CC BY
94
УДК 678.6.046
Е. А. Беляева 2, А. Ф. Косолапов 1 , В. С. Осипчик 2 *, Т. Е. Шацкая \ О. И. Кладовщикова 2
1 НПК «Композит» ОАО «НПО Стеклопластик», Московская область, Солнечногорский район, Россия 2Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д.9 *e-mail: vosip@muctr.ru
КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ВОЛОКНИСТЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ ИЗ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА
Разработана технологичная в приготовлении и переработке высокопрочная полимерная композиция, обеспечивающая максимально возможную реализацию свойств волокон из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМ ПЭ). Определено влияние плазмохимической обработки, а также других способов обработки СВМ ПЭ волокна на их контактные свойства и физико-механические свойства соответствующих композиционных материалов.
Ключевые слова: высокомодульное волокно, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, низкочастотная и плазменная установка, активация поверхности.
Повышенный интерес во всем мире к синтетическим волокнам объясняется не только превосходством их удельных упруго -прочностных показателей, но также их высокой энергоемкостью, т. е. способностью к поглощению и рассеиванию высокоскоростного динамического удара, устойчивостью к истиранию и изгибам, невосприимчивостью к действию влаги, низким температурам и солнечной радиации, радиопрозрачностью, химической и
биологической инертностью и др.
За рубежом уже разработаны и применяются десятки видов изделий и конструкций общепромышленного и специального назначения на основе волокон из свервысокомолекулярного полиэтилена (СВМ ПЭ) голландского, американского, японского и китайского производства. Это и средства индивидуальной защиты (СИЗ),а также элементы авиационных и машиностроительных конструкций, к которым предъявляются требования не только высокой конструкционной прочности, но и стойкости к различным ударным нагрузкам (при возникновении нештатных ситуаций).
По удельным характеристикам волокна из СВМ ПЭ превосходят практически все известные в настоящее время волокна.
Себестоимость ПЭ волокон на 20 — 30% ниже по сравнению с высокопрочными параарамидными волокнами Русар 4 российского производства и в 3 раза ниже по сравнению с углеродными волокнами на основе полиакрилонитрила.
Основная трудность при создании композиционных материалов (КМ) на основе СВМ ПЭ волокон связана с их инертностью практически ко всем термореактивным матрицам, обусловленной тем, что молекула ПЭ имеет полностью насыщенные химические связи и
характеризуется низкой поверхностной энергией (~ 33 мДж/м2).
Одним из наиболее перспективных и современных методов активации поверхности материалов различной химической природы (полимерные пленки, ткани, волокна) является экологически чистое воздействие
низкотемпературной плазмы [1].
Наиболее важной особенностью процесса плазмохимической модификации материалов, определяющей особый интерес к этому методу, является тот факт, что изменениям подвергается только обрабатываемая поверхность материала и очень тонкий поверхностный слой. Основная масса материала не изменяется, сохраняя прежние физико-механические и электрофизические свойства.
Поскольку вышеуказанное воздействие холодной плазмы существенно повысило адгезионные свойства ряда синтетических материалов, представляло большой научный и практический интерес определить влияние плазмохимической обработки, а также и других способов обработки СВМ ПЭ волокна на их контактные свойства и физико-механические свойства соответствующих КМ.
Из всех химических реагентов наибольший эффект повышения контактных свойств поверхности тканей из СВМ ПЭ волокна был достигнут при использовании тонкодисперсных суспензий силикатного и углеродного типов.
В таблице 1 приведены данные по влиянию указанных видов обработки на физико -механические показатели КМ на основе ткани сатинового переплетения из волокна ПЭ-Показатели КМ на основе необработанной ткани приняты за 1.
Таблица1. Влияние вида обработки ткани на прочностные характеристики КМ
Вид обработки ткани К, для Оизг. К, для Тсдв.
Исходная ткань (необработанная) 1 1
Обработка в НЧ-разряде 2,5 2,8
Обработка в ВЧ-разряде 1,7 2,0
Обработка в БР-разряде 2,3 2,6
Радиация, доза Мрад: 1,0 1,2 1,2
1,5 1,1 1,1
Обработка суспензиями НМ:
силикатного типа 1,7 1,8
углеродного типа 1,8 1,85
Примечание. К — отношение прочности при изгибе Оизг и сдвиге Тсдв для экспериментальных образцов КМ на основе обработанной ткани к таковым на основе необработанной (исходной) ткани сатинового переплетения.
Анализ данных таблицы 1 свидетельствует о том, что наибольший эффект достигнут в случае плазменной обработки в НЧ-разряде. Прочности КМ при сдвиге (тОДв ) и изгибе (ои) возрастают в 2,5 - 2,8 раза по сравнению с КМ на основе исходной ткани.
Было проведено изучение поверхности исходной и обработанной в режимах НЧ разряда ткани на основе СВМ ПЭ волокон методом
электронной сканирующей микроскопии. Исследования проводили с помощью электронного микроскопа 1ео1 1БМ - 5610.На поверхности ткани, обработанной НЧ - разрядом, образуется неупорядоченный микрорельеф (рис1 а и б).
Появление на поверхности ткани после обработки в разряде кислородсодержащих групп и неупорядоченного микрорельефа приводит к повышению контактных свойств поверхности ткани, увеличению ее адгезии к полимерной матрице и, следовательно, к повышению физико -механических свойств органопластика.
а б
Рис. 1. Электронные микрофотографии ткани СВМ ПЭ, обработанной в условиях НЧ разряда : а - х 25, б -
х 1800.
Таким образом, более низкая стоимость волокон из СВМ ПЭ ( по сравнению с параарамидными) и использование
перспективной, с точки зрения промышленного применения, обработки — активации тканей в
плазме (НЧ - разряд, частота 50Гц) являются основаниями для экономического оптимизма в вопросе производства востребованных изделий из отечественного полиэтиленпластика.
Беляева Евгения Алексеевна аспирантка кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ
им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Косолапов Алексей Федорович к.т.н., директор НПК «Композит» ОАО «НПО Стеклопластик», Московская область, Солнечногорский район, Россия
Осипчик Владимир Семенович заведующий кафедрой технологии переработки пластмасс, профессор РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Шацкая Татьяна Евгеньевна к.т.н., в.н.с, НПК «Композит» ОАО «НПО Стеклопластик», Московская область, Солнечногорский район, Россия
Кладовщикова Ольга Ивановна студентка кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Под редакцией Фортова В.Е., том 4, 2000, М., «Наука». Гильман А.Б. «Модификация поверхности полимерных материалов», С. 393-399
2. Назарова В.Г. «Поверхностная модификация полимеров» - Москва, 2008 . 474 с.
3. Тризно М.С., Николаев Ю.Н. А.С. СССР № 167807
4. Wu S. Polymer interfaces and adhesion. Marcel Dekker. - 1982, Р.318
5. Натрусов В.И., Шацкая Т. Е., Кудинов В.В. и др. « Создание конкурентоспособных композиционных материалов на основе высокопрочных полиэтиленовых волокон» // Сборник докладов на Международной конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение» - г. Барнаул, Алтайский гос. технич. университет им. И. И. Ползунова, сентябрь 2007 , С. 189 — 191
Belyaeva Evgeniya Alekseevna 2, Kosolapov Alexei Fedorovich 1, Osipchik Vladimir Semenovich2 *, Shatskaya Tatiana Evgenievna 1, Kladovschikova Olga Ivanovna 2
1NPK «Composite» OAO NPO «Stekloplastic» , Solnechnogorsk district, Russia. 2D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. *e-mail: vosip@muctr.ru
COMPOSITE MATERIAL ON THE BASIS OF FIBROUS FILLERS FROM ULTRA-HIGH MOLECULAR POLYETHYLENE
Abstract
Consider ways of strengthening the interphase interaction at the interface of polymer - filler. Developed technological preparation and processing of high-strength polymer composition, ensuring the highest possible realization of the properties of UHMW PE fibres.
Key words: high modulus fibers, UHMWPE, low-frequency and high-frequency plasma installation, barrier discharge installation, surface activation
