Химические технологии / 1.Пластмассы, полимерные и синтетические материалы, каучуки, резинотехнические изделия, шины и их производство

 

К.т.н. Буря А.И., к.т.н. Черкасова Н.Г., Киприч В.В.

Днепропетровский государственный аграрный университет, Украина

Исследование свойств углепластика на основе фенолоформальдегидного связующего и ГЦ-углеродной ленты

 

Одним из путей повышения надежности, срока службы конструкций, машин и оборудования является применение композиционных материалов. Углеродные волокнистые материалы (УВМ) относятся к наиболее перспективным армирующим наполнителям для композитов конструкционного назначения [1,2]. Одним из преимуществ УВМ является возможность их использования для армирования широкого спектра матриц, в том числе полимерных [3-6].

В настоящей работе исследовались свойства углепластиков на основе фенолоформальдегидного связующего (бакелитовый лак марки ЛБС-1, сухой остаток 61,4%), хаотично армированного лентой на основе ГЦ-углеродных волокон, нарезанной на отрезки длиной 10-15мм. Использование хаотичной схемы армирования дискретным волокнистым наполнителем позволяет получать изделия сложной конфигурации практически без дальнейшей механической обработки, дает возможность использовать наряду с кондиционными волокнистыми материалами некондиционную продукцию производства химических волокон, что расширяет сырьевую базу получения полимерных композиционных материалов (ПКМ), существенно снижает их стоимость и позволяет рационально утилизировать биологически неразлагаемые отходы в окружающую среду. Кроме того, хаотично армированные ПКМ отличаются высокой изотропией свойств и однородностью материала.

Технологический процесс изготовления образцов углепластиков состоял из пропитки волокнистого наполнителя, предварительно нарезанного на отрезки заданной длины, раствором олигомерного связующего. Как было показано [7], для обеспечения хорошего адгезионного контакта и качественной пропитки углеродных волокон, отличающихся, как и большинство химических волокон органической природы, невысокими значениями поверхностной энергии, в качестве пропиточного раствора целесообразно использовать 35-40% раствор фенолоформальдегидного олигомера. Это позволяет при высокой степени наполнения (до 70мас.%) получить монолитный материал.

После стадии пропитки волокнит высушивали при комнатной температуре в течение суток, а затем при температуре 353К до достижения содержания летучих в углепрепреге 5,5-6,5%.

Образцы для испытаний изготовляли методом прямого прессования углепрепрега при температуре 433К и удельном давлении 20-25МПа с последующей термообработкой готовых образцов при температуре 393К в течение 4 часов.

Исследования физико-механических свойств углепластика проводились согласно ГОСТ для пластмасс. Теплостойкость материала определяли по методу Мартенса на приборе WPM VEB Thurluger, ударную вязкость – по методу Шарпи на маятниковом копре КМ-5Т, разрушающее напряжение и относительную деформацию при сжатии – на испытательной машине FP-100. Испытания образцов композита на статический изгиб осуществлялись на универсальной испытательной машине FP-10. Деформационно-прочностные  характеристики ГЦ-углеродных нитей и микропластиков на их основе исследовались на испытательной машине FP-100 при базовой длине образцов 200мм.

Одним из факторов, определяющих свойства ПКМ является степень наполнения композита. Ранее проведенные исследования [8] показали, что при хаотичной схеме армирования дискретным волокнистым наполнителем оптимальные технологические свойства препрега, монолитность, прочностные характеристики и изотропность свойств пластика обеспечиваются при степени наполнения 60-65мас.%. При содержании волокна выше 70мас.% наблюдается недостаток связующего для образования непрерывной, бездефектной пленки полимера на волокне, что приводит к снижению прочностных свойств, нарушению монолитности образца. При содержании наполнителя менее 40мас.% не наблюдается структурообразования армирующего наполнителя в среде полимерной матрицы, что приводит к резкому снижению физико-механических свойств пластика. Исходя из этого, для исследования был выбран феноуглепластик со степенью наполнения 60мас.%.

Сравнительные свойства феноуглепластика и блочного фенолоформальдегидного полимера приведены в таблице 1.

 

Таблица 1.

 Свойства феноуглепластика на основе дискретной ГЦ-углеродной ленты

 

Содержание наполнителя, %

Плотность, кг/м3

Теплостойкость по Мартенсу, К

Разрушающее напряжение, МПа, при:

Модуль упругости при сжатии, ГПа

Ударная вязкость, кДж/м2

изгибе

сжатии

0

1220

423*

40

95

-

2

60

1540

510

74,2

145,2

1,85

16,3

 

* - температура стеклования.

 

Как видно из данных табл. 1, феноуглепластик отличается высокой деформационной теплостойкостью (более 500К). Использование в качестве матрицы фенолоформальдегидного полимера, обладающего высокой теплостойкостью и жесткостью, позволяет повысить степень реализации теплостойкости углеродных волокон в композите, упрочнить их за счет сближения деформационных свойств связующего и армирующего наполнителя. Как показали исследования, феноуглепластик сохраняет не менее 70% прочности до температуры 423К.

Анализ диаграмм растяжения ГЦ-углеродной нити и микропластика на ее основе (рис. 1) указывает на совместную работу наполнителя и связующего. Адгезионная прочность связи углеволокно - фенолоформальдегидная матрица, определенная по методике [9], составляет 15,6 МПа. Полимерная пленка связующего залечивает дефекты углеволокна и обеспечивает совместную деформацию матрицы и наполнителя. В результате прочность микропластика возрастает по сравнению с прочностью исходной нити и прочностные характеристики феноуглепластика значительно превышают свойства блочного полимера.

Феноуглепластики характеризуются довольно высокой пористостью, что объясняется дефектностью, как самого углеродного волокна, так и связующего, отверждение которого происходит с выделением летучих продуктов. Степень пористости исследуемого феноуглепластика оценивали по кинетике изменения массы образцов при экспозиции в воде.

Анализ кинетической кривой (рис. 2) позволяет сделать вывод, что скорость набухания образцов и величина водопоглощения на начальном этапе связаны с заполнением микродефектов структуры пластика (пор, раковин, микротрещин). В дальнейшем процесс набухания стабилизируется и протекает за счет самого связующего и волокна.

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Диаграммы растяжения: 1- ГЦ-углеродной нити; 2 – микропластика на ее основе

Рис. 2. Зависимость относительного изменения массы феноуглепластика (W) от времени экспозиции в воде

 

Как показали исследования, вода оказывает некоторое воздействие на прочностные свойства, как самого волокна, так и микропластика на его основе. По данным, приведенным в таблице 2, экспозиция в воде в течение 480 часов вызывает снижение разрывной прочности ГЦ-углеродных нитей на 30% Подобным образом изменяется и прочность при разрыве микропластиков, оставаясь по абсолютной величине выше прочности исходных нитей. Следует отметить, что скорость снижения прочностных свойств волокна в микропластике в начальный период значительно ниже вследствие защитного действия пленки полимерного связующего.

Таблица 2.

 Влияние воды и времени экспозиции на разрывную прочность

ГЦ-углеродных нитей и микропластиков на их основе

 

Время экспозиции, часы

Разрывная прочность, Н

Относительное снижение прочности, %

нить

микропластик

нить

микропластик

0

27,5

33,5

-

-

24

22,3

29,8

18,9

11,1

168

20,6

25,5

25,1

23

480

19,1

23,3

30,6

30,4

 

Таким образом, проведенные исследования показали возможность применения в качестве наполнителя полимерной матрицы дискретной ГЦ-углеродной ленты. Получен хаотично армированный фенопластик на ее основе, обладающий высокими теплостойкостью и прочностными свойствами, что позволяет рекомендовать разработанный пластик в качестве конструкционного материала. Учитывая относительно высокую пористость феноуглепластика, что приводит к снижению его водостойкости, материал рекомендовано эксплуатировать в условиях ограниченной влажности.

 

Литература:

 1. Кудрявцев Г.И., Варшавский В.Л., Щетинин А.М., Казаков М.Е. Химические волокна для композиционных материалов. – М.: Химия, 1992. – 236с.

2. Будницкий Г.А., Кудрявцев Г.И., Серков А.Т. Перспективные армирующие волокна (углеродные и арамидные) //Композиционные материалы /АН УССР, институт электросварки. – К., 1991.- С. 108-122.

3. Буря А.И. Свойства и опыт применения углепластиков в сельхозмашиностроении. – К.: Общ-во «Знание», 1992. – 28с.

4. Артемьева В.Н., Юдин В.Е. Термореактивные полиимидные связующие ИПО и углепластики на их основе //Пластические массы, 1996. - №5. – С. 3-5.

5. Буря А.И., Черкасова Н.Г., Казаков М.Е., Арламова Н.Т., Мараховская М.Л. Свойства феноуглепластиков на основе углеродной ткани УВИС //Химические волокна, 2005. - №3. – С. 54-56.

6. Буря А.И., Черкасова Н.Г. Казаков М.Е., Азарова М.Т., Тараканова Н.В., Дудин В.Ю. Свойства углепластика на основе углеродного жгута и эпоксидного связующего // Химические волокна, 2001. - №4. – С. 44-47.

7. Буря А.И., Черкасова Н.Г., Ильюшенок В.В. Исследование свойств феноуглепластиков на основе пековых волокон //Композиційні полімерні матеріали, 2002. – Т.24. - №1. – С. 28-32.

8. Burya A.I., Cherkasova N.G., Povhan M.F., Lebed S.B. Investigation of effect of strengthening in chaotically reinforced phenocarbon plastics // International Conference on Practical Aspects of Particle Technology. Proceedings 625th event of the European federation of chemical engineers. Budapest, Hungary, 21-24 August 2001. – P. 210-214.

10. Горбаткина Ю.А. Адгезионная прочность в системах полимер – волокно. – М.: Химия, 1987. – С. 7-32.