Исследование адгезионных свойств гибридных волокон после плазменной обработки

УДК 66.022.1:541-16: 691.175.3

A. Р. Гарифуллин, И. Ш. Абдуллин, Н.В. Корнеева,

B. В. Кудинов, Е. А. Скидченко

ИССЛЕДОВАНИЕ АДГЕЗИОННЫХ СВОЙСТВ ГИБРИДНЫХ ВОЛОКОН

ПОСЛЕ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ

Ключевые слова: гибридное волокно, гибридные волокнистые полимерные композиционные материалы, плазма, высокочастотный емкостной разряд, углеродное волокно, сверхвысокомолекулярное полиэтиленовое волокно, межфазные

свойства, адгезия, сдвиговая прочность, модификация.

Исследованы адгезионные свойства гибридных волокон после высокочастотной емкостной плазменной обработки при пониженном давлении. Гибридные волокна получены кручением углеродных волокон и сверхвысокомолекулярных полиэтиленовых волокон. Установлено, что плазменная обработка увеличивает сдвиговую прочность на границе раздела волокно - матрица в гибридном микрокомпозите.

Keywords: hybrid fiber, hybrid fiber reinforced polymer composites, plasma, radio-frequency capacitive discharge, carbon fibers, ultra-high-molecular-weight polyethylene fibers, interfacial properties, adhesion, interfacial shear strength, modification, capillary

properties.

Were studied the adhesion and capillary properties of hybrid fiber carbon/ultra-high-molecular-weight polyethylene fibers after radio-frequency capacitive discharge plasma treatment. Hybrid fibers obtained by torsion carbon fibers and ultra-high polyethylene fiber. It is found that the plasma treatment increases the interfacial shear strength of the hybrid matrix microcomposite. It revealed that the minimal number of revolutions during twisting fibers impregnated promotes better capillary effect and better adhesion to the matrix.

Введение

Для улучшения свойств традиционных волокнистых полимерных композиционных материалов (ВПКМ), в частности углеродных, применяемых в спортивной промышленности, целесообразно включать в их состав органические волокна для повышения прочностных и деформационных свойств материала и устранения хрупко-осколочного характера разрушения углепластиков [1]. Создание и изучение свойств гибридных волокон и, соответственно, гибридных ВПКМ является актуальной задачей, решение которой даст выход на более высокий уровень развития композитных технологий. Помимо самого создания гибридного материала одной из задач является его модификация. Для повышения адгезии волокон к матричным материалам и сдвиговой прочности на границе раздела фаз волокно-матрица известен способ плазменной обработки при пониженном давлении в высокочастотном емкостном разряде (ВЧЕ) [2-4].

Целью работы является исследование влияния плазменной обработки на сдвиговую прочность между армирующими волокнами и полимерной матрицей в гибридном микрокомпозите.

Экспериментальная часть

Армирующими материалами для эксперимента выбраны следующие: углеродное волокно (УВ) марки Toho Tenax HTA40 (Япония), сверхвысокомолекулярное полиэтиленовое

(СВМПЭ) волокно марки Dyneema SK-75 (Royal DSM Co, Ltd., Голландия).

Для создания полимерной матрицы применяли смесь эпоксидной смолы ЭД-20 и

полиэтиленполиамина (ПЭПА) в соотношении 10:1. В качестве разбавителя полимерной матрицы для лучшей пропитки волокон использовали растворитель РП (ТУ 6-10-1095-76).

Для формирования образцов собрана оснастка, на которой изготавливали микрокомпозиты в форме стержней путем крутки гибридных волокон с соотношением УВ - СВМПЭ 1:3, 1:1, 3:1. Число оборотов на метр длины (об/м) составляло: 30, 45, 60, 75. Затем полимерной матрицей заливали концы стержней, тем самым заделывая микрокомпозит в объём матрицы на определенную глубину l равную 24 мм. После отверждения матрицы, образец выдерживали в печи в течение 4 ч при температуре 80 DC. Полученные образцы (рис. 1) испытывали на универсальной испытательной машине Autograph AGS-X (Shimadzu, Япония), закрепив микрокомпозиты в специальных приспособлениях. Скорость движения траверсы составляла 5 мм/мин. Происходило выдергивание образцов гибридной нити из объёма матрицы. Фиксировали максимальную нагрузку P.

Диаметр отверстия D, образующийся при выдергивании волокна исследовали с помощью электронной микроскопии на РЭМ Olympus Lext 4000 (рис. 2). Данный показатель использовали в расчетах сдвиговой прочности т композита.

Расчет сдвиговой прочности производился по следующей формуле:

где т - сдвиговая прочность, P - максимальная нагрузка, п - число Пи, D - диаметр образовавшегося отверстия, l - глубина задела в матрицу.

C целью повышения сдвиговой прочности проводили поверхностную активацию волокон, на

плазменной установке ВЧЕ разряда при пониженном давлении [5]. В качестве плазмообразующего газа использовали воздух [6]. Модификацию проводили при следующих постоянных параметрах: давление Р = 26,6 Па, расход плазмообразующего газа в = 0,04 г/с. Варьировали следующие параметры: напряжение на аноде иа = 1,5; 3; 5 кВ, время обработки 1 = 10; 20; 40 мин.

Рис. 1 - Опытный образец гибридного микрокомпозита: а - модель (1,3 - форма с матрицей, 2 - гибридный стержень); б - образец в зажимных приспособлениях после проведения испытания

Рис. 2 - Микрофотографии отверстий в матрице после выдергивания гибридного

микрокомпозита

Результаты исследования сдвиговой прочности отражены в таблице 1. Определена зависимость сдвиговой прочности от числа оборотов при получении гибридных волокон путем крутки и от соотношения волокон в гибридных ВПКМ. Образцам с большим содержанием УВ и меньшим числом оборотов характерна высокая сдвиговая прочность.

Плазменная активация волокон гибридных ВПКМ повышает сдвиговую прочность.

Таблица 1 - Влияние плазменной обработки и соотношения волокон в гибридных ВПКМ на сдвиговую прочность к полимерной матрице

Оборо- ты/м Соотношение УВ -СВМПЭ волокон в гибридной нити Активация ср. т, МПа

3:1 нет 14,74

3:1 плазма 17,28

60 1:1 нет 12,40

1:1 плазма 12,53

1:3 нет 9,28

1:3 плазма 13,11

3:1 нет 16,76

3:1 плазма 19,47

30 1:1 нет 16,08

1:1 плазма 16,48

1:3 нет 15,10

1:3 плазма 16,63

Выводы

Большее число оборотов волокон и уменьшение содержания УВ в гибридных микрокомпозитах приводит к снижению сдвиговой прочности между армирующими волокнами и полимерной матрицей. В гибридных ВПКМ сдвиговая прочность повышается до 30% путём предварительной обработки волокон в потоке плазмы ВЧЕ разряда при пониженном давлении в среде воздуха. Показано, что данный метод создания гибридных армирующих волокон и их плазменной модификации позволит получать универсальные гибридные композиты с повышенными прочностными и деформационными свойствами.

Литература

1. Оценка динамических свойств армированных пластиков / В.В. Кудинов, И.К. Крылов, Н.В. Корнеева, В.И. Мамонов / Физика и химия обработки материалов. 2014. №6. С. 63-67.

2. Сдвиговая прочность композиционного материала, армированного сверхвысокомолекулярными полиэтиленовыми волокнами /В.В. Кудинов и др. // Физика и химия обработки материалов. 2012. № 5. С. 18-25.

3. Гарифуллин А.Р. Исследование плазменного воздействия на прочность соединения углеродного волокна с эпоксидной матрицей при получении композиционных материалов / А.Р. Гарифуллин, Е.А. Скидченко, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета. 2014. № 21. С. 69-70.

4. Сергеева Е. А. Повышение адгезионной способности сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна с помощью плазменной обработки / Е.А. Сергеева, А.Р. Ибатуллина, Ф. Ф. Кадыров // Вестник Казанского технологического университета. 2012. № 17. С. 123-126.

5. 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.

6. Гарифуллин А. Р., Абдуллин И. Ш. Плазменная гидрофилизация углеродной ленты для создания композиционных материалов с повышенными

прочностными характеристиками / А.Р. Гарифуллин, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета. 2014. № 17. С. 101-102.

© А. Р. Гарифуллин - аспирант, КНИТУ, darin-loko@yandex.ru; И. Ш. Абдуллин - д.т.н., профессор КНИТУ; Н. В. Корнеева - д.т.н., профессор ИХФ РАН им. Н.Н. Семёнова; ИМЕТ РАН им. А.А. Байкова; В. В. Кудинов - д.т.н., профессор ИМЕТ РАН им. А.А. Байкова; Е. А. Скидченко - студент КНИТУ.

© A. R. Garifullin - postgraduate student KNRTU, darin-loko@yandex.ru; I. Sh. Abdullin - professor, KNRTU; N. V. Korneeva - professor, Institute of Chemical Physics, RAS; Institute of Metallurgy and Material Science, RAS; V. V. Kudinov - professor, Institute of Metallurgy and Material Science, RAS; E. A. Skidchenko - student, KNRTU.