Применение плазменного метода модификации поверхности углеродных волокон для повышения показателей механических свойств углеродных композиционных материалов

Гарифуллин А.Р.

УДК 66.022.1:541-16:691.175.3 А. Р. Гарифуллин

ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАЗМЕННОГО МЕТОДА МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ

УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ключевые слова: высокочастотный емкостной разряд, углеродное волокно, площадь поверхности, адгезия, модификация,

композиционный материал.

Исследовано влияние плазменной обработки в высокочастотном емкостном разряде при пониженном давлении на площадь удельной поверхности углеродных волокон. Установлено, что при использовании высокочастотного емкостного разряда в среде воздуха можно достичь повышения площади удельной поверхности волокон и показателей сдвиговой прочности композитов. Установлено, что плазменной модификацией можно до-битьсяповышения показателей сдвиговой прочности до 140 - 150 %.

Keywords: radio-frequencycapacitivedischarge, carbonfiber, surfacearea, adhesion, modification, composites.

Were studied the surface area of carbon fibers after the plasma treatmentinradio-frequencycapacitivedischarge at low pressure. It was found that the radio-frequencycapacitivedischarge plasma treatment at low pressure increases the surface area and shear strength of the composites. It is found that the plasma treatment can increase parameters of the shear strength to 140 - 150%.

Введение

Несмотря на обилие технологий модификации углеродных волокон (УВ), широко применяемых в производстве спортинвентаря и спортивных автомобилей, таких, как обработка кислотами, электрохимическая обработка, радиационная прививка, нанесение наночастиц на поверхность, метод плазменной модификации предстает, как один из самых экологически безопасных, универсальных и эффективных методов [1]. Использование уникального в своем роде высокочастотного емкостного разряда (ВЧЕ) при пониженном давлении показало эффективность в воздействии на показатели поверхностных свойств УВ [2,3]. Также было установлено влияние ВЧЕ обработки при пониженном давлении на повышение адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз волокно-матрица в волокнистых полимерных композиционных материалах (ВПКМ) [4]. Учитывая наличие нескольких типов адгезий, предполагается, что плазменная обработка в среде воздуха позволяет привить функциональные группы на поверхность УВ, что обеспечивает улучшение химического взаимодействия. Однако рассмотрение возможности увеличения активной площади удельной поверхности волокна также может обеспечить большее число контактов на границе раздела двух фаз.

Целью работы является изучение воздействия плазменной модификации на площадь удельной поверхности УВ и влияние обработки на показатели сдвиговой прочность ВПКМ.

Экспериментальнаячасть

Объектами исследования были выбраны УВ марок иМТ 42 отечественного производства и импортное Т-300. Создание экспериментальных ВПКМ для изучения сдвиговой прочности проводилось с использованием полимерной матрицы из эпоксидной смолы ЭД-20 и полиэтиленполиамина (ПЭПА) в соотношении 10:1. В качестве разбавителя полимерной матрицы использовали РП (ТУ 6-10-1095-76).

Для предотвращения хрупкого разрушения при увеличении нагрузки добавлялся в матрицу дибутил-фталат (ГОСТ 8728-88). Условия отверждения: 20 часов при нормальных условиях и 4 часа при температуре 80 ° С.

Определение величины удельной поверхности S^ проводили методом термодесорбции азота на установке NOVA 2200e фирмы «Quantachrom» (США) (табл. 1).

Модификацию ткани проводили на установке высокочастотного емкостного разряда пониженного давления [4]. Обработка проходила при следующих параметрах: расход плазмообразующего газа G = 0,04 г/с, плазмообразующие газы: аргон (давление P = 26 Па), воздух (давление Р = 50 Па), напряжение на аноде иа = 1,5; 3; 5 кВ. Время обработки t = 10; 20; 40 мин.

Таблица 1 - Влияние модификации на площадь удельной поверхности Syj, УВ

Образец Режим Масса навески, г Объем ячейки, 3 см S уд' м2/г Измене ние8уд, %

T-300 контроль 0,1044 0,02687 1,433 183,3

опыт 0,1363 0,03495 4,059

UMT 42 контроль 0,1113 0,02791 1,531 162,7

опыт 0,1584 0,03443 4,022

Установлено, что после плазменной обработки достигается повышение площади удельной поверхности УВ для марок на 83 % для импортного и 63 % отечественного.

Дополнительно для качественного подтверждения проводили измерение площади поверхности налазерном дифракционном приборе НопЬа LA950 (Япония), в котором реализован принцип рассеивания электромагнитных волн (рис. 1).

Рис. 1 - Влияние модификации на площадь поверхности волокна: 1 - контрольный, 2 - модифицированный)

Качественный анализ показал увеличение площади поверхности УВ после данного типа модификации. Исследование сдвиговой прочности прово-дилипо методике, описанной в [5]. Результаты эксперимента представлены на рисунке 2.

Испытание проводили на установке Shimadzu Autograph AGS-X (Япония).

После обработки обнаружено, что плазменной модификацией в ВЧЕ разряде при пониженном давлении в среде воздуха можно добиться повышения показателей сдвиговой прочности до 140 - 150 %.

Выводы

После обработки в ВЧЕ разряде при пониженном давлении в среде воздуха увеличивается площадь удельной поверхности волокна, что позволяет говорить об увеличении механической адгезии. Установлено, что данный тип плазменной модификации является эффективным инструментом в поверхностной модификации волокон, направленной на обеспечение повышении адгезии на границе волокно матрица, а значит на повышение механических свойств углепластиков.

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

Литература

1. А.Р. Гарифуллин, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета, 17, 7, 80 - 85 (2014);

2. А.Р. Гарифуллин, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета, 17, 14, 101 -102 (2014)

3. А. Р. Гарифуллин А.Р., И. Х. Исрафилов, И. И. Кари-муллин, А. Е. Карноухов, Е.А. Скидченко Е.А. Вестник технологического университета, 19, 8, 81 - 83 (2016);

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

5. А. Р. Гарифуллин, И. Ш. Абдуллин, И. Х. Исрафилов, Р.Р. Мингалиев, Е.А. Скидченко. Вестник технологического университета, 18, 17, 169 - 170 (2015).

Рис. 2 - Зависимость сдвиговой прочности от режима обработки

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

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