Анализ свойств полимерных композитов с различными типами наполнителей

Приведены процессы структурообразования композиционных строительных материалов (КСМ) на полимерных связующих. Показано, что одним из наиболее значимых компонентов КСМ являются наполнители, которые позволяют улучшить их структурных и эксплуатационных характеристики. Работа посвящена анализу результатов экспериментального исследования свойств эпоксидных композитов с наполнителями, обладающими различными прочностными и упругопластическими свойствами. Исследования выполнены в три этапа: на первом этапе проведена оценка влияния природы наполнителя на процессы отверждения КСМ; на втором – установлено влияние вида наполнителя и его количественного содержания на прочность композитов; на третьем – проведена оптимизация составов с применением наполнителей с различными показателями зернового состава и упругопластических свойств. В качестве наполнителей на первом и втором этапах исследований рассматривались порошки стекла, доломита, термолита, диатомита, а на третьем – порошки стекла, керамики и мела. Исследования на третьем этапе проводились с использованием математических методов планирования эксперимента с построением матрицы планирования для полного факторного эксперимента и определением значений функций отклика относительно кодированных факторов. Установлены степень отверждения, физико-механические свойства; химическая стойкость наполненных эпоксидных КСМ. На основе искусственных нейронных сетей были определены максимальные свойства исследуемых композитов с наполнителями. Предложена также оценка структурных свойств на основе ранговой корреляции. Результаты исследований могут быть использованы для прогнозирования свойств КСМ, а также для уточнения экстремальных показателей свойств. Установлены зависимости изменения свойств полимерных композитов от характеристик поверхности, дисперсности наполнителей и степени наполнения; определены предпочтительные наполнители для эпоксидных композитов; для оценки влияния упругих поверхностных свойств композитов определены наполнители, позволяющие улучшить показатели прочности и деформируемости полимерных композитов; получены регрессионные модели на основе полного факторного эксперимента; сделана оценка «структурной устойчивости» исследованных композитов с помощью ранговой корреляции Пирсона, Кендалла, Спирмена; на основе искусственных нейронных сетей определены экстремальные показатели свойств исследуемых композитов с наполнителями. Результаты исследований могут быть использованы для уточнения экстремальных показателей и прогнозирования свойств КСМ.

В.Т. ЕРОФЕЕВ^1,3, д-р техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.);
В.В. АФОНИН², канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
М.М. ЗОТКИНА², канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.);
К.С. СТЕНЕЧКИНА¹, канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. );
Т.П. ТЮРЯХИНА³, инженер (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
А.В. ЛАЗАРЕВ³, канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)

¹ Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
² Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва (430000, г. Саранск, ул. Большевистская, 68/1)
³ Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, г. Москва, Локомотивный пр., 21)

1. Карпенко Н.И., Карпенко С.Н., Ярмаковский В.Н., Ерофеев В.Т. О современных методах обеспечения долговечности железобетонных конструкций. ACADEMIA. Архитектура и строительство. 2015. № 1. С. 93–102.
1. Karpenko N.I., Karpenko S.N., Yarmakovsky V.N., Erofeev V.T. On modern methods of ensuring the durability of reinforced concrete structures. ACADEMIA. Arhitektura i stroitel’stvo. 2015. No. 1, pp. 93–102. (In Russian).
2. Бобрышев А.Н., Ерофеев В.Т., Козомазов В.Н. Полимерные композиционные материалы: Учеб. пособие. М.: АСВ, 2013. 480 с.
2. Bobryshev A.N., Erofeev V.T., Kozomazov V.N. Polimernye kompozicionnye materialy [Polymer composite materials: textbook]. Moscow: ASV, 2013. 480 p.
3. Соколова Ю.А. Эпоксидные полимербетоны, модифицированные нефтяными битумами, каменноугольной и карбамидной смолами и аминопроизводными соединениями / Под ред. Ю.А. Соколовой, В.Т. Ерофеева. М.: Палеотип, 2008. 244 с.
3. Sokolova Yu.A. Epoksidnyye polimerbetony, modifitsirovannyye neftyanymi bitumami, kamennougol’noy i karbamidnoy smolami i aminoproizvodnymi soyedineniyami / pod. red. Yu.A. Sokolovoi, V.T. Yerofeyeva [Epoxy polymer concretes modified with petroleum bitumen, coal and urea resins and amino derivatives / under. ed. by V.T. Erofeev]. Moscow: Paleotype, 2008. 244 p.
4. Erofeev V., Tyuryakhin A., Tyuryakhina T. Flat space of values of volume module of grain composite with spherical fill-lem. International Journal of Civial Engineering and Technology (IJCIET). 2019. Vol. 10 (8), pp. 333–342.
5. Ma P.C., Mo S.Y., Tang B.Z., Kim J.K. Dispersion, interfacial interaction and re-agglomeration of functionalized carbon nanotubes in epoxy composites. 2010. Carbon. Vol. 48. Iss. 6, pp. 1824–1834. DOI: 10.1016/j.carbon.2010.01.028
6. Rahmat M., Hubert P. Carbon nanotube-polymer interactions in nanocomposites: A review. Composites Science and Technology. 2011. Vol. 72. Iss. 1,pp. 72–84. DOI: 10.1016/j.compscitech.2011.10.002
7. Kathi J., Rhee K.Y., Lee J.H. Effect of chemical functionalization of multi-walled carbon nanotubes with 3-aminopropyltriethoxysilane on mechanical and morphological properties of epoxy nanocomposites. Composites. Part A. Applied Science and Manufacturing. 2009. Vol. 40. Iss. 6, pp. 800–809. DOI: 10.1016/j.compositesa.2009.04.001
8. Rafiee M., Rafiee J., Srivastava I. Fracture and fatigue in graphene nanocomposites. Nano. Micro. Small. 2010. Vol. 6. Iss. 2, pp. 179–183. https://doi.org/10.1002/smll.200901480
9. Sun L., Gibson R.F., Gordaninejad F., Suhr J. Energy absorption capability of nanocomposites: a review. Composites Science and Technology. 2009. Vol. 69. Iss. 14, pp. 2392–2409. DOI: 10.1016/j.compscitech.2009.06.020
10. Tang L.Ch., Zhang H., Han J. Fracture mechanisms of epoxy filled with ozone functionalized multi-wall carbon nanotubes. Composites Science and Technology. 2011. Vol. 72, pp. 7–13. DOI: 10.1016/j.compscitech.2011.07.016
11 Ni Y., Chen L., Teng K., Shi J. Superior mechanical properties of epoxy composites reinforced by 3D interconnected graphene skeleton. ACS Applied Materials & Interfaces. 2015. Vol. 7. Iss. 21,pp. 11583–11591. DOI: 10.1021/acsami.5b02552
12. Rahman R., Haque A. Molecular modeling of crosslinkedgraphene-epoxy nanocomposites for characterization of elastic constants and interfacial properties. Engineering. Composites Part B: Engineering. 2013. Vol. 54, pp. 353–364. DOI: 10.1016/J.COMPOSITESB.2013.05.034
13. Qiao R., Brinson L.C. Simulation of interphase percolation and gradients in polymer nanocomposites. Composites Science and Technology. Composites Science and Technology. 2009. Vol. 69. Iss. 3–4, pp. 491–499. DOI: 10.1016/j.compscitech. 2008.11.022
14. Ayatollahi M.R., Shadlou S., Shokrieh M., Chitsazzadeh M. Effect of multi-walled carbon nanotube aspect ratio on mechanical and electrical properties of epoxy-based nanocomposites. Polymer Testing. 2011. Vol. 30. Iss. 5, pp. 548–556. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2011.04.008
15. Hamming L., Qiao R., Messersmith P., Brinson L.C. Effects of dispersion and interfacial modification on the macroscale properties of TiO₂ polymer-matrix nanocomposites. Composites Science and Technology. 2009. Vol. 69, Iss. 11–12, pp. 1880–1886. DOI: 10.1016/j.compscitech.2009.04.005
16. Yang S., Yu S., Woomin K., Do-Suck H.,Maenghyo C. Multiscale modeling of size-dependent elastic properties of carbon nanotube/polymer nanocomposites with interfacial imperfections. Polymer. 2012. Vol. 53. Iss. 2, pp. 623–6332012. DOI: 10.1016/j.polymer.2011.11.052
17. Ерофеев В.Т., Афонин В.В., Ельчищева Т.Ф., Зоткина М.М., Ерофеева И.В. Использование отсканированных изображений для оценки солеобразования на поверхности цементных композитов. Вестник МГСУ. 2020. Вып. 15.№ 11. С. 1523–1533. DOI: 10.22227/1997-0935.2020.11.1523-1533
17. Erofeev V.T., Afonin V.V., El’chishheva T.F., Zotkina M.M., Erofeeva I.V. Using scanned images to assess salt formation on the surface of cementitious composites. Vestnik MSUCE. 2020. Vol. 15. No. 11, pp. 1523–1533. (In Russian). DOI: 10.22227/1997-0935.2020.11.1523-1533
18. Erofeev T., Likomaskina M., Afonin V., Likomaskin A., Tolmacheva V., Kotlyarskaya I. Microbiological resistance of sand-bitumen concrete. AlfaBuild. 2022. Vol. 25. Iss. 5. 2503. doi: 10.57728/ALF.25.3
19. Максимова И.Н., Ерофеева И.В., Афонин В.В., Емельянов Д.В. Оценка качества цементных композитов, подвергнутых воздействию температурно-агрессивной среды, с использованием интерполяции и корреляции // Вестник МГСУ. 2021. Вып. 16. № 11. С. 1473–1482. DOI: 10.22227/1997-0935.2021.11.1473-1482
19. Maksimova I.N., Erofeeva I.V., Afonin V.V., Emelyanov D.V. Assessing the quality of cement composites exposed to a temperature-aggressive environment using interpolation and correlation. Vestnik MSUCE. 2021. Vol. 16. Iss. 11, pp. 1473–1482. (In Russian). DOI: 10.22227/1997-0935.2021.11.1473-1482
20. Erofeeva I.V, Afonin V.V., Fedortsov V.A., Emelyanov D.V. Research of behavior of cement composites in conditions of high humidity and variable positive temperatures. IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 972 (1). 012052. DOI:10.1088/1757-899X/972/1/012052
21. Тарасюк И.А., Кравчук А.С. Сужение «Вилки» Фойгта–Рейсса в теории упругих структурно-неоднородных в среднем изотропных композиционных тел без применения вариационных принципов. APRIORI. Сер.: Естественные и технические науки. 2014. № 3. С. 8.
21 Tarasyuk I.A., Kravchuk A.S. Narrowing of the Voigt-Reuss «Fork» in the theory of elastic, structurally inhomogeneous, on average, isotropic composite bodies without the use of variational principles. APRIORI. Series: Natural and technical sciences. 2014. No. 3, p. 8. (In Russian).
22. Гуменюк А.Н., Полянских И.С., Петрунин С.М., Шевченко Ф.Е., Первушин Г.Н. Многофункцио-нальный слоистый композиционный материал, используемый в строительстве. Вестник МГСУ. 2021. Вып. 16. № 6. С. 688–697. DOI: 10.22227/1997-0935.2021.6.688-697
22. Gumenyuk A.N., Polyanskikh I.S., Petrunin S.M., Shevchenko F.E., Pervushin G.N. Multifunctional layered composite material used in construction. Vestnik MSUCE. 2021. Vol. 16. No. 6, pp. 688–697. (In Russian). DOI: 10.22227/1997-0935.2021.6.688-697
23. Сафаров А.Р., Дорожинский В.Б., Андреев В.И. Реализация численной модели бетона CSCM для отечественных классов бетона. Вестник МГСУ. 2023. Вып. 18. № 4. С. 545–555. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.4.545-555
23. Safarov A.R., Dorozhinsky V.B., Andreev V.I. Implementation of a numerical model of concrete CSCM for domestic classes of concrete. Vestnik MSUCE. 2023. Vol. 18. No. 4, pp. 545–555. (In Russian). DOI: 10.22227/1997-0935.2023.4.545-555
24. Urkhanova L.A., Buyantuev S.L., Urkhanova A.A., Lkhasaranov S.A., Ardashova G.R., Fediuk R.S. et al. Mechanical and electrical properties of concrete modified by carbon nanoparticles. Magazine of Civil Engineering. 2019. Vol. 8. No. 92, pp. 163–172. DOI: 10.18720/MCE.92.14
25 Yakovlev G., Vít Č., Polyanskikh I., Gordina A., Pudov I., Gumenyuk A., Smirnova O. The effect of complex modification on the impedance of cement matrices. Materials. 2021. Vol. 14. Iss. 3. 557.DOI: 10.3390/ma14030557
26. Лам Н.Д.Т., Самченко С.В., Лам Т.В., Швецова В.А. Оптимизация пропорций композиционного вяжущего, содержащего многокомпонентные добавки. Вестник МГСУ. 2023. Вып. 18. № 3. С. 427–437. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.3.427-437
26. Lam N.D.T., Samchenko S.V., Lam T.V., Shvetsova V.A. Optimization of the proportions of a composite binder containing multicomponent additives. Vestnik MSUCE. 2023. Iss. 18. No. 3, pp. 427–437. (In Russian). DOI: 10.22227/1997-0935.2023.3.427-437
27. Omidi M., Milani A.S., Seethaler R., Arasteh R. Prediction of the mechanical characteristics of mul-
ti-walled carbon nanotube/epoxy composites using a new form of the rule of mixtures. Carbon. 2010. Vol. 48. Iss. 11, pp. 3218–3228. DOI: 10.1016/j.carbon.2010.05.007
28. Лазарев А.В., Казначеев С.В., Ерофеев В.Т., Бредихин В.В., Худяков В.А. Оптимизация составов наполненных эпоксидных композитов по прочностным показателям. Известия Юго-Западного государственного университета. Сер.: Техника и технологии. 2012. № 2–3. С. 235–239.
28. Lazarev A.V., Kaznacheev S.V., Erofeev V.T., Bredikhin V.V., Khudyakov V.A. Optimization of compositions of filled epoxy composites in terms of strength indicators. Izvestiya of the Southwestern State University. Series: Equipment and technology. 2012. No. 2–3, pp. 235–239. (In Russian).
29. Ерофеев В.Т., Волгина Е.В., Казначеев С.В., Кретова В.М. Исследование прочности винил-эфирных композитов. Известия Юго-Западного государственного университета. Сер.: Техника и технологии. 2013. № 4. С. 81–88.
29. Erofeev V.T., Volgina E.V., Kaznacheev S.V., Kretova V.M. Research on the strength of vinylester composites. Izvestiya of the Southwestern State University. Series: Equipment and technology. 2013. No. 4, pp. 81–88. (In Russian).
30. Бобрышев А.Н., Ерофеев В.Т., Козомазов В.Н. Физика и синергетика дисперсно-неупорядоченных конденсированных композитных систем. СПб.: Наука, 2012. 473 с.
30. Bobryshev A.N., Erofeev V.T., Kozomazov V.N. Fizika i sinergetika dispersno-neuporyadochennykh kondensirovannykh kompozitnykh sistem [Physics and synergetics of dispersed disordered condensed composite systems]. St. Petersburg: Nauka. 2012. 473 p.
31. Gibbons J.D. Nonparametric Statistical Inference. New York. Basel: CRC Press. 2010. 652 p.
32. Kim I., Balakrishnan S., Wasserman L. Robust multivariate nonparametric tests via projection averaging. Annals of Statistics. 2020. Vol. 48. Iss. 6, pp. 3417–3441. https://doi.org/10.48550/arXiv.1803.00715
33. Pan W., Tian Y., Wang X., Zhang H. Ball divergence: nonparametric two sample test. Annals of Statistics. 2018. Vol. 46. Iss. 3, pp. 1109–1137. DOI: 10.1214/17-AOS1579
34. Kotlyar M., Fuhrman S., Ableson A., Somogyi R. Spearman correlation identifies statistically significant gene expression clusters in spinal cord development and injury. Neurochemical Research. 2004, pp. 1133–1140. DOI: 10.1023/a:1020969208033
35. Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников. М.: Физматлит, 2006. 816 с.
35. Kobzar A.I. Prikladnaya matematicheskaya statistika. Dlya inzhenerov i nauchnykh rabotnikov [Applied mathematical statistics. For engineers and scientists]. Moscow: Fizmatlit. 2006. 816 p.