Если хотите системно разобраться в химии смол, включая биобазированные системы, — этому посвящён отдельный курс Академии. Если нужно оценить конкретный материал под конкретное изделие прямо сейчас — это можно сделать на консультации с Леонидом.