Исследование воздействия высокочастотного емкостного разряда, применяемого для повышения адгезионных взаимодействий в композиционных материалах, на рельеф и структуру углеродных волокон

Гарифуллин А.Р.

УДК 66.022.1:541-16:691.175.3

А. Р. Гарифуллин

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА,

ПРИМЕНЯЕМОГО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ АДГЕЗИОННЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

В КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ, НА РЕЛЬЕФ И СТРУКТУРУ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН

Ключевые слова: высокочастотный емкостной разряд, углеродное волокно, межфазные свойства, поверхностные свойства,

адгезия, модификация, ИК-Фурье спектроскопия.

Исследовано влияние плазменной обработки в высокочастотном емкостном разряде при пониженном давлении на рельеф и структуру углеродных волокон. Установлено, что при использовании данного метода моди-фикацииуменьшается степень упорядочености структуры и прививаются на поверхность углеродных волокон кислородосодержащие функциональные группы, которые способствуют улучшению адгезионного взаимодействия на границе раздела волокно-матрица

Keywords:radio-frequency capacitive discharge, carbon fiber, interfacial properties,surface properties, adhesion, modification,

Fourier transform infrared spectroscopy.

Were studied the structure and relief of carbon fibers and surface offibers by Fourier transform infrared spectroscopy after low-temperature plasma treatment.lt was found that this type of modification destruct, but can attach on the surface of carbon fibers functional groups, that will increase the adhesion between carbon fibers and polymer matrix.

Введение

Для повышения срока службы и повышения прочности спортивного инвентаря из углепластика необходимо постоянно проводить эффективную работу в модернизации технологии производства композиционных материалов.

Известный из работ [1-2] метод плазменной модификации в высокочастотном емкостном разряде (ВЧЕ) при пониженном давлении способствует повышению адгезионного взаимодействия на границе раздела двух фаз в волокнистых полимерных конструкционных материалах (ВПКМ) между волокном и матрицей.

Целью работы являетсяисследование воздействия высокочастотного емкостного разряда на поверхность углеродных волокон с целью повышения адгезии на границе волокно-матрица в ВПКМ.

Экспериментальнаячасть

В качестве объектов исследования выбрано волокно T-300 (Япония) и UMT 42 (Россия), используемые ранее в исследовании плазменной модификации на адгезионное взаимодействие в ВПКМ на основе УВ.

Модификациюткани проводили на установке высокочастотного емкостного разряда пониженного давления [3]. Были выбраны режимы обработки при следующих параметрах: расход плазмообразующего газа G = 0,04 г/с, плазмообразующий газ воздух (давление P = 50Па), напряжение на анодеиа = 5 кВ.Время обработки t =20 (режим «1»); 40 мин (режим «2»).

Изучение поперечного среза и поверхности фи-ламентов (рис. 1) проводили с помощью метода конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (КЛСМ) на микроскопе Lext 4000 (Olympus, Япония). Для этого отбирались образцы УВ обоих марок (T300 и UMT42), контрольные и обработанные.

Результаты измерений среднего диаметра фила-ментов УВ обоих марок отражены в таблице 1.

Методом ИК-Фурье спектроскопии исследовали функциональные группы на поверхности УВ после ВЧЕ плазменной обработки при пониженном давлении в среде воздуха на приборе ФМ-1201(Россия). Изучение функциональных групп на поверхности проводилось с использованием приставки МНПВО и 50 кратным накоплением в области1100-1900 см-1.

Спектры (рис. 2) имеют невысокую интенсивность, связанную с высоким рассеянием и поглощением в ИК области спектра.

Изменения в структуреУВ исследовали рентге-нодифракционным методом на настольном порош-ковомдифрактометре D2 PHASER (Bruker, Германия). Результаты представлены на рисунке 3.

Таблица 1 - Средний диаметр филаментов волокон обоих марок до и после модификации

Марка волокна Средний диаметр филамента, мкм

Контрольный образец Опытный образец

Т-300 6,954 6,934

UMT42 7,142 7,035

В результате КЛСМ установлено, что после ВЧЕ плазменной модификации среднее значение диаметра филамента не изменилось. Его размер находится в диапазоне 6-7 мкм для исследованных опытных образцов обоих видов УВ, что соответствует паспортным данным.

Говоря о визуально видимой поверхности филаментов, следует отметить, что существенных изменений после плазменной модификации заметить не удалось. Микрофотографии поверхности отдельных филаментов контрольных и опытных УВ марки Т300 приведены на рисунке 1.

По итогам анализа ИК-спектров установлено наличие карбонильной группы, за что отвечаетобразо-вание сигнала 1484 см-1 в качестве обертона. Появление интенсивной полосы 1600 см-1 и полосы средней интенсивности 1664 см-1 отвечают за валентные колебания С=О. Из работы [4] известно о прямой

зависимости сдвиговой прочности от количества функциональных групп С=О в композитах УВ -эпоксидная матрица. Следует отметить, что спектр снят на малых интенсивностях и без глубинной математической обработки, поэтому наблюдаются шумы, флуктуации, которые не поддаются объяснению, но этого не требуется задачей, поскольку функциональные пики на спектре видны.

б

Рис. 1 - Микрофотографии поверхности отдельных филаментов УВ марки Т300: а) до плазменной обработки, б) после плазменной обработки. Увеличение х6500

Рис. 2 - Спектрограмма: УВ до («0») и после («1» - иа = 5 кВ, Р = 50 Па, G = 0,04 г/с, t = 20 мин, газ -воздух, «2» -иа = 5 кВ, Р = 50 Па, G = 0,04 г/с, t = 40 мин, газ - воздух) обработки

Рис. 3 - Дифрактограмма УВ: 0 - контрольный образец, 2 -режим обработки, 3 - «2» режим обработки

Из дифрактограммы и зачений интенсивности следует, что степень упорядочености структуры УВ уменьшается, из чего можно сделать вывод о структурных изменениях, предположительно связанных с образованием новыхфунцкиональных групп на поверхности.

Выводы

Установлено, что ВЧЕ плазменная обработка при пониженном давлении в среде воздуха позволяет прививать функциональные группы на поверхность УВ, обеспечивающие повышение адгезионного взаимодействия между волокном и матрицей в ВПКМ. Согласно рентгенодифракционному методу данный тип модификации уменьшает упорядоченность структуры волокна, однако, структурные изменения поверхности волокон либо не значительны, либо находятся за пределами возможностей световой микроскопии и требуют отдельного изучения методом растровой электронной микроскопии.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ, проект № 2196 от 01.02.2014 г.

Литература

1. А. Р. Гарифуллин А.Р., И. Х. Исрафилов, И. И. Каримуллин, А. Е. Карноухов, Е.А. Скидченко Е.А. Вестник технологического университета, 19, 8, 81 - 83

(2016);

2. A R Garifullin, I ShAbdullin, I V Krasina, M F Shaekhov and E A Skidchenko // Journal of Physics: Conference Series 669 012054 (2015);

3. Абдуллин И. Ш., Желтухин В. С., Сагбиев И. Р., Шаехов М.Ф. Модификация нанослоев в высокочастотной плазме пониженного давления. -Казань: Изд-во Казан. технол. ун-та, 2007. - 356 с.

4. Keming Ma, Ping Chen, Baichen Wang, Guiling Cui, Xinmeng Xu. Journal of Applied Polymer Science, 118, 1606-1614 (2010).

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Гарифуллин А. Р.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Гарифуллин А. Р.