CC BY
16
УДК 677.11.021
А.В. СУХОВ1Й, Г.А. Т1ХОСОВА
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет
ТЕОРЕТИЧН1 ПЕРЕДУМОВИ П1ДГОТОВКИ ВОЛОКНИСТИХ НАПОВНЮВАЧ1В ДЛЯ СТВОРЕННЯ ПОЛ1МЕРНИХ КОМПОЗИТ1В
У po6omi поставлено завдання розробити meopemu4Hi основи технологи одержання волокна i3 заданими фiзико-хiмiчними параметрами для одержання нових видiв композицшних матерiалiв. Завдяки цьому стане можливим виготовлення нових видiв продукцИ i3 вiтчизняноi екологiчно чисто!, натурально! сировини, що сприятиме забезпеченню економiчноi незалежностi Укра!ни у виро6ництвi 6удiвельних i армованих композицшних матерiалiв.
Ключовi слова: композицiйнi матерiали, льняне волокно, матриця, хiмiчна обробка.
А.В. СУХОВИЙ, А.А. ТИХОСОВА
Херсонский национальный технический университет
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПОДГОТОВКИ ВОЛОКНИСТЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ ДЛЯ
СОЗДАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ
В работе поставлена задача разработать теоретические основы технологии получения волокна с заданными физико-химическими параметрами для получения новых видов композиционных материалов. Благодаря этому станет возможным изготовление новых видов продукции из отечественного экологически чистого натурального сырья, что будет способствовать обеспечению экономической независимости Украины в производстве строительных и армированных композиционных материалов.
Ключевые слова: композитные материалы, льняное волокно, матрица, химическая обработка.
A.V. SUKHOVII, G.A. TIHOSOVA
Kherson National Technical University
THEORETICAL PRECONDITIONS OF PREPARATION FIBROUS FILLERS FOR PRODUCING OF POLIMERIC COMPOSITES
The aim of the work is to develop theoretical bases of technology of receiving fiber with the set physical and chemical parameters for receiving new types of composite materials. Thanks to that production of new types of production from domestic environmentally friendly natural raw materials that will promote ensuring economic independence of Ukraine in production of the construction and reinforced composite materials will become possible.
Key words: composite materials, flax fiber, matrix, chemical treatment.
Постановка проблеми та и актуальшсть
Для армування волокнистых композитов у якосп наповнювач1в зазвичай використовують скло, графи; алюмшш, вуглець, бор i берилш. Але використання природних волокнистих наповнювач1в у виробнищга полiмерних композицшних матерiалiв дае можливють одержання матерiалiв, яш володггимуть властивостями, яш значно перевищують верхш та нижш границ властивостей вихщних компоненпв. До того ж, у випадку використання природних наповнювачiв мае мюце зниження витрат на закушвлю сировини, бшьш безпечне виробництво та проспша утилiзацiя. Тому актуальшсть використання природних волокнистих наповнювачiв у полiмерних композитах зростае.
Ниш застосовують такий природний волокнистий наповнювач, як бавовняний лшт, який е iмпортованою сировиною, тому його необхщно замiнити бiльш дешевою та доступною вичизняною сировиною. З шшого боку, враховуючи унiкальний комплекс властивостей льону олiйного, попит на цю сировину швидкими темпами зростае. Як вщомо, на сьогоднi в усьому свт значно збiльшилися поави дано! культури. Вiдомо, що волокно льону олшного пiсля вадповадно! тдготовки може бути високояк1сною сировиною для одержання целюлози та целюлозних нашвфабрикапв, паперу, пряж1, а також текстильних матерiалiв [1]. Сфера застосування лляного волокна продовжуе розширюватись i сьогодш у всьому свiтi його широко застосовують для армування композицшних матерiалiв у автомобшьнш, авiацiйнiй промисловостi тощо [2].
Аналiз останнiх дослвджень i публiкацiй
Вченими у всьому свт, зокрема, Langer E. (Шмеччина), Kathleen VDV. (Бельгiя), Ton-That M.T., Denault J. (Канада), Mieleniak В., Bagley С., d'Anselme Т., Guyader J. (США), Pallesen (Дашя), Зеленецким С. (Росiя) успiшно проводяться дослщження з модифжацп природних волокон задля
одержання полiмерних композицшних матерiалiв з натуральними волокнами у якостi наповнювачiв, але теоретичнi основи виготовлення полiмерних композицшних матерiалiв, як1 армованi натуральними волокнами в них не викладено [2-5].
Формулювання мети дослiдження
Метою роботи е теоретичне обгрунгування основ формування полiмерних композицiйних матерiалiв з волокон льону олiйного, а також основних методiв додержання вимог, як1 пред'являються до волокна i полтернох матрищ, з метою замiни бавовняного лшту в якосп наповнювача на волокно льону олiйного.
Викладення основного матерiалу
Вiдомо, що отримання армованих волокнистих напiвфабрикатiв проводиться шляхом поеднання волокнистих наповнювачiв з полiмерною матрицею. Поеднання рiзнорiдних речовин призводить до створення нового матерiалу, властивостi якого кардинально вiдрiзняються вiд властивостей кожного з його складових. Змiнюючи склад матрищ i наповнювача та 1х сшввщношення, орiентацiю наповнювача, отримують широкий спектр матерiалiв з необхiдними властивостями.
Для отримання армованих волокнистих матерiалiв використовують розплави термопласпв, розчини або дисперсп рiдких олiгомерiв - вихiдних компоненпв для реактопластiв. Поеднання ведуть на машинах перюдично! або безперервно! дп, потiм - сушiння, при просочуваннi розчинами або дисперсiями, i охолодження просоченого наповнювача [6].
Лубоволокнистий матерiал використовуеться в композицiйних полiмерних матерiалах не у виглядi сформованого нетканого матерiалу, а у виглядi сумiшi з нагрiтим полiмером. Вирiб, до складу якого входят луб'яхп волокна, а не скловолокно, е легшим i менш ламким. Тому композищйхп матерiали, армованi рослинними волокнами, широко застосовуються в автомобiльнiй промисловосп у всьому свiтi. Крiм зниження ваги деталей i всього ек1пажу, скорочення витрат на паливо, необх1дно вхдзначити значне полiпшення споживчих властивостей машини, зниження шуму, вiбрацil та покращення тептсязолядл. Армування пластик1в натуральними волокнами, зокрема льоном, дае можливють суттево спростити, на ввдшну вiд армування скловолокном, повторне використання деталей, що вщпрацювали свiй строк [7].
Швидкий рiст застосування натуральних волокон у виробнищга композитiв пов'язаний головним чином з 1х позитивними властивостями, до яких вiдносяться:
- натуральнi волокна е еколопчним матерiалом для природного середовища в кожнiй фазi виробництва, промислово! переробки та утилiзацil;
- композити, армоваш натуральними волокнами, за сво!ми властивостями подiбнi до композипв, армованих iншими хiмiчними волокнами;
- композити, армоваш натуральними волокнами, бшьш еластичш, нiж зi скловолокном або вуглецевим волокном, а також тд час !х розтрiскування не виникае гострих кра!в та не виднеться токсичний пил;
- густина натуральних волокон нижче, нiж у скловолокна, що дозволяе знизити вагу композипв на 30-40% за тих самих властивостей;
- щна композитiв, на основi натуральних волокон, в 2-3 рази нижче, шж композитiв зi скловолокном;
- композити, армованi натуральними волокнами, знижують шум i механiчну вiбрацiю, що мае значення для автомобшьно! промисловостi.
Проте при використаннi натуральних волокон виникають деяк1 проблеми, наприклад:
- як1сть натуральних рослинних волокон i ефективнiсть !х виробництва дуже залежить вiд погодних умов i технологiй, як1 застосовуються в сшьському господарствi;
- перед промисловою переробкою необхщне сушiння натуральних волокон, а також тд впливом вологи можлива змiна властивостей i розмiрiв полiмерних композитiв, армованих натуральними волокнами;
- слабке зв'язування натуральних волокон з полiмерами викликае необхiднiсть застосування адгезiйних добавок, а також хiмiчноl модифжацп цих волокон.
Властивосп отриманого композицiйного матерiалу залежать вiд вибору вихiдних компоненпв i !х спiввiдношення, взаемодп мiж ними, виду i розташування волокон у армуючому наповнювачi, методу i технологiчних режимiв виготовлення виробу: тиску, температури, часу, додатково1 обробки виробу i ряду iнших факторiв.
Важливим при створеннi композитiв е взаемодiя i взаемовплив компонентiв в елементарному об'емi волокно-матриця (сполучне). Чим вище необхiднi властивостi отримуваного композита конструкцшного призначення, тим бiльш складний комплекс вимог повинен витримуватися при виборi вихiдних компонентiв, без виконання яких неможливо отримувати якiснi вироби. Розглянемо основш вимоги для волокна та матрищ при формуванш композицiйних полiмерних матерiалiв.
Довжина волокон мае знаходитись в межах ввд 3 до 20 мм. У якосп матрищ зазвичай використовуються фенол-формальдегiднi, iнколи - меламшов^ епоксиднi та iншi термореактивш смоли. Вмiст матрицi складае 40-50 % мас.
Взаeмодiя волокон з матрицею повинна забезпечувати високу реалiзацiю мехашчних властивостей волокон в армованому матерiалi i його монолгтшсть. Для цього необхiднi:
- хороша змочувашсть волокон матрицею;
- висока адгезiя мгж волокном i матрицею, яка характеризуеться зсувною мщшстю на меж1 розподiлу волокно-матриця;
- вщсутшсть або мiнiмальна змiна властивостей волокон шд впливом компонентiв матрищ;
- релаксащя внутршшх напруг в елементарному об'емГ волокно-матриця при термообробщ або тд впливом компонентiв матрищ та шшГ фактори.
Механiчнi властивосп композипв, як1 мГстять коротка волокна, визначаються наступними показниками: фактором форми волокна, його концентращею, орГентащею, станом дисперсносп, ступенем адгезп до матриц! [8]. Змочування волокон матрицею визначае монолгтшсть отримуваного матерГалу. ЙмовГршсгь отримання пухирщв газово! фази i пропорцшний склад у армованому матерГал! газових включень тим бшьше, чим прше змочування.
ФГзико-мехашчт властивосп композипв значним чином залежать вщ вщносного вмюту компоненпв. Зпдно правилу «сушш», чим бшьше вмют волокон, тим вище густина !х упаковки, тим бшьш високими (при шших однакових умовах) повинш бути модуль пружносп i мщшсть композипв.
Лляне волокно характеризуеться значно пршою змочувашстю, тж бавовняне. З метою тдвищення змочуваносп матерГал1в у просочувальну композиц1ю часто вводять поверхнево-активт речовини. НайбшьшГ значення адгези при створент хГмГчних зв'язк1в обумовлет наявтстю на поверхт волокон реакцшноздатних функщональних груп, як1 взаемодшть з компонентами реактопласпв. У такому випадку армуючий наповнювач, зберГгаючи сво! мехашчт характеристики, утворюе монол1т з матрицею.
Незважаючи на принципову придатшсгь тих або шших компоненпв для створення волокнистих полГмерних композипв, часто необхшна модифжащя поверхт волокон або складу полГмерно! матриц! для покращення змочуваносп та адгезп. З метою покращення адгезп мГж пдрофшьним льоном i пдрофобною матрицею полГмеру льнят волокна або льняну целюлозу тддають рГзномаштним видам хГмГчно! обробки: обробка силанами, лугами, бензоГлювання, ацилювання тощо. Розглянемо теоретичш основи даних процеав.
При обробщ волокон силанами спостерГгаеться тдвищення адгезп i покращуються мехатчт властивосп отримуваних сполук. Силан пдролГзуеться, формуючи реактивний силанол, а потГм адсорбуеться на поверхт волокна. ВодневГ зв'язки, сформован! м1ж адсорбованим силанолом i пдроксильними групами льняних волокон, можуть бути дал! перетворет в ковалентт зв'язки за допомогою нагрГвання оброблених волокон до високо! температури. Схему хГмГчно! реакцп цього процесу подано на рис. 1:
Fibre
^ i \ Cellulose I Lignin
I ' I
OH Hemicellulose OH
OH +
H2N-(CH2)3-Si-(OH)3
Fibre
Cellulose
I
O
O — Si— O
I
H2N(CH2)3
I
Lignin
I
O
Hemicellulose
I
O
I
O — Si—O
I
H2N-(CH2)3
Рис. 1. Взаeмодiя силашв (амшопрошлтрипдроксисилана) з компонентами лляного волокна
O —Si—O
I
H2N(CH2)3
При такш модифшацп льняних волокон силанами спостер1гаеться шдвищення мщносп волокна, вологопоглинання 1 опору грибкам для композипв з епоксидними смолами.
Важливою модифшащею волокна е лужна обробка, при якш видаляеться певна шльшсть л1гшну, воску 1 масел, що покривають зовшшню поверхню клгтинно! стшки волокна, вщбуваеться депол1меризащя целюлози. Обробка волокна натрш пдроксидом сприяе юшзацп пдроксильно! групи до утворення алкоголяту. Таким чином така обробка безпосередньо впливае на целюлозне волокно, стушнь пол1меризацп та видалення л1гшну, тдвищуе поверхневу шорстк1сть. Вщбуваеться шдвищення реакцшно! здатносп та змочуваносп волокна. У результат! лужно! обробки вщбуваеться реакщя, яку подано на рис. 2:
Рис. 2. Хiмiчна реакцiя процесу лужноТ обробки лляного волокна
Лужна обробка сприяе руйнуванню пучк1в волокон з утворенням менших волокон, що тдвищуе площу поверхщ яка доступна для контакту з матрицею. Таким чином видаляються природш та штучш домшки, тобто здшснюеться груба шдготовка поверхш
Наступний вид обробки - це бензо1лювання. Найчаспше для обробки целюлозного волокна використовуеться бензо1л хлорид, в результат! чого знижуеться пдрофшьшсть волокна, таким чином шдвищуеться його сумюшсть з матрицею. Схему процесу подано на рис. 3:
Рис. 3. Реакщя мiж пдроксильними групами целюлози i хлоридом бензолу
Реакщя ацилювання iнiцiюеться вiльними радикалами молекули целюлози. Ацилювання сприяе формуванню ковалентного зв'язку, завдяки чому тдвищуються границя мiцностi i модуль Юнга волокна. Схема реакцп вiдображена на рис. 4:
Fiber - ОН + СН2 - СН - СООН Fiber -0-СН2-СН2 - СООН
Рис. 4 Схема реакцп мiж гiдроксильними групами целюлози i акриловою кислотою [9]
Узагальнюючи вищевикладене, можна зробити висновок, що тшьки на основi ретельного вивчення хiмiчних та фiзичних властивостей природних волокнистих наповнювачiв i полiмерноi матрицi, а також теоретичних основ тдготовки льняного волокна, можливо сформулювати основнi принципи одержання полiмерних композицшних матерiалiв на основi волокон льону олшного.
Висновки
Задля одержання нових полiмерних композицiйних матерiалiв на основi волокон льону олшного, необхщно сформулювати теоретичш передумови процесу !х створення. Тому розробка основних принцитв отримання волокнистих полiмерних композитiв на основi волокон льону олшного е актуальним завданням сьогодення. Не менш важливим питанням е замiна iмпортованого бавовняного лшту на дешеву, екологiчно чисту вичизняну сировину - волокно льону олшного.
Список використаноТ лiтератури
1. Чурсша Л.А., Тiхосова Г.А., Головенко Т.М., Меняйло-Басиста 1.О. Iнновацiйнi технологil одержання нетканих та целюлозовмюних матерiалiв з льону олшного [Текст]. Монографiя / Л.А. Чурсша, Г.А. ^хосова, Т.М. Головенко, 1.О. Меняйло-Басиста; пiд ред. Л.А. Чурсшо!. -Херсон: Олдьплюс; 2014. - 341 с.
2. Живетин В.В. Масличный лён и его комплексное развитие / В.В. Живетин, Л.Н. Гинзбург. - М.: ЦНИИЛКА, 2000. - 389 с.
3. Mieleniak B. Low-cost «Сотрак» board based on vegetable fiber / В. Mieleniak // Wood Bas. Pan. Int. - 1985, № 1. - 8 p.
4. Bаg1еу C. Properties of Flax Fibre-Reinforced Composite Materials / C. Bagley, T. d'Anselme, J. Guyader // Works of INF, 1997. - P. 385-386.
5. Kathleen VDV. Research on the use of flax as reinforcement for thermoplastic puiltruded composites / VDV. Kathleen // The 1-st Nordic Conference on flax and hemp processing. - Belgium, 1998. - 7 p.
6. Перевозников В.Н.,Винченок Н.Г., Новиков Э.В. Технологии производства и использования материалов из льна в машиностроении / В.Н. Перевозников, Н.Г. Винченок, Э.В. Новиков // Льноводство: реалии и перспективы: Материалы международной научн.-практ. конф. Устье, 25-27 июня, 2008 г. / НАН Беларуси, РУП «Институт льна». - Могилев, 2008. -С. 341-351.
7. Мясоедова В.В., Люсова Л.Р. Особенности физико-химических свойств композиций на основе смесей целлюлоза/этилцеллюлоза - синтетические полимеры / В.В. Мясоедова, Л.Р. Люсова // IV всероссийская научная конференция (с международным участием) «Физико-химия процессов переработки полимеров»: науч. конф., 5 - 8 октября 2009 г.: тез. док. -Иваново, 2009. - С. 7-8.
8. Пугачева И.Н. Модификация бутадиен-стирольного каучука многофункциональными добавками из вторичных полимерных материалов при создании эластомерных композиций: дис. доктора техн. наук: 05.17.06 / Пугачева Инна Николаевна. - Воронеж, 2014. - 420 с.
9. Jinchun, Zhu.; Huijun, Zhu.; James, N.; Hrushikesh, A. Ecochallenges of biobased polymer composites. Materials. - 2013, № 6. - P. 5171-5198.
