Энергетические параметры поверхности арамидных волокон Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 620.169.1

К. С. Пахомов, Ю. В. Антипов, А.Е. Чалых,

Н. Ю. Будылин, О. В. Стоянов, И. Д. Симонов-Емельянов

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОВЕРХНОСТИ АРАМИДНЫХ ВОЛОКОН

Ключевые слова: арамидные волокна, граница раздела фаз, краевые углы смачивания.

Рассмотрены методические особенности приготовления образцов волокон для определения их смачиваемости методом сидячей капли. Представлены данные о поверхностной энергии арамидных волокон, их полярной и дисперсионной составляющих. Установлено, что наиболее высокое значение полярной составляющей характерно для волокна марки Русар-НТ.

Keywords: aramidfiber, interface, regional wetting angle

Methodical features ofpreparation of samples for the determination offiber wettability by sedentary drop. Data on the surface energy of aramid fibers them. polar and dispersion components. It was found that the highest value of the polar component is typical of the brand fiber Rusar-HT.

Введение

Говоря о процессах, происходящих на границе раздела наполнитель - матрица, в частности волокно - связующее, прежде всего имеют ввиду смачивание и адгезию [1]. Принято считать, что в процессе смачивания самопроизвольно формируется переходная зона между элементами адгезионного соединения [2]. Традиционно о смачивающей способности связующего судят либо по краевым углам смачивания 9, оценивая их по геометрическим параметрам малых капель этого связующего, нанесенных на плоскую поверхность или непосредственно на волокно [3], либо по коэффициенту растекания [2, Т.2, С.325].

С целью получения прямой информации о поверхностной энергии «ароматических волокон» методом «сидячей капли» тестовых жидкостей была разработана методика получения криптогетерогенных сплошных волокнистых структур, обеспечивающих стабильное поведение на поверхности волокон равновесных капель тестовых жидкостей в течение достаточно длительного времени наблюдения (от 1 до 15 мин). Заметим, что в этих условиях удалось получить воспроизводимые результаты по краевым углам смачивания высокой степенью достоверности. Результаты этих измерений и представлены в настоящей работе.

Экспериментальная часть

На рис. 1 и 2 показан образец металлической оправки с намотанным волокном до термической обработки. Можно видеть (рис.2), что в межволоконном пространстве присутствуют протяженные поры, поперечный размер которых соизмерим с поперечным размеров волокон, а продольный - достигает несколько сотен микрон (соизмерим с поперечным размером микрофотографии). Несмотря на стремление добиться плотной упаковки волокон встречаются пучки элементарных волокон с хаотической укладкой. Такая упаковка волокон, с одной стороны, способствует практически мгновенному впитыванию капель тестовых жидкостей, с другой - реализации каплями режима «супергидрофобности» (рис. 3).

Таким образом, на исходной поверхности намотанных волокон не удается традиционными способами получить корректную информацию о краевых уг-

лах смачивания и оценить, таким образом, поверхностную энергию волокон. Заметим, что это касается капель эпоксидного олигомера и его отвердителя.

Рис. 1 - Образец металлической оправки с намотанным волокном до термической обработки

Рис. 2 - Фрагмент исходной поверхности намотанных волокон до компактирования

Прессование (компактирование) намотанных волокон в интервале температур от 280 до 320оС, давлении 150 кг/см2 в течение 1 - 5 мин показало, что при температуре более 320оС образуется сплошной плотноупакованный слой волокон с не-

большим количеством пор в межволоконном пространстве (рис. 4).

б

Рис. 3 - Микрофотографии капли воды на исходной поверхности волокон (а, б), намотанных на металлическую оправку

Подобные структуры термодинамически неустойчивы и легко разрушаются под действием тангенциальных механических нагрузок. В рамках коллоидной химии такие структуры принято называть криптоге-терогенными, т.е. скрыто-гетерогенными [4].

На рис. 5. представлены капли воды на поверхности таких структур. Контур капли устойчив, что позволило проводить измерения на установке Easy Drob эффективного краевой угол смачивания (эффективный, поскольку в расчетах не учитывался рельеф криптогетерогенной волокнистой подложки).

В табл. 1. приведены характеристики тестовых жидкостей, используемых для определения дисперсионной и полярной составляющих поверхностной энергии арамидных волокон [5].

Капли жидкости (5-10 капель) постоянного объёма (1^2 мм3) наносили с помощью микрошприца на исследуемую поверхность образца, которые располагался на предметном столике оптического микроскопа. В качестве осветителя использовали галогеновую лампу. Измерения проводились при температуре 20±1°С.

б

1 . 1 АППРЕТ?

; Л

1 /1 i

« 1'

1 ( V« □ Ьг N2 11Л1Л4 25kV I— »»• —I

в

Рис. 4 - Фрагменты поверхности намотки волокон (а, б, в) после компактирования при различных увеличениях

Рис. 5 - Капля воды на поверхности намотанных и спрессованных волокон после компак-тирования

Таблица 1 - Характеристики тестовых жидкостей

Жидкость у V, мДж/м2 у\**, мДж/м2 Ть, мДж/м2

Вода 50,2 22,0 72,2

Глицерин 30,0 34,0 64,0

Этиленгликоль (ЭГ) 19,0 29,3 48,3

Формамид 26,0 32,3 58,3

Диметилсульфоксид 8,7 34,9 43,6

Диметилформамид 4,9 32,4 37,3

о-Трикрезилфосфат 4,5 36,2 40,7

* - полярная составляющая поверхностного натяжения жидкости;

** - дисперсионная составляющая поверхностного натяжения жидкости.

газ у Базовая линия

жидкость

+ + подложка

■■

Рис. 6 - Схема распределения векторов поверхностного натяжения при контакте капли эпоксидной смолы с фрагментом поверхности криптогетерогенных арамидных волокон

Обработку совокупности экспериментальных данных (собВ - тестовых жидкостей) проводили в рамках подхода Оуэнса-Вендта. Полярную у/ и дисперсионную уэв составляющие поверхностной энергии рассчитывали по уравнению:

1 + СОЭ0 :

- / £> Р - / Р Р

2уу? • уу/к

уIV

уIV

представляя экспериментальные данные в следующих

координатах

/¡у • (1 + С08 0)

2 ^

Г ГIV

- / л

(рис. 7).

По тангенсу угла наклона линейной зависимости определяли а по отрезку, отсекаемому на оси ординат - ^уэ0. Поверхностную энергию у3 находилась путем сложения ее составляющих:

й Р

Статистическая обработка результатов измерения, показала, что погрешность при определении краевых углов составляет не более 1 градуса, что соответству-

ет ошибке в определении поверхностной энергии образцов ±0,1мДж/м2.

Поверхностная энергия, ее полярная и дисперсионная составляющие для арамидных волокон приведены в табл. 2.

Уь ■ (1 + СО8 0)

т

¥ъ

Рис. 7 - Схема расчета полярной у8р и дисперсионной у8п составляющих поверхностной энергии твердого тела

Таблица 2 - Поверхностная энергия и ее составляющие для арамидных волокон

Волокна у, мДж/м2 у<ъ мДж/м2 ур, 2 мДж/м

Русар-С-600 31,0 27,2 3,8

Руслан-ВМ-600 29,4 29.0 0,4

Русар-НТ 40,1 24,0 16,1

Следует отметить, что наблюдается достаточно большое расхождение в значениях полярной составляющей, которое может быть связано с присутствием на поверхности остатков аппретов (см. рис. 4).

Исследование эпоксидного олигомера УП-610 показало, что она имеет достаточно высокие значения поверхностной энергии: у = 61,1 мДж/м2 , уа = 16,0 мДж/м2 , ур = 45,1 мДж/м2

Можно предполагать, что наибольшей смачиваемостью эпоксидной смолой (марка УП-610

о ей

сн—сн —Ы^

V

\ /=\

N—Л ,>-0 ОЬ—СН - СИ—1.Н

Г _'I

волокно Русар НТ.

) характеризуется

Литература

1. К.Е Перепелкин // Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты / Санкт-Петербург, 2009, 172 с.

2. Д. Пол, С. Ньюман. Полимерные смеси. М.: Мир, 1981.

3. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие. - изд. перераб. / под ред. А. А. Берлина - СПб.: Профессия, 2009, 160 с.

4. Ребиндер П. А., Влодавец И. Н., Физико-химическая механика пористых и волокнистых дисперсных структур, в кн.: Проблемы физико-химической механики волокнистых и пористых дисперсных структур и материалов, Рига, 1967, 452 с.

5. Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. // Физико-химические основы смачивания и растекания / М.: Химия. - 1976, 232 с.

© К. С. Пахомов, асп. каф. химии и технологии переработки пластмасс и полимерных композитов, Московский госуд. ун-тет тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова; Ю. В. Антипов, к. х. н, главный химик ОАО «ЦНИИСМ»; А. Е. Чалых - д.х.н., проф., академик РАЕН, заведующий лабораторией структурно-морфологических исследований ИФХЭ РАН; Н. Ю. Будылин - к.х.н., научный сотрудник лаборатории структурно-морфологических исследований ИФХЭ РАН; О. В. Стоянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии пластических масс КНИТУ, ov_stoyanov@mail.ru; И. Д. Симонов-Емельянов, д.т.н., проф., заведующий кафедрой химии и технологии переработки пластмасс и полимерных композитов Московский госуд. ун-тет тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова.

© K. S. Pakhomov - Post-Graduate Student of Chemistry and Processing Technology of Plastics and Polymer Composites Department, Lomonosov Moscow State University of Fine Chemical Technologies; Yu. V. Antipov - Ph.D., Chief Chemist of Central Research Institute for Special Machinery; A. E. Chalykh, Doctor of Chemistry, Full Professor, Academician of RANS, Head of Structural and Morphological Investigations Laboratory, Russian Academy of Sciences A.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry (IPCE RAS); N. Yu. Budylin - Ph.D., Researcher of Structural and Morphological Investigations Laboratory, Russian Academy of Science A.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry; O. V. Stoyanov, DSc(Eng.), prof., Department of technology of plastic mixtures, KNRTU, ov_stoyanov@mail.ru; I. D. Simonov-Emelyanov - Doctor of Engineering, Full Professor, Head of Chemistry and Processing Technology of Plastics and Polymer Composites Department, Lomonosov Moscow State University of Fine Chemical Technologies.